I ricercatori della Tsinghua University e della Brown University hanno scoperto un modo semplice per dare un forte impulso allo scambio di calore turbolento, un metodo di trasporto del calore ampiamente utilizzato nel riscaldamento, sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC).

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , i ricercatori mostrano che l'aggiunta di un solvente organico prontamente disponibile ai comuni sistemi di scambio di calore turbolento a base d'acqua può aumentare la loro capacità di spostare il calore del 500%. È molto meglio di altri metodi volti ad aumentare il trasferimento di calore, dicono i ricercatori.

"Altri metodi per aumentare il flusso di calore - additivi per nanoparticelle o altre tecniche - hanno ottenuto al massimo circa il 50% di miglioramento, " disse Varghese Mathai, un ricercatore post-dottorato alla Brown e co-primo autore dello studio, che ha lavorato con Chao Sun, un professore a Tsinghua che ha concepito l'idea. "Quello che otteniamo qui è un miglioramento 10 volte maggiore rispetto ad altri metodi, che è davvero molto eccitante."

Gli scambiatori di calore turbolenti sono dispositivi abbastanza semplici che utilizzano i movimenti naturali del liquido per spostare il calore. Sono costituiti da una superficie calda, una superficie fredda e un serbatoio di liquido in mezzo. Vicino alla superficie calda, il liquido si riscalda, diventa meno denso e forma pennacchi caldi che salgono verso il lato freddo. Là, il liquido perde il suo calore, diventa più denso e forma pennacchi freddi che ricadono verso il lato caldo. Il ciclo dell'acqua serve a regolare le temperature di ogni superficie. Questo tipo di scambio termico è un punto fermo dei moderni sistemi HVAC ampiamente utilizzati nei riscaldatori domestici e nelle unità di condizionamento dell'aria, dicono i ricercatori.

Nel 2015, Sun ha avuto l'idea di utilizzare un componente organico noto come idrofluoroetere o HFE per accelerare il ciclo del calore all'interno di questo tipo di scambiatore. L'HFE è talvolta utilizzato come unico fluido negli scambiatori di calore, ma Sun sospettava che potesse avere proprietà più interessanti come additivo nei sistemi a base d'acqua. Lavorando con il co-primo autore dello studio Ziqi Wang, Mathai e Sun hanno sperimentato l'aggiunta di piccole quantità di HFE e, dopo tre anni di lavoro, sono stati in grado di massimizzare la sua efficacia nell'accelerare lo scambio termico. Il team ha dimostrato che concentrazioni di circa l'1% di HFE hanno creato notevoli miglioramenti del flusso di calore fino al 500%.

Utilizzando tecniche di diagnostica per immagini e laser ad alta velocità, i ricercatori sono stati in grado di mostrare come funziona il potenziamento dell'HFE. In prossimità del lato caldo dello scambiatore, i globuli di HFE bollono rapidamente, formando bolle bifasiche di vapore e liquido che salgono rapidamente verso la piastra fredda sovrastante. Al piatto freddo, le bolle perdono il loro calore e scendono come liquide. Le bolle influenzano il flusso di calore complessivo in due modi, hanno mostrato i ricercatori. Le bolle stesse trasportano una notevole quantità di calore lontano dal lato caldo, ma aumentano anche la velocità dei pennacchi d'acqua circostanti che salgono e scendono.

"Questo fondamentalmente agita il sistema e fa muovere i pennacchi più velocemente, " disse Sun. "Combinato con il calore che le bolle stesse trasportano, otteniamo un notevole miglioramento nel trasferimento di calore."

Quell'azione di agitazione potrebbe avere anche altre applicazioni, dicono i ricercatori. Potrebbe essere utile in sistemi progettati per miscelare due o più liquidi. La mescolatura extra rende la miscelazione più rapida e completa.

I ricercatori hanno sottolineato che l'additivo specifico che hanno usato, HFE7000, non è corrosivo, non infiammabile e amico dell'ozono. Una limitazione è che l'approccio funziona solo su sistemi di scambio termico verticali, quelli che spostano il calore da una piastra inferiore a una superiore. Attualmente non funziona su sistemi side-to-side, sebbene i ricercatori stiano valutando modi per adattare la tecnica. Ancora, gli scambiatori verticali sono ampiamente utilizzati, e questo studio ha mostrato un modo semplice per migliorarli notevolmente.

"Questo approccio bifasico genera un notevole aumento del flusso di calore con modifiche minime ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento esistenti, " Mathai ha detto. "Pensiamo che questo abbia grandi promesse di rivoluzionare lo scambio di calore in HVAC e altre applicazioni su larga scala".