清華大學和布朗大學科學家發(fā)現(xiàn)了一種簡單的方法，可以大大促進紊流換熱，紊流換熱廣泛應用于供暖、通風和空調熱交換器(HVAC)系統(tǒng)中。

在《自然通訊》上發(fā)表的一項研究中，研究人員表示，在常見的水基湍流換熱系統(tǒng)中添加一種現(xiàn)成有機溶劑，可以將換熱能力提高500%，這比其他旨在增加傳熱的方法要好得多。布朗大學博士后研究員、該研究的第一作者之一Varghese Mathai說：

其他增加熱流劑納米顆粒添加劑或其他技術的方法，充其量只取得了約50%的提升，現(xiàn)在清華大學等研究人員在這方面取得的進步是其他方法的10倍，這真的非常令人興奮。紊流換熱器是一種相當簡單的裝置，它利用液體的自然運動來轉移熱量。它們由熱表面、冷表面和中間的液體罐組成。在靠近熱表面的地方，液體變熱，密度變小，形成向冷側上升的熱羽狀物。在那里，液體失去熱量，變得更密集，形成冷羽，下沉到熱的一邊。水循環(huán)作用是調節(jié)每個表面的溫度。

這種類型熱交換是現(xiàn)代暖通空調系統(tǒng)的主要組成部分，廣泛應用于家用加熱器和空調機組。用一種被稱為氫氟醚或HFE的有機成分來加速這種換熱器內部熱量循環(huán)。HFE有時被用作熱交換器中唯一的流體，但研究人員懷疑它作為水基系統(tǒng)添加劑可能具有更有趣的特性。與該研究的第一作者之一王紫琦(Ziqi Wang)合作，馬泰(Ma thai)等嘗試加入少量HFE，經(jīng)過三年的研究，能夠最大限度地提高HFE加速熱交換的效果。研究小組發(fā)現(xiàn)，1%左右的HFE濃度可以顯著提高熱流密度，達到500%。利用高速成像和激光診斷技術，研究人員能夠展示HFE增強的工作原理。

當靠近熱交換器的熱側時HFE小球迅速沸騰，形成蒸汽和液體的兩相氣泡，迅速向上面的冷板上升。在冷板上，氣泡失去熱量，以液體的形式下降。這些氣泡以兩種方式影響整體熱流，氣泡本身攜帶著大量熱量從熱的一側帶走，但也增加了周圍水羽上升和下降的速度，這基本上是攪動了系統(tǒng)，使羽流移動得更快。結合氣泡本身攜帶的熱量，該研究在傳熱方面得到了顯著改善。這種攪拌作用可能還有其他用途，它可能在設計成混合兩種或兩種以上液體的系統(tǒng)中很有用，額外的攪拌使攪拌更快更徹底。

使用的特殊添加劑hfe7000是一種不腐蝕、不易燃、對臭氧友好的添加劑。一個限制是，這種方法只適用于垂直換熱系統(tǒng)——將熱量從較低的板塊轉移到較高板塊。雖然研究人員正在研究如何改進這項技術，但目前它還不能在左右系統(tǒng)上工作。盡管如此，垂直交換器仍然得到了廣泛的應用，并且這項研究已經(jīng)顯示了一種簡單的方法來顯著地改進。這種兩相法在對現(xiàn)有加熱和冷卻系統(tǒng)進行最小修改的情況下，產(chǎn)生了非常大的熱流，這對暖通空調和其他大規(guī)模應用領域熱交換具有重大的變革前景。

博科園｜研究/來自：清華大學/布朗大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11221-w

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