Βέλτιστος σχεδιασμός μικρο-εναλλακτών θερμότητας

Abstract

Scope of this thesis is to study the performance of μ-heat exchangers and to propose suitable and reliable design equations that can be used for the optimal design of μ-heat exchangers. During this PhD work, an experimental unit was designed and constructed in-house for assessing the thermal performance of a micro-heat exchanger. One more experimental unit was constructed for characterizing the fluid flow around a flow-disturbing rib in a micro-channel. In order to measure fluid velocity inside the micro-channel a μ-PIV system was used while an electrochemical technique was employed for the measurement of the wall shear rate. Additionally a general-purpose Computational Fluid Dynamics (CFD) code was used for the simulation of heat transfer in the micro-heat exchanger and the fluid flow around the rib. The results showed that the use of corrugated patterns in the micro-heat exchanger walls modifies the cooling liquid flow field and improves the performance of the heat exchanger. In several applications such as cooling a PEM Fuel Cell, the temperature distribution on the heat transfer surface of a heat exchanger has been revealed as a critical operating parameter. Using an RSM methodology the geometrical characteristics of the corrugations were correlated with the uniformity of temperature on the heat transfer surface. The resulted design equation was used to propose the set of the design variables (i.e. geometrical characteristics of the corrugation) that optimize the performance of the heat exchanger. The suggested values improved the uniformity of temperature on heat transfer surface up to 60%. For the case of the micro-channel with a flow-disturbing rib, different flow recirculation regions were identified depending on the geometrical characteristics of the conduit and fluid flow rate. The numerical results were found to be in good agreement with the experimental velocity profiles (μ-PIV measurements) and wall shear rate distributions (electrodiffusion diagnostics). Two new correlations were proposed for the prediction of the bottom reattachment length from the channel design parameters, based on the results of CFD simulations. The maximum error of the proposed correlation was calculated to be less than 15%. The results from the study of the fluid flow in the micro-channel were critically linked with the results from the thermal performance study in the micro-heat exchanger. It has been revealed that the geometrical characteristics that optimize temperature uniformity on the heat transfer surface are the same with the ones that maximize the reattachment length. The study of nanofluids as working liquids in the micro-heat exchanger device proved that the use of a 1% v/v SiO2 nanofluid increases the heat transfer coefficient up to 35%. By using the proposed nanoparticle suspension, it is possible to achieve the same operating temperature on the heat transfer surface using considerably lower (up to 20%) flow rate of the nanofluid compared to water used as the cooling liquid. This results to lower pumping power demand and to smaller equipment size. Finally, appropriate design equations are proposed for estimating the heat transfer coefficient and the corresponding pressure drop in such type of heat exchangers.

Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον για συσκευές μικρού όγκου (μ-συσκευές) στις οποίες πολλές κλασσικές διεργασίες της μακρο-κλίμακας, όπως η μεταφορά θερμότητας, έχουν μεταφερθεί στη μικρο-κλίμακα. Υπάρχει λοιπόν μία ξεκάθαρη ανάγκη για τη διατύπωση νέων εξισώσεων και συσχετισμών που θα βοηθήσουν τον μηχανικό στον γρήγορο και αποτελεσματικό σχεδιασμό των μ-συσκευών. Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη εναλλακτών μικρών διαστάσεων και η διατύπωση κατάλληλων σχεδιαστικών σχέσεων με στόχο το βέλτιστο σχεδιασμό τους. Στη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν πειραματικές διατάξεις για την αξιολόγηση της μεταφοράς θερμότητας σε μ-εναλλάκτες αλλά και τον χαρακτηρισμό του πεδίου ροής σε ένα τυπικό μ-κανάλι που σχηματίζεται στο εσωτερικό των μ-εναλλακτών. Χρησιμοποιήθηκαν προηγμένες, μη-παρεμβατικές μετρητικές τεχνικές, όπως η μέθοδος μ-PIV για τη μέτρηση της ταχύτητας του ρευστού καθώς και ηλεκτροχημική μέθοδος προσδιορισμού της τοιχωματικής διατμητικής τάσης. Στη μελέτη αξιοποιήθηκε κώδικας Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) για την προσομοίωση της μεταφοράς θερμότητας στον μ-εναλλάκτη και για τη μελέτη του πεδίου ροής γύρω από ένα εμπόδιο σε ένα μ-κανάλι. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση διαμορφώσεων στους μ-εναλλάκτες τροποποιεί σημαντικά το πεδίο ροής του ρευστού στο εσωτερικό τους και μεταβάλλει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του μ-εναλλάκτη. Η θερμοκρασιακή κατανομή πάνω στην επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας αναδείχτηκε ως μία σημαντική παράμετρος που επηρεάζει τη λειτουργία εφαρμογών όπως τα κελιά καυσίμου PEMFC. Στην παρούσα διατριβή έγινε σύνδεση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των διαμορφώσεων με μία ποσοτικοποιημένη έκφραση της ομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας στην επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας. Με εφαρμογή της μεθοδολογίας RSM διατυπώθηκε μία σχεδιαστική εξίσωση η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για την πρόταση ενός συνδυασμού γεωμετρικών χαρακτηριστικών ο οποίος βελτιστοποιεί τη λειτουργία του μ-εναλλάκτη. Αποδείχτηκε ότι για το προτεινόμενο συνδυασμό χαρακτηριστικών υπήρξε βελτίωση της θερμοκρασιακής κατανομής κατά 60%. Για την περίπτωση της ροής σε μ-κανάλι με εμπόδιο παρατηρήθηκαν τρεις διαφορετικές περιοχές ανακυκλοφορίας, εκ των οποίων η ανακυκλοφορία πυθμένα κατάντη του εμποδίου εμφανίζεται για όλους του συνδυασμούς των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του μ-καναλιού. Τα αποτελέσματα από τον κώδικα CFD που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της ροής βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα από τις δυο μη-παρεμβατικές μεθόδους μέτρησης. Με βάση τον αξιολογημένο κώδικα CFD και μεθόδους στατιστικής ανάλυσης, διατυπώθηκαν σχεδιαστικές εξισώσεις οι οποίες συνδέουν τις μεταβλητές που εκφράζουν γεωμετρικά χαρακτηριστικά του εμποδίου με την έκταση της σημαντικότερης περιοχής ανακυκλοφορίας. Τα δεδομένα που προέκυψαν από τη μελέτη στο μ-κανάλι ροής συσχετίστηκαν επιτυχώς με τα πειραματικά αποτελέσματα της μεταφοράς θερμότητας στον μ-εναλλάκτη θερμότητας και αποδείχτηκε η ποιοτική σύνδεση του πεδίου ροής με τη θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας. Στην προσπάθεια για περαιτέρω βελτίωση του ρυθμού μεταφοράς θερμότητας στον ίδιο μ-εναλλάκτη χρησιμοποιήθηκαν αιωρήματα νανοσωματιδίων SiO2 (νανορευστά) ως εναλλακτικά ψυκτικά μέσα. Αποδείχτηκε ότι αποδοτικότερη επιλογή είναι η χρησιμοποίηση νανορευστού 1% SiO2 v/v, η οποία αυξάνει το συντελεστή μεταφοράς θερμότητας έως και 35%. Με χρήση του προτεινόμενου αιωρήματος, για δεδομένη θερμοκρασία λειτουργίας, η απαιτούμενη παροχή του νανορευστού μπορεί να είναι μικρότερη από αυτή του νερού με τελικό αποτέλεσμα μικρότερη απαίτηση σε αντλητική ισχύ. Τελικά, προτείνονται σχεδιαστικές σχέσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό του ρυθμού μεταφοράς θερμότητας και της πτώσης πίεσης σε μ-εναλλάκτες θερμότητας.