Pesquisadores da Tsinghua University e da Brown University descobriram uma maneira simples de dar um grande impulso à turbulenta troca de calor, um método de transporte de calor amplamente utilizado em aquecimento, sistemas de ventilação e ar condicionado (HVAC).

Em um artigo publicado em Nature Communications , os pesquisadores mostram que adicionar um solvente orgânico prontamente disponível aos sistemas turbulentos de troca de calor à base de água pode aumentar sua capacidade de mover o calor em 500%. Isso é muito melhor do que outros métodos que visam aumentar a transferência de calor, dizem os pesquisadores.

"Outros métodos para aumentar o fluxo de calor - aditivos de nanopartículas ou outras técnicas - alcançaram, no máximo, cerca de 50% de melhoria, "disse Varghese Mathai, um pesquisador de pós-doutorado na Brown e co-autor do estudo, que trabalhou com Chao Sun, um professor em Tsinghua que concebeu a ideia. "O que alcançamos aqui é 10 vezes mais melhoria do que outros métodos, o que é realmente empolgante. "

Trocadores de calor turbulentos são dispositivos bastante simples que usam os movimentos naturais do líquido para mover o calor. Eles consistem em uma superfície quente, uma superfície fria e um tanque de líquido no meio. Perto da superfície quente, o líquido esquenta, torna-se menos denso e forma plumas quentes que sobem em direção ao lado frio. Lá, o líquido perde seu calor, torna-se mais denso e forma plumas frias que voltam para o lado quente. O ciclo da água serve para regular as temperaturas de cada superfície. Este tipo de troca de calor é um elemento básico dos modernos sistemas HVAC amplamente utilizados em aquecedores domésticos e unidades de ar condicionado, dizem os pesquisadores.

Em 2015, A Sun teve a ideia de usar um componente orgânico conhecido como hidrofluoroéter ou HFE para acelerar a ciclagem de calor dentro desse tipo de trocador. HFE às vezes é usado como o único fluido em trocadores de calor, mas Sun suspeitou que ele poderia ter propriedades mais interessantes como aditivo em sistemas à base de água. Trabalhando com o co-autor do estudo, Ziqi Wang, Mathai e Sun experimentaram adicionar pequenas quantidades de HFE e, depois de tres anos de trabalho, foram capazes de maximizar sua eficácia em acelerar a troca de calor. A equipe mostrou que concentrações de cerca de 1% de HFE criaram melhorias dramáticas no fluxo de calor de até 500%.

Usando imagens de alta velocidade e técnicas de diagnóstico a laser, os pesquisadores foram capazes de mostrar como funciona o aprimoramento HFE. Quando perto do lado quente do trocador, os glóbulos de HFE fervem rapidamente, formando bolhas bifásicas de vapor e líquido que sobem rapidamente em direção à placa fria acima. No prato frio, as bolhas perdem seu calor e descem como líquidas. As bolhas afetam o fluxo geral de calor de duas maneiras, os pesquisadores mostraram. As próprias bolhas transportam uma quantidade significativa de calor para longe do lado quente, mas também aumentam a velocidade das plumas de água ao redor subindo e descendo.

"Isso basicamente agita o sistema e faz com que as plumas se movam mais rápido, "Disse Sun." Combinado com o calor que as próprias bolhas carregam, obtemos uma melhora dramática na transferência de calor. "

Essa ação estimulante poderia ter outras aplicações também, dizem os pesquisadores. Pode ser útil em sistemas projetados para misturar dois ou mais líquidos. A agitação extra torna a mistura mais rápida e completa.

Os pesquisadores apontaram que o aditivo específico que usaram - HFE7000 - não é corrosivo, não inflamável e amigo do ozônio. Uma limitação é que a abordagem só funciona em sistemas de troca de calor verticais - aqueles que movem o calor de uma placa inferior para uma superior. Atualmente não funciona em sistemas lado a lado, embora os pesquisadores estejam considerando maneiras de adaptar a técnica. Ainda, trocadores verticais são amplamente utilizados, e este estudo mostrou uma maneira simples de melhorá-los dramaticamente.

"Esta abordagem bifásica gera um grande aumento no fluxo de calor com modificações mínimas nos sistemas de aquecimento e resfriamento existentes, "Mathai disse." Acreditamos que isso é uma grande promessa para revolucionar a troca de calor em HVAC e outras aplicações em grande escala. "