Als installatieprofessional bent u ongetwijfeld bekend met de warmtewisselaar, die warmte overbrengt van de ene naar de andere vloeistof, of van de ene gassoort naar de andere. Zo kan een warmtewisselaar warme lucht aan een ruimte onttrekken om daarmee buitenlucht voor te verwarmen. Bij combiketels kan de wisselaar heet water transformeren tot warm tapwater. Maar hoe gaat de warmteoverdracht bij dit soort processen nu precies in zijn werk? Een bijzondere nieuwe onderzoeksmethode maakt het mogelijk om het proces tot in de kleinste details te volgen.
Neutronen
Onderzoekers van het gerenommeerde Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ontdekten dat neutronen zichtbaar kunnen maken hoe koudemiddelen door warmtewisselaarkanalen stromen. Met deze beelden is het mogelijk de werking van warmteoverdracht in warmtewisselaars nader te doorgronden.
Een neutron is een subatomair deeltje zonder elektrische lading dat in atoomkernen voorkomt. De ORNL-onderzoekers combineerden de mogelijkheden van 3D-printing en neutron imaging om zogeheten microchannel-warmtewisselaars te onderzoeken. Zij gingen met dit doel een samenwerking aan met een 3D-printbedrijf dat de microkanalen printte die nodig waren om de koudemiddelen met behulp van neutronen in beeld te brengen.
Koudemiddelenstroom
Warmtepompen maken gebruik van koudemiddelen om warmte te transporteren. Een bekend koudemiddel is freon, dat in koelkasten werd toegepast, maar tegenwoordig verboden is. Andere bekende koudemiddelen zijn alkanen als (iso)butaan en propaan, ammoniak, fluorkoolwaterstoffen, koolstofdioxide en propyleen.
Met behulp van de nieuwe techniek konden de Amerikaanse wetenschappers in beeld brengen wat de reactie van koudemiddelen was op verschillende temperatuurniveaus zonder dat de koudemiddelenstroom verstoord werd. Het onderzoeksteam meldt daarbij dat het voor het eerst is dat neutron imaging en microkanaalonderzoek in één onderzoek zijn gecombineerd.
Warmte in beeld
De onderzoekers wilden weten wat de invloed van de warmte op de microkanalen is. Om hier achter te komen, volgden ze vijf dagen lang hoe de koudemiddelen zich door de microkanalen bewogen, terwijl ze de temperatuur steeds verder opvoerden. Het onderzoeksinstituut van de onderzoekers beschikt over een reactor: deze leverde de neutronen voor het vervaardigen van beelden van ieder koude-stadium.
Verrassende resultaten
Het onderzoek leverde verrassende beelden op. Met de horizontale positie van de microkanalen gingen de onderzoekers ervanuit dat het vloeibare gedeelte van het koudemiddel onder invloed van de zwaartekracht naar de bodem van de kanaaltjes zou zakken, met minder ruimte voor warmteoverdracht als gevolg. Het koudemiddel bleek zich echter aan alle kanten van het microkanaal te bevinden, wat juist een maximaal oppervlak opleverde voor de overdracht van de warmte. Alleen als de temperatuur hoog werd, zorgde de ontstane damp ervoor dat de koudemiddelen zich naar het midden van de kanaaltjes bewogen. In deze positie kon het koudemiddel minder warmte opnemen via de wanden van de microkanalen. Al met al is dit een verrassende uitkomst die ongetwijfeld door zal werken in de ontwikkeling van de warmtewisselaar!
