Αύξηση απόδοσης σε εναλλάκτες θερμότητας με βρασμό υπό ροή: μελέτη βρασμού σε καινοτόμες, πορώδεις και τροποποιημένες επιφανειακές επιστρώσεις

Abstract

The current dissertation is dedicated to the evaluation of heat transfer during subcooled flow boiling in a rectangular cross-section flow channel with dimensions (L) 120 mm long, (W) 40mm wide and (H) 10 mm high. The flow channel consists of a heated copper block, designed so that it is possible to add and attach thin coatings to one of its surfaces, and an aluminum frame, with transparent openings on all three sides, for overview and capturing the two-phase flow. For the needs of the dissertation, the thermal efficiency of copper mesh coatings in different volumetric flow and thermal power supply conditions was assessed. Accordingly, experimental measurements were performed for both mesh coated surfaces and a flat reference surface. Wire mesh is an integral part of a variety of technical applications. Typical examples are flow filtration, electromagnetic shielding of circuits while in heat transfer, they are often used as internal surfaces in heat pipes. In heat pipes, wire mesh surfaces contribute to the enhancement of the capillary action and the increase of the overall heat transfer coefficient. Based on literature review, the choice of wire mesh as boiling enhancing surfaces was considered appropriate as it is the first time that flow boiling in such coatings in a conventional large hydraulic diameter flow channel (dh = 0.016 m) is considered. Various fixing methods were evaluated through laboratory tests (sintering, addition of an intermediate heat-conducting layer) but were found to be insufficient due to non-uniform bonding and clogging of the pores / mesh gaps. Ultimately, the coatings were assembled into the copper block with perimeter mounting, without an intermediate layer between the coating and the heated surface, to facilitate nucleation and initiation of boiling. Different copper meshes were used with a mesh number range M80 - M150 (M: mesh number) which corresponds to a wire diameter of 70-140 μm, a gap opening of 100-175 μm and a single layer thickness of 140-280 μm. Along with thermal behavior, hydrodynamic behavior of the system was evaluated, as the experiments showed that heat transfer is related to thermally beneficial hydrodynamic instabilities which maintain a periodic or semi-periodic character. Instabilities are characterized by strong fluctuations in pressure and milder fluctuations in surface temperature, which are interdependent on the flow patterns of two-phase flow. Therefore, a combined analysis of the hydrodynamic characteristics was performed together with optical data as well as temperature data. Surface temperature fluctuations are common in micro- and mini channel geometries and are interrelated with pressure fluctuations due to the inherent boiling instability, which is due to the rapid development of bubbles, which impede flow circulation. Particularly in small diameter hydraulic ducts, bubbles occupy a significant fraction of the available duct volume and cause local and transient increases in temperature while they can lead to degraded heat transfer. Temperature analysis of experiments showed that the presence of coatings can cause an increase or decrease of surface temperatures compared to the flat reference surface, as well as temperature fluctuations depending on the type of coating and the operating conditions. Analysis of optical data showed that this is due to periodic phase change phenomena due to the coatings, which appear as distinct flow patterns. The most important flow patterns observed are a) a vapor film covering part or all the coating and