来自清华大学和布朗大学的研究人员声称,他们发现了一种简单的方法可大幅提高空调和制冷系统的热交换效率。

1

  相关论文发表在Nature Communications,研究人员表示,在常见的水基湍流换热系统中加入一种现成的有机溶剂,可以使它们的传热能力提高500%。研究人员声称,这比之前研究过的技术,包括添加纳米颗粒,要好得多。

  “其他增加热通量的方法,包括纳米颗粒添加剂或其他技术,最多能提高50%。”本文的并列第一作者布朗大学博士后Varghese Mathai说道,“而我们此次得到的效果,比以往的方法好十倍以上,这真的非常令人激动。”据了解,此次研究的想法最初由清华大学的孙超教授提出的。

  湍流换热器利用液体的自然运动来传导热量,它们通常由热表面、冷表面和中间的液体罐组成。在靠近热表面的地方,液体被加热,密度变小,形成向冷表面方向的热羽状物。然后,液体失去它的热量,密度增大,形成冷羽,下沉到热的一边。这一过程中,水循环调节了两个表面的温度。

  2015年,孙超就有了用氢氟醚(HFE)来加速换热器内热交换过程的想法。HFE在有机朗肯循环中被用作溶剂和专用传热流体,但是孙教授认为它作为水基体系中的添加剂会有更有趣的性能。

  与该论文的并列作者之一 Ziqi Wang一起,Mathai和孙超尝试只加入少量HFE。经过了三年的大量实验,目前他们已经能够最大限度地使用HFE提升热交换效果。该研究团队发现,1%左右的HFE浓度可以显著提高热通量,达到500%。

  研究人员使用的HFE7000是一种无腐蚀性、不易燃、对臭氧友好的液体,GWP为530。但有一个限制,这种方法只适用于垂直换热系统——将热量从较低的板块转移到较高的板块。虽然研究人员正在考虑如何改进这项技术,但目前它还不能在左右系统上工作。

  利用高速成像和激光诊断技术,研究人员能够展示HFE增强热交换效率的工作原理。当靠近热交换器的热侧时,HFE的小液滴迅速沸腾,形成蒸汽和液体的两相气泡,迅速上升到上面的冷板。在冷板上,气泡失去热量,以液体的形式下降。研究人员表示,这些气泡以两种方式影响整体热流。一方面气泡本身可以从热表面带走大量的热量,另一方面它们也增加了周围水羽上升和下降的速度。

2

  “这基本上相当于搅动了系统,是的羽流运动速度更快”孙教授说道,“结合气泡带走的热浪,我们在热交换方面得到了巨大改善。”

  研究人员提到,这种搅拌作用可能还有其他用途,它在设计成混合两种或两种以上液体的系统中很有用。额外的搅拌使混合更快更彻底。

  “这种双相方法在对现有加热和冷却系统进行最小修改的情况下,产生了非常大的热流密度增加”Mathai说道,“我们认为这对暖通空调和其他大规模应用领域的换热具有重大的变革前景。”