Investigadores de la Universidad de Tsinghua y la Universidad de Brown han descubierto una forma sencilla de dar un gran impulso al intercambio de calor turbulento. un método de transporte de calor ampliamente utilizado en calefacción, sistemas de ventilación y aire acondicionado (HVAC).

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 para 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 de alrededor del 50%, "dijo Varghese Mathai, investigador postdoctoral en Brown y co-primer autor del estudio, que trabajó con Chao Sun, un profesor de Tsinghua que concibió la idea. "Lo que logramos aquí es una mejora 10 veces mayor que con otros métodos, lo cual es realmente muy 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 en el medio. Cerca de la superficie caliente, el líquido se calienta, se vuelve menos denso y 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 de intercambio de calor es un elemento básico de los sistemas HVAC modernos ampliamente utilizados en calefactores domésticos y unidades de aire acondicionado. dicen los investigadores.

En 2015, Sun tuvo la idea de utilizar un componente orgánico conocido como hidrofluoroéter o HFE para acelerar el ciclo del calor dentro de este tipo de intercambiador. En ocasiones, el HFE se utiliza como único fluido en intercambiadores de calor, pero Sun sospechaba que podría tener propiedades más interesantes como aditivo en sistemas basados ​​en agua. Trabajando con el coautor del estudio, Ziqi Wang, Mathai y Sun experimentaron agregando pequeñas cantidades de HFE y, después de tres años de trabajo, pudieron maximizar su efectividad para acelerar el intercambio de calor. El equipo demostró que concentraciones de alrededor del 1% de HFE crearon mejoras dramáticas en el flujo de calor de hasta un 500%.

Utilizando técnicas de diagnóstico por imágenes y láser de alta velocidad, los investigadores pudieron mostrar cómo funciona la mejora de HFE. Cuando está cerca del lado caliente del intercambiador, los glóbulos de HFE hierven rápidamente, formando burbujas bifásicas de vapor y líquido que se elevan rápidamente hacia la placa fría de arriba. En el plato frío las burbujas pierden su calor y descienden como líquido. Las burbujas afectan el flujo de calor general de dos maneras, los investigadores mostraron. Las burbujas mismas llevan una cantidad significativa de calor lejos del lado caliente, pero también aumentan la velocidad de las columnas de agua circundantes que suben y bajan.

"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 espectacular en la transferencia de calor ".

Esa acción conmovedora también podría tener otras aplicaciones, dicen los investigadores. Podría ser útil en sistemas diseñados para mezclar dos o más líquidos. La agitación adicional hace que la mezcla sea más rápida y completa.

Los investigadores señalaron que el aditivo específico que utilizaron, HFE7000, no es corrosivo, no inflamable y amigable con el ozono. Una limitación es que el enfoque solo funciona en sistemas de intercambio de calor verticales, los que mueven el calor de una placa inferior a una superior. Actualmente no funciona en sistemas de lado a lado, aunque los investigadores están considerando formas de adaptar la técnica. Todavía, los intercambiadores verticales son ampliamente utilizados, y este estudio ha mostrado una forma sencilla de mejorarlos drásticamente.

"Este enfoque bifásico genera un gran aumento en el flujo de calor con modificaciones mínimas en los sistemas de calefacción y refrigeración existentes, ", Dijo Mathai." Creemos que esto es una gran promesa para revolucionar el intercambio de calor en HVAC y otras aplicaciones a gran escala ".