Onderzoekers van Tsinghua University en Brown University hebben een eenvoudige manier ontdekt om turbulente warmte-uitwisseling een flinke boost te geven, een methode van warmtetransport die veel wordt gebruikt bij verwarming, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC).

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de onderzoekers laten zien dat het toevoegen van een gemakkelijk verkrijgbaar organisch oplosmiddel aan gewone op water gebaseerde turbulente warmtewisselingssystemen hun vermogen om warmte te verplaatsen met 500% kan verhogen. Dat is veel beter dan andere methoden die gericht zijn op het vergroten van de warmteoverdracht, zeggen de onderzoekers.

"Andere methoden om de warmteflux te vergroten - additieven voor nanodeeltjes of andere technieken - hebben op zijn best een verbetering van ongeveer 50% bereikt, " zei Varghese Mathai, een postdoctoraal onderzoeker bij Brown en co-eerste auteur van de studie, die met Chao Sun werkte, een professor aan Tsinghua die op het idee kwam. "Wat we hier bereiken is 10 keer meer verbetering dan andere methoden, dat is echt heel spannend."

Turbulente warmtewisselaars zijn vrij eenvoudige apparaten die de natuurlijke bewegingen van vloeistof gebruiken om warmte te verplaatsen. Ze bestaan ​​uit een heet oppervlak, een koud oppervlak en een tank met vloeistof ertussen. In de buurt van het hete oppervlak, de vloeistof warmt op, wordt minder dicht en vormt warme pluimen die naar de koude kant stijgen. Daar, de vloeistof verliest zijn warmte, wordt dichter en vormt koude pluimen die terug naar de hete kant zinken. De kringloop van water dient om de temperatuur van elk oppervlak te regelen. Dit type warmtewisseling is een hoofdbestanddeel van moderne HVAC-systemen die veel worden gebruikt in huisverwarmingstoestellen en airconditioningunits, zeggen de onderzoekers.

anno 2015, Sun kwam op het idee om een ​​organische component te gebruiken die bekend staat als hydrofluorether of HFE om de warmtekringloop in dit soort warmtewisselaar te versnellen. HFE wordt soms gebruikt als de enige vloeistof in warmtewisselaars, maar Sun vermoedde dat het interessantere eigenschappen zou kunnen hebben als additief in systemen op waterbasis. In samenwerking met de co-eerste auteur van de studie, Ziqi Wang, Mathai en Sun experimenteerden met het toevoegen van kleine hoeveelheden HFE en, na drie jaar werken, waren in staat om zijn effectiviteit bij het versnellen van warmte-uitwisseling te maximaliseren. Het team toonde aan dat concentraties van ongeveer 1% HFE dramatische verhogingen van de warmteflux tot 500% veroorzaakten.

Met behulp van high-speed beeldvorming en laser diagnostische technieken, de onderzoekers konden laten zien hoe de HFE-verbetering werkt. In de buurt van de hete kant van de wisselaar, de bolletjes HFE koken snel, vormen tweefasige bellen van damp en vloeistof die snel opstijgen naar de koude plaat erboven. Op de koude plaat, de bubbels verliezen hun warmte en dalen als vloeistof af. De bellen beïnvloeden de totale warmtestroom op twee manieren, toonden de onderzoekers aan. De bubbels zelf dragen een aanzienlijke hoeveelheid warmte weg van de hete kant, maar ze verhogen ook de snelheid van de omringende waterpluimen die stijgen en dalen.

"Dit roert het systeem in feite op en zorgt ervoor dat de pluimen sneller bewegen, " zei Sun. "Gecombineerd met de warmte die de bubbels zelf dragen, we krijgen een dramatische verbetering in warmteoverdracht."

Die opzwepende actie zou ook andere toepassingen kunnen hebben, zeggen de onderzoekers. Het kan nuttig zijn in systemen die zijn ontworpen om twee of meer vloeistoffen te mengen. Het extra roeren zorgt voor een snellere en completere menging.

De onderzoekers wezen erop dat het specifieke additief dat ze gebruikten - HFE7000 - niet-corrosief is, onbrandbaar en ozonvriendelijk. Een beperking is dat de aanpak alleen werkt op verticale warmtewisselingssystemen - systemen die warmte van een onderste naar een bovenste plaat verplaatsen. Het werkt momenteel niet op side-to-side systemen, hoewel de onderzoekers manieren overwegen om de techniek aan te passen. Nog altijd, verticale warmtewisselaars worden veel gebruikt, en deze studie heeft een eenvoudige manier aangetoond om ze drastisch te verbeteren.

"Deze bifasische benadering genereert een zeer grote toename van de warmtestroom met minimale aanpassingen aan bestaande verwarmings- en koelsystemen, "Zei Mathai. "We denken dat dit een grote belofte inhoudt om een ​​revolutie teweeg te brengen in de warmte-uitwisseling in HVAC en andere grootschalige toepassingen."