b) distinct boiling events consisting of the simultaneous development of several large bubbles above the coating limits, within the subcooled flow and across a significant portion of the surface, for a short time. Temperature fluctuations due to the vapor film vary in range <5% of the average value, for time periods 59 s <t <80 s, while due to boiling events they vary in range <2.5% of the average value, for time periods 1 s < t <5 s, under conditions of constant heat supply and volumetric supply. Pressure fluctuations reflect temporal blockage or even reverse flow due to intense boiling events and may lead to cooling degradation and/or catastrophic material failure. In conventional, large- diameter hydraulic diameters, pressure fluctuations have been observed under supercritical boiling conditions beyond the critical heat flux (CHF: maximum heat flux limit during nucleate boiling) at a specific type of boiling known as microbubble emission boiling (MEB). In the experiments, a similar phenomenon of flow and pressure fluctuations was observed, which originate from the distinct boiling events that take place at regular/semi-regular time intervals. To analyze pressure fluctuations and to understand the periodic/semi-periodic patterns, the primary time series data of pressure signals were used, from which probability density distributions and Fourier transforms were calculated. The probability density distributions showed that the oscillating behavior due to hydrodynamic instability is reflected in the accumulation of pressure values in low- and high-pressure regimes. In the high-pressure regime flow velocity decreases and a high vapor fraction exists due to the development and coalescence of vapor bubbles, while in the low-pressure regime, condensation occurs, and the flow is accelerated. Through Fourier transforms, frequency range of pressure data was analyzed, and dominant pressure fluctuations were identified, as those with the maximum frequency intensity. By capturing characteristic time intervals in between the boiling events and their duration, it was found that in many cases the occurrence of the events coincides with the occurrence of the local minima/maxima of the dominant pressure fluctuation. Accordingly, inverse Fourier transform was employed to find the local maxima and minima, and afterwards the sequence of boiling events was mapped using a least squares algorithm.From the boiling curves the range of operating conditions, for which there is a clear increase or decrease in heat transfer relative to the flat reference surface, was identified. It turns out that, with the addition of mesh coatings, higher heat transfer coefficients are obtained for small volumetric flow values and high thermal power values. Heat transfer at low heat flux values and below the boiling point takes place through forced convection on both the flat and the coated surface. As the temperature above the boiling point increases, on the flat surface, the heat transfer continues to be carried out by forced convection until the starting point of nucleate boiling, where the heat transfer gradually intensifies under the influence of the vapor bubbles. On the contrary, on coated surfaces and immediately after the boiling point, the vapor film appears and adheres to the surface, causing heat transfer degradation. Due to macroscopic hydrophobic behavior of the coatings, small bubbles are created very quickly in gaps and pores of the coating, which, however, due to the low temperature, are not easily removed from the coating and are trapped inside. For further increase of the temperature, hydrodynamic instability is initiated, which in some cases is intense and is characterized