В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи показывают, что добавление легкодоступного органического растворителя к обычным системам турбулентного теплообмена на водной основе может повысить их способность отводить тепло на 500%. Исследователи говорят, что это намного лучше, чем другие методы, направленные на увеличение теплопередачи.
«Другие методы увеличения теплового потока – добавки наночастиц или другие методы – достигли в лучшем случае примерно 50% улучшения», – сказал Варгез Матхай, научный сотрудник Brown и соавтор исследования, который работал с Чао Сан. профессор Цинхуа, придумавший идею. «Мы достигли здесь в 10 раз больше улучшений, чем другие методы, и это действительно очень интересно."
Турбулентные теплообменники – это довольно простые устройства, которые используют естественные движения жидкости для переноса тепла.
Они состоят из горячей поверхности, холодной поверхности и резервуара с жидкостью между ними. Вблизи горячей поверхности жидкость нагревается, становится менее плотной и образует теплые шлейфы, поднимающиеся к холодной стороне.
Там жидкость теряет тепло, становится более плотной и образует холодные шлейфы, которые опускаются обратно к горячей стороне. Круговорот воды служит для регулирования температуры каждой поверхности. По словам исследователей, этот тип теплообмена является основным продуктом современных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, широко используемых в домашних обогревателях и установках кондиционирования воздуха.
В 2015 году у Sun возникла идея использовать органический компонент, известный как гидрофторэфир или HFE, для ускорения круговорота тепла внутри такого теплообменника. HFE иногда используется в качестве единственной жидкости в теплообменниках, но Sun подозревает, что он может иметь более интересные свойства в качестве добавки в системах на водной основе.
Работая с одним из первых авторов исследования Зики Ван, Матхай и Сан экспериментировали с добавлением небольших количеств HFE и после трех лет работы смогли максимизировать его эффективность в ускорении теплообмена. Команда показала, что концентрация около 1% HFE приводит к резкому увеличению теплового потока до 500%.
Используя методы высокоскоростной визуализации и лазерной диагностики, исследователи смогли показать, как работает усиление HFE. Находясь рядом с горячей стороной теплообменника, глобулы HFE быстро закипают, образуя двухфазные пузырьки пара и жидкости, которые быстро поднимаются к холодной пластине выше. На холодной пластине пузырьки теряют тепло и опускаются в жидком виде.
Исследователи показали, что пузырьки влияют на общий тепловой поток двумя способами. Сами пузырьки уносят значительное количество тепла от горячей стороны, но они также увеличивают скорость подъема и опускания окружающих струй воды.
"Это в основном возбуждает систему и заставляет шлейфы двигаться быстрее", – сказал Сан. "В сочетании с теплом, которое переносят сами пузырьки, мы получаем резкое улучшение теплопередачи."
Исследователи говорят, что это волнующее действие может иметь и другие применения. Это может быть полезно в системах, предназначенных для смешивания двух или более жидкостей. Дополнительное перемешивание способствует более быстрому и полному перемешиванию.
Исследователи отметили, что конкретная добавка, которую они использовали, – HFE7000 – не вызывает коррозии, не воспламеняется и не наносит вреда озону. Одно ограничение заключается в том, что этот подход работает только с вертикальными системами теплообмена – теми, которые перемещают тепло от нижней пластины к верхней.
В настоящее время он не работает с системами side-to-side, хотя исследователи рассматривают способы адаптации этого метода. Тем не менее, вертикальные теплообменники широко используются, и это исследование показало простой способ их значительного улучшения.
«Этот двухфазный подход приводит к очень большому увеличению теплового потока с минимальными модификациями существующих систем отопления и охлаждения», – сказал Матхай. «Мы считаем, что это большие перспективы для революционного преобразования теплообмена в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и других крупномасштабных приложениях."