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新方法可以使HVAC换热器的效率提高五倍

人工智能 2019-08-02 10:45:58

来自清华大学和布朗大学的研究人员发现了一种简单的方法来大力推动湍流热交换,这是一种广泛用于供暖,通风和空调(HVAC)系统的热传输方法。

在Nature Communications上发表的一篇论文中,研究人员表明,向常见的水基湍流热交换系统中添加一种易于获得的有机溶剂可以提高它们将热量移动500%的能力。研究人员说,这比其他旨在增加热传递的方法要好得多。

“其他增加热通量的方法 - 纳米颗粒添加剂或其他技术 - 最多可以实现约50%的改善,”Brown的博士后研究员,该研究的共同第一作者,与教授Chao Sun合作的Varghese Mathai说。在清华,谁想到了这个想法。“我们在这里取得的成就比其他方法提高了10倍,这真的非常令人兴奋。”

湍流热交换器是相当简单的装置,其使用液体的自然运动来移​​动热量。它们由热表面,冷表面和其间的液体罐组成。在热表面附近,液体变热,变得不那么致密,形成向冷侧上升的温暖羽流。在那里,液体失去了热量,变得更加密集,并形成冷羽流,向下退回到热侧。水的循环用于调节每个表面的温度。研究人员表示,这种类型的热交换是家用加热器和空调机组中广泛使用的现代HVAC系统的主要内容。

在2015年,Sun的想法是使用一种称为氢氟醚或HFE的有机成分来加速这种交换器内的热循环。HFE有时被用作热交换器中的唯一流体,但Sun怀疑它可能具有更多有趣的性质作为水基体系中的添加剂。与该研究的共同第一作者Ziqi Wang合作,Mathai和Sun尝试添加少量HFE,经过三年的工作,能够最大限度地提高其加速热交换的效率。该团队表明,大约1%HFE的浓度创造了高达500%的显着热通量增强。

利用高速成像和激光诊断技术,研究人员能够展示HFE增强的工作原理。当在交换器的热侧附近时,HFE的小球迅速沸腾,形成蒸汽和液体的双相气泡,其快速上升到上面的冷板。在冷板处,气泡失去热量并以液体形式下降。研究人员表示,气泡会以两种方式影响整体热通量。气泡本身带有大量的热量远离热侧,但它们也增加了周围水羽流上升和下降的速度。

“这基本上激起了系统,使羽毛移动更快,”孙说。“结合气泡自身携带的热量,我们可以显着改善传热。”

研究人员说,这种激动人心的行动也可以有其他应用。它可用于设计混合两种或多种液体的系统。额外的搅拌使得更快和更完全的混合。

研究人员指出,他们使用的特定添加剂-HFE7000是非腐蚀性,不易燃和对臭氧有益的。一个限制是该方法仅适用于垂直热交换系统 - 将热量从下板移动到上板的热交换系统。虽然研究人员正在考虑采用这种技术的方法,但目前它并不适用于侧对侧系统。尽管如此,垂直交换器仍被广泛使用,并且这项研究已经显示出一种简单的方法来显着改善它们。

“这种双相方法产生了非常大的热通量增加,对现有的加热和冷却系统的改动很小,”Mathai说。“我们认为这有望改变暖通空调和其他大规模应用中的热交换。”

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