by transient thermal and hydrodynamic phenomena.Experimental data showed that hydrodynamic instability is characterized by the basic flow patterns of vapor film and distinct boiling events. Transient state is attributed with temporality of the flow patterns for significant time intervals which induce large temperature fluctuations and strong hydrodynamic instability. Gradually, with increasing temperature, the hydrodynamic instability becomes milder with temperature fluctuations being limited to a minimum and a constant field of lower temperature values prevailing than the flat surface and increasing the heat transfer coefficient. It was found that the appearance of the transition zone of strong hydrodynamic instability occurred in the case of adding a coating of a single mesh layer, while the multiple mesh layers showed a smoother transition to mild hydrodynamic instability. In conclusion, the addition of copper mesh coatings has been recognized as an effective method of increasing heat transfer during flow boiling by inducing controlled hydrodynamic instability. The contribution of the present dissertation lies in the comparative assessment of flow boiling heat transfer characteristics in indicative cases of mesh coatings incorporating the complex interplay of thermal and hydraulic characteristics, with possible application in industrial heat exchangers.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη και αξιολόγηση της μετάδοσης θερμότητας κατά τον υπόψυκτο βρασμό σε ροή σε κανάλι ορθογωνικής διατομής μήκους (L) 120 mm, πλάτους (W) 40 mm και ύψους (H) 10 mm. Το κανάλι ροής αποτελείται από ένα θερμαινόμενο χάλκινο στέλεχος, σχεδιασμένο έτσι ώστε να είναι εφικτή η προσθήκη και στερέωση λεπτών επιστρώσεων σε μία εκ των επιφανειών του, και από ένα πλαίσιο αλουμινίου, το οποίο έχει διαφανή ανοίγματα στις τρεις πλευρές, ώστε να γίνεται επισκόπηση και καταγραφή της διφασικής ροής. Ειδικότερα, για τις ανάγκες της διατριβής, μελετήθηκε η θερμική απόδοση επιστρώσεων πλεγμάτων χαλκού σε διαφορετικές συνθήκες ογκομετρικής παροχής και παροχής θερμικής ισχύος και πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις τόσο για επιφάνειες με επιστρώσεις πλεγμάτων όσο και για επίπεδη επιφάνεια αναφοράς. Τα μεταλλικά πλέγματα αποτελούν αναπόσπαστο μέρος πληθώρας τεχνικών εφαρμογών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτών είναι η φίλτρανση ροών, η ηλεκτρομαγνητική θωράκιση κυκλωμάτων ενώ στη μετάδοση θερμότητας συχνά χρησιμοποιούνται ως πρόσθετες εσωτερικές επιφάνειες σε σωλήνες θερμότητας. Εν προκειμένω, συνεισφέρουν στην ενίσχυση της τριχοειδούς αναρρίχησης του υγρού και την αύξηση του ολικού συντελεστή μεταφορά θερμότητας. Βιβλιογραφικά, η επιλογή του υλικού κρίθηκε κατάλληλη καθώς είναι η πρώτη φορά που εξετάζεται ο βρασμός με ροή σε τέτοιου είδους επιστρώσεις σε συμβατικό κανάλι ροής μεγάλης υδραυλικής διαμέτρου (Dh = 0.016 m). Αξιολογήθηκαν, μέσω εργαστηριακών δοκιμών, διάφορες μέθοδοι στερέωσης (συγκόλληση με πυροσσυσωμάτωση, προσθήκη ενδιάμεσου θερμοαγώγιμου στρώματος) ωστόσο κρίθηκαν ανεπαρκείς λόγω μη-ομοιόμορφης συγκόλλησης και έμφραξης των πόρων/διακένων πλέγματος. Τελικώς, οι επιστρώσεις συναρμολογήθηκαν σε κατάλληλα διαμορφωμένο θερμαινόμενο στέλεχος με περιμετρική στερέωση, χωρίς ενδιάμεσο στρώμα μεταξύ της επίστρωσης και της θερμαινόμενης επιφάνειας, έτσι ώστε να διευκολυνθεί η πυρηνογένεση και η έναρξη του βρασμού. Xρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά χάλκινα πλέγματα με εύρος αριθμού πλέγματος Μ80 – Μ150 (M: mesh number) ο οποίος αντιστοιχεί σε διάμετρο σύρματος 70 – 140 μm, άνοιγμα διακένου 100 – 175 μm και πάχος μονού στρώματος 140 – 280 μm. Παράλληλα με την θερμική συμπεριφορά, αξιολογήθηκε η υδροδυναμική