新方法可以使HVAC热交换器的性能提高五倍

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促进湍流换热，这是一种广泛应用于供暖、通风和空调(HVAC)系统的热传输方法。

在《自然通讯》上发表的一篇论文中，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的有机溶剂，可以将它们的换热能力提高500%。研究人员说，这比其他旨在增加传热的方法要好得多。

“其他增加热流的方法——纳米颗粒添加剂或其他技术——充其量只取得了约50%的改善，”布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者之一瓦尔盖塞·马泰(Varghese Mathai)说。“我们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，液体失去它的热量，变得更密集，形成冷羽，下沉到热的一边。水的循环作用是调节每个表面的温度。研究人员说，这种类型的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。

2015年，孙有了一个想法，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的热量循环。HFE有时被用作热交换器中唯一的流体，但Sun怀疑它作为水基系统的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(Mathai)和孙(Sun)尝试加入少量HFE，经过三年的研究，他们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的小球迅速沸腾，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。研究人员表示，这些气泡以两种方式影响整体热流。气泡本身携带着大量的热量从热的一侧带走，但它们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，”孙说。“结合气泡本身携带的热量，我们在传热方面得到了显著改善。”

研究人员说，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。

研究人员指出，他们使用的特殊添加剂——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的板块。虽然研究人员正在考虑如何改进这项技术，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它们。

Mathai说:“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。”“我们认为这对暖通空调和其他大规模应用领域的热交换具有重大的变革前景。”