Investigadores de la Universidad de Tsinghua y la Universidad de Brown han descubierto una forma simple de dar un gran impulso al intercambio de calor turbulento, un método de transporte de calor ampliamente utilizado en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado.
en un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores muestran que agregar un solvente orgánico fácilmente disponible a los sistemas comunes de intercambio de calor turbulento a base de agua puede aumentar su capacidad de mover el calor en un 500%. Eso es mucho mejor que otros métodos destinados a aumentar la transferencia de calor, dicen los investigadores.
"Otros métodos para aumentar el flujo de calor, aditivos de nanopartículas u otras técnicas, han logrado en el mejor de los casos una mejora del 50%", dijo Varghese Mathai, investigador postdoctoral en Brown y coautor del estudio, que trabajó con ChaoSun, profesor de Tsinghua que concibió la idea: "Lo que logramos aquí es una mejora 10 veces mayor que otros métodos, lo cual es realmente emocionante".
Los intercambiadores de calor turbulentos son dispositivos bastante simples que utilizan los movimientos naturales del líquido para mover el calor. Consisten en una superficie caliente, una superficie fría y un tanque de líquido intermedio. Cerca de la superficie caliente, el líquido se calienta y se vuelve menos densoy forma penachos cálidos que se elevan hacia el lado frío. Allí, el líquido pierde su calor, se vuelve más denso y forma penachos fríos que se hunden hacia el lado caliente. El ciclo del agua sirve para regular las temperaturas de cada superficie. Este tipo deEl intercambio de calor es un elemento básico de los sistemas modernos de HVAC ampliamente utilizados en calentadores domésticos y unidades de aire acondicionado, dicen los investigadores.
En 2015, Sun tuvo la idea de usar un componente orgánico conocido como hidrofluoroéter o HFE para acelerar el ciclo de calor dentro de este tipo de intercambiador. HFE a veces se usa como el único fluido en los intercambiadores de calor, pero Sun sospechaba que podría tenerpropiedades más interesantes como aditivo en sistemas a base de agua. Trabajando con el coautor del estudio, Ziqi Wang, Mathai y Sun experimentaron con la adición de pequeñas cantidades de HFE y, después de tres años de trabajo, pudieron maximizar su efectividad para acelerar el calor.El equipo demostró que las concentraciones de alrededor de 1% de HFE crearon mejoras dramáticas en el flujo de calor de hasta 500%.
Utilizando técnicas de diagnóstico por imágenes y láser de alta velocidad, los investigadores pudieron mostrar cómo funciona la mejora de HFE. Cuando cerca del lado caliente del intercambiador, los glóbulos de HFE hierven rápidamente, formando burbujas bifásicas de vapor y líquido que se elevan rápidamentehacia la placa fría de arriba. En la placa fría, las burbujas pierden su calor y descienden como líquido. Las burbujas afectan el flujo de calor general de dos maneras, mostraron los investigadores. Las burbujas mismas llevan una cantidad significativa de calor lejos del lado caliente, pero también aumentan la velocidad de las columnas de agua circundantes subiendo y bajando.
"Esto básicamente agita el sistema y hace que las plumas se muevan más rápido", dijo Sun. "Combinado con el calor que llevan las burbujas, obtenemos una mejora dramática en la transferencia de calor".
Los investigadores dicen que esa acción de agitación también podría tener otras aplicaciones. Podría ser útil en sistemas diseñados para mezclar dos o más líquidos. La agitación adicional permite una mezcla más rápida y completa.
Los investigadores señalaron que el aditivo específico que usaron, el HFE7000, no es corrosivo, no es inflamable y es amigable con el ozono. Una limitación es que el enfoque solo funciona en sistemas de intercambio de calor vertical, aquellos que mueven el calor de unplaca inferior a una superior. Actualmente no funciona en sistemas de lado a lado, aunque los investigadores están considerando formas de adaptar la técnica. Aún así, los intercambiadores verticales son ampliamente utilizados, y este estudio ha demostrado una forma simple de mejorarellos dramáticamente.
"Este enfoque bifásico genera un aumento muy grande en el flujo de calor con modificaciones mínimas a los sistemas de calefacción y refrigeración existentes", dijo Mathai. "Creemos que esto tiene una gran promesa de revolucionar el intercambio de calor en HVAC y otras aplicaciones a gran escala".
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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