συμπεριφορά του συστήματος, δεδομένου ότι τα πειράματα έδειξαν ότι η μετάδοση θερμότητας συναρτάται με θερμικά επωφελείς υδροδυναμικές αστάθειες οι οποίες διατηρούν περιοδικό ή ημι-περιοδικό χαρακτήρα. Οι αστάθειες χαρακτηρίζονται από έντονες διακυμάνσεις της πίεσης και ηπιότερες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας της επιφάνειας, οι οποίες αλληλοεξαρτώνται από τα ροϊκά καθεστώτα της διφασικής ροής. Ως εκ τούτου, πραγματοποιήθηκε συνδυαστική ανάλυση των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών μαζί με οπτικά δεδομένα αλλά και δεδομένα των θερμοκρασιών. Οι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις είναι σύνηθες φαινόμενο σε γεωμετρίες μίκρο- και μίνι-καναλιών, και είναι αλληλένδετες με διακυμάνσεις της πίεσης εξαιτίας της εγγενούς αστάθειας του βρασμού, η οποία οφείλεται στην ταχύτατη ανάπτυξη φυσαλίδων, οι οποίες παρεμποδίζουν την κυκλοφορία της ροής. Ιδίως σε κανάλια μικρής υδραυλικής διαμέτρους οι φυσαλίδες καταλαμβάνουν σημαντικό κλάσμα του διαθέσιμου όγκου του καναλιού και προκαλούν τοπική και παροδική αύξηση της θερμοκρασίας ενώ μπορούν να οδηγήσουν σε υποβάθμιση της μετάδοσης θερμότητας. Η θερμοκρασιακή ανάλυση των πειραμάτων της παρούσας διατριβής έδειξε ότι παρουσία των επιστρώσεων μπορεί να προκληθεί αύξηση ή μείωση των θερμοκρασιών συγκριτικά με την επίπεδη επιφάνεια αναφοράς, καθώς και διακυμάνσεις της θερμοκρασίας αναλόγως του τύπου της επίστρωσης και των λειτουργικών συνθηκών. Η ανάλυση των οπτικών δεδομένων κατέδειξε ότι αυτό οφείλεται σε λιγότερο ή περισσότερο περιοδικά φαινόμενα αλλαγής φάσης λόγω των επιστρώσεων, τα οποία εμφανίζονται ως ιδιάζοντα ροϊκά καθεστώτα. Τα σημαντικότερα ροϊκά καθεστώτα που παρατηρήθηκαν είναι: α) υμένιο ατμού το οποίο καλύπτει μέρος ή το σύνολο της επίστρωσης και β) διακριτά συμβάντα βρασμού τα οποία συνίστανται στην ταυτόχρονη ανάπτυξη μεγάλων φυσαλίδων άνω των ορίων της επίστρωσης, εντός της υπόψυκτης ροής και σε μεγάλο μέρος της επιφάνειας, για μικρή χρονική διάρκεια. Οι διακυμάνσεις των θερμοκρασιών λόγω του υμενίου ατμού κυμαίνονται εντός εύρους <5% της μέσης τιμής, για χρονικές περιόδους 59 s < t < 80 s, ενώ λόγω των συμβάντων βρασμού κυμαίνονται εντός εύρους <2.5% της μέσης τιμής, για χρονικές περιόδους 1 s < t < 5 s, υπό συνθήκες σταθερής παροχής θερμικής ισχύος και ογκομετρικής παροχής. Οι διακυμάνσεις πίεσης αντανακλούν έμφραξη ή και αναστροφή της ροής λόγω του έντονου βρασμού και ενδέχεται να οδηγήσουν σε υποβάθμιση της ψύξης ή/και καταστροφική αστοχία υλικού. Σε συμβατικά, μεγάλης υδραυλικής διαμέτρου, κανάλια ροής έχουν παρατηρηθεί διακυμάνσεις πίεσης σε συνθήκες υπερκρίσιμου βρασμού, πέραν του σημείου της κρίσιμης θερμορροής (CHF – οριακή μέγιστη τιμή της θερμοροής κατά τον βρασμό πυρηνογένεσης) σε ένα ειδικό τύπο βρασμού που χαρακτηρίζεται ως βρασμός εκπομπής μικροφυσαλίδων (MEB - Microbubble Emission Boiling). Στα πειράματα της διατριβής παρατηρήθηκε ανάλογη φαινομενολογία ροής και διακυμάνσεων πίεσης, οι οποίες πηγάζουν από τα διακριτά συμβάντα βρασμού τα οποία λαμβάνουν χώρα σε τακτά/ημί-τακτά χρονικά διαστήματα. Για την ανάλυση των διακυμάνσεων πίεσης και την κατανόηση των περιοδικών/ημι-περιοδικών κυματομορφών που εμφανίζονται, χρησιμοποιήθηκαν οι πρωτογενείς χρονοσειρές των σημάτων πίεσης από τις οποίες υπολογίστηκαν κατανομές πυκνότητας πιθανότητας και μετασχηματισμοί Fourier. Από τις κατανομές πυκνότητας πιθανότητας προέκυψε ότι η ταλαντωτική συμπεριφορά λόγω της υδροδυναμικής αστάθειας αποτυπώνεται σε συγκέντρωση των πιέσεων σε περιοχές χαμηλής και υψηλής πίεσης. Στις περιοχές υψηλής πίεσης μειώνεται η ταχύτητα της ροής και υπάρχει υψηλό κλάσμα ατμού λόγω ανάπτυξης και συνένωσης φυσαλίδων, ενώ στις περιοχές χαμηλής πίεσης, γίνεται