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效率提高500%!新方法能使HVAC热交换器效率显著提升

发表日期:2020/1/21 11:47:05 来源:博科园 评论 总点击量:

清华大学和布朗大学科学家发现了一种简单的方法,可以大大促进紊流换热,紊流换热广泛应用于供暖、通风和空调热交换器(HVAC)系统中。在《自然通讯》上发表的一项研究中,研究人员表示,在常见的水基湍流换热系统中添加一种现成有机溶剂,可以将换热能力提高500%,这比其他旨在增加传热的方法要好得多。布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者之一Varghese Mathai说:

其他增加热流剂纳米颗粒添加剂或其他技术的方法,充其量只取得了约50%的提升,现在清华大学等研究人员在这方面取得的进步是其他方法的10倍,这真的非常令人兴奋。紊流换热器是一种相当简单的装置,它利用液体的自然运动来转移热量。它们由热表面、冷表面和中间的液体罐组成。在靠近热表面的地方,液体变热,密度变小,形成向冷侧上升的热羽状物。在那里,液体失去热量,变得更密集,形成冷羽,下沉到热的一边。水循环作用是调节每个表面的温度。

这种类型热交换是现代暖通空调系统的主要组成部分,广泛应用于家用加热器和空调机组。用一种被称为氢氟醚或HFE的有机成分来加速这种换热器内部热量循环。HFE有时被用作热交换器中唯一的流体,但研究人员怀疑它作为水基系统添加剂可能具有更有趣的特性。与该研究的第一作者之一王紫琦(Ziqi Wang)合作,马泰(Ma thai)等尝试加入少量HFE,经过三年的研究,能够最大限度地提高HFE加速热交换的效果。研究小组发现,1%左右的HFE浓度可以显著提高热流密度,达到500%。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。

当靠近热交换器的热侧时HFE小球迅速沸腾,形成蒸汽和液体的两相气泡,迅速向上面的冷板上升。在冷板上,气泡失去热量,以液体的形式下降。这些气泡以两种方式影响整体热流,气泡本身携带着大量热量从热的一侧带走,但也增加了周围水羽上升和下降的速度,这基本上是搅动了系统,使羽流移动得更快。结合气泡本身携带的热量,该研究在传热方面得到了显著改善。这种搅拌作用可能还有其他用途,它可能在设计成混合两种或两种以上液体的系统中很有用,额外的搅拌使搅拌更快更彻底。

使用的特殊添加剂hfe7000是一种不腐蚀、不易燃、对臭氧友好的添加剂。一个限制是,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板块。虽然研究人员正在研究如何改进这项技术,但目前它还不能在左右系统上工作。尽管如此,垂直交换器仍然得到了广泛的应用,并且这项研究已经显示了一种简单的方法来显著地改进。这种两相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,这对暖通空调和其他大规模应用领域热交换具有重大的变革前景。


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