συμπύκνωση και επιταχύνεται η ροή. Μέσω των μετασχηματισμών Fourier, έγινε ανάλυση του πεδίου των συχνοτήτων της πίεσης και αναγνωρίστηκαν οι κύριες διακυμάνσεις της πίεσης, ως εκείνες με τη μέγιστη ένταση συχνότητας. Αποτυπώνοντας τους χαρακτηριστικούς χρόνους των συμβάντων βρασμού από τα οπτικά ευρήματα, βρέθηκε ότι σε πολλές περιπτώσεις η εμφάνιση των συμβάντων συμπίπτει με την εμφάνιση των μεγίστων/ελαχίστων που χαρακτηρίζουν την κύρια διακύμανση της πίεσης. Για την εύρεση των τοπικών μεγίστων και ελαχίστων χρησιμοποιήθηκε ο αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier, και ακολούθως έγινε αντιστοίχιση με την αλληλουχία των συμβάντων βρασμού μέσω αλγορίθμου ελαχίστων τετραγώνων. Από τις καμπύλες βρασμού αναγνωρίστηκαν συγκεκριμένα εύρη λειτουργικών συνθηκών, για τα οποία υπάρχει σαφής αύξηση ή μείωση της μετάδοσης θερμότητας σε σχέση με την επίπεδη επιφάνεια αναφοράς. Προκύπτει ότι λαμβάνονται μεγαλύτεροι συντελεστές μετάδοσης θερμότητας για μικρές τιμές ογκομετρικής παροχής και μεγάλες τιμές θερμικής ισχύος με την προσθήκη επιστρώσεων πλεγμάτων. Η μετάδοση θερμότητας σε χαμηλές τιμές θερμορροής και κάτω του σημείου βρασμού λαμβάνει χώρα μέσω εξαναγκασμένης συναγωγής τόσο στην επίπεδη όσο και στην επιφάνεια με επιστρώσεις. Καθώς αυξάνεται η θερμορροή άνω του σημείου βρασμού, στην επίπεδη επιφάνεια, η μετάδοση θερμότητας εξακολουθεί να επιτελείται με εξαναγκασμένη συναγωγή μέχρι το σημείο έναρξης του βρασμού πυρηνογένεσης, όπου σταδιακά εντατικοποιείται η μετάδοση θερμότητας υπό την επήρεια των φυσαλίδων. Αντιθέτως, στις επιφάνειες με επιστρώσεις και αμέσως μετά το σημείο βρασμού εμφανίζεται το υμένιο ατμού το οποίο προσκολλάται στην επιφάνεια, δυσχεραίνοντας την μετάδοση θερμότητας. Λόγω της μακροσκοπικά υδρόφοβης συμπεριφοράς των επιστρώσεων δημιουργούνται πολύ γρήγορα μικρές φυσαλίδες στα διάκενα και στους πόρους της επίστρωσης, οι οποίες ωστόσο λόγω της χαμηλής θερμορροής, δεν απομακρύνονται από την επίστρωση και εγκλωβίζονται στο εσωτερικό της. Για περαιτέρω αύξηση της θερμορροής προκαλείται υδροδυναμική αστάθεια, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις είναι έντονη και χαρακτηρίζεται από μεταβατικά θερμικά και υδροδυναμικά φαινόμενα. Τα πειραματικά δεδομένα έδειξαν ότι η υδροδυναμική αστάθεια χαρακτηρίζεται από τα βασικά ροϊκά καθεστώτα του υμενίου ατμού και των διακριτών συμβάντων βρασμού. Αρχικά, στη μεταβατική κατάσταση λόγω της χρονικότητας των καθεστώτων υπάρχουν μεγάλες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις και η υδροδυναμική κατάσταση είναι ιδιαίτερα έντονη. Προοδευτικά, με την αύξηση της θερμορροής, η υδροδυναμική αστάθεια γίνεται πιο ήπια με τις θερμοκρασιακές διακυμάνσεις να περιορίζονται στο ελάχιστο και να επικρατεί ένα σταθερό πεδίο χαμηλότερων τιμών θερμοκρασίας από την επίπεδη επιφάνεια, για τις ίδιες συνθήκες, αυξάνοντας τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Βρέθηκε ότι η εμφάνιση της μεταβατικής περιοχής έντονης υδροδυναμικής αστάθειας συμβαίνει στην περίπτωση προσθήκη επίστρωσης ενός στρώματος πλέγματος, ενώ οι πολλαπλές επιστρώσεις εμφανίζουν πιο ομαλή μετάβαση σε καθεστώς ήπιας υδροδυναμικής αστάθειας. Εν κατακλείδι, αναγνωρίστηκε ότι η προσθήκη επιστρώσεων πλεγμάτων χαλκού είναι μία αποτελεσματική μέθοδος αύξησης της μετάδοσης θερμότητας κατά τον βρασμό με ροή, μέσω πρόκλησης ελεγχόμενης υδροδυναμικής αστάθειας. Η συνεισφορά της παρούσας διατριβής έγκειται στην συγκριτική μελέτη των χαρακτηριστικών σε ενδεικτικές περιπτώσεις επιστρώσεων με σκοπό την κατανόηση της πολύπλοκης δυναμικής της μετάδοσης θερμότητας, υπό το πρίσμα της συνδυαστικής ανάλυσης των θερμικών και υδροδυναμικών χαρακτηριστικών, και της ενδεχόμενης εφαρμογής σε βιομηχανικούς εναλλάκτες θερμότητας.