Wymiana ciepła podczas wrzenia w przepływie w miniprzestrzeniach o zróżnicowanej geometrii (Flow boiling heat transfer in minispaces with varied geometry)

Piasecka, Magdalena (2019)
Wymiana ciepła podczas wrzenia w przepływie w miniprzestrzeniach o zróżnicowanej geometrii (Flow boiling heat transfer in minispaces with varied geometry).
Monografie, Studia, Rozprawy (M119).
Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce.
ISBN 978-83-65719-61-4
stron: 225

Preview

Tekst Piasecka_Wymiana_M119.pdf Download (1MB) | Preview

Streszczenie

Wzrost wymagań energetycznych przy jednoczesnej tendencji do miniaturyzacji nowoczesnych urządzeń jest związany z postępem technologicznym. Stale poszukiwane są metody pozwalające na intensyfikację wymiany ciepła, przy czym wymiana ciepła przebiegająca ze zmianą fazy zwiększa efektywność procesu. W monografii przedstawiono wyniki badań otrzymanych w ciągu kilku ostatnich lat wraz z uwzględnieniem stosowanych w obliczeniach metod matematycznych. Omówiono konstrukcję stanowisk badawczych, których najważniejszym elementem jest moduł testowy o zróżnicowanej geometrii: z minikanałami o przekroju prostokątnym, z miniprzestrzenią o przekroju pierścieniowym oraz z zestawem minikanałów o przekroju prostokątnym. W module przewidziano jedną lub kilka miniprzestrzeni o zmiennej orientacji przestrzennej, wzdłuż których następował przepływ płynu roboczego (płyny chłodnicze, woda destylowana) podgrzewanego przez grzejnik. Eksperymenty przeprowadzano w warunkach ustalonych oraz zmiennych w czasie. Pomiar temperatury grzejnika odbywał się kilkoma metodami: termografią ciekłokrystaliczną, termowizją oraz za pomocą termopar, symultanicznie rejestrowano struktury przepływu dwufazowego. Celem eksperymentów było zgromadzenie danych, które przy zastosowaniu zaproponowanych modeli i metod matematycznych umożliwiły wyznaczenie lokalnych wartości współczynnika przejmowania ciepła na styku: powierzchnia grzejna–ciecz wrząca przepływająca wzdłuż miniprzestrzeni. Przeprowadzano analizę zgromadzonych wyników, których celem było określenie intensywności przebiegu wymiany ciepła oraz rozpoznanie wpływu istotnych czynników na inicjację i rozwój wrzenia. Do wybranych czynników należały: rozwinięcie powierzchni grzejnika, położenie przestrzenne miniprzestrzeni, strumień masy przepływu płynu i jego ciśnienie, czynnik wrzący oraz parametry geometryczne modułu testowego. Omówiono wybrane metody rozwiązań zagadnień jedno- i dwuwymiarowych stosowanych dotychczas w obliczeniach. Scharakteryzowano zaobserwowane struktury przepływu dwufazowego i występowanie niestabilności przepływu i ciśnienia. Zastosowano wybrane elementy analizy statystycznej do walidacji wyników, w tym do określenia dokładności pomiaru temperatury i wyznaczenia współczynnika przejmowania ciepła. Przeprowadzono analizę porównawczą wyników pomiarów temperatury powierzchni otrzymanych wybranymi metodami. Porównano wartości współczynnika przejmowania ciepła wyznaczonego za pomocą modeli 1D i 2D, a także wyniki uzyskane z obliczeń metodą Trefftza oraz programami ADINA i ANSYS CFX. Rezultaty z eksperymentów posłużyły do obliczeń zgodnie z równaniami kryterialnymi przyjętymi z literatury. W analizie ujęto własną zależność na wyznaczenie liczby Nusselta dla wrzenia przechłodzonego podczas przepływu w minikanałach. (Stricter energy performance requirements combined with the continuing trend towards miniaturization have made thermal management a key issue in engineering research. As a result, increasingly advanced methods are employed to intensify heat transfer. Phase change heat transfer is known to raise the efficacy of the process. This monograph reports the results of research conducted over the last few years and discusses the mathematical methods used in the calculations. The test stands, thoroughly described further in the work, include test modules with varied geometries such as minichannels with rectangular cross sections, minigaps with annular cross sections and a set of minichannels with rectangular cross sections. The modules have one or more minispaces with a variable spatial orientation. Working fluids (refrigerant, distilled water) flowing through them are heated by the heater. The experiments were carried out in stationary and time-dependent conditions. The temperature of the heater was measured by several methods: liquid crystal thermography, thermovision and thermocouples. Two-phase flow structures were simultaneously recorded. The aim of the experiments was to collect data which, using the proposed models and mathematical methods, enabled the determination of local heat transfer coefficients at the interface between the heated surface and the boiling liquid flowing through a minispace. The results were analysed with the aim to provide the intensity of the heat transfer process and define the impact of important factors on boiling initiation and development. These factors were: the enhanced surface of the heater, spatial position of the minispace, mass flux of the fluid and its pressure, working fluid and geometrical parameters of the test module. Selected methods of solving one- and two-dimensional problems were employed for the calculations. The observed two-phase flow structures and flow and pressure instabilities were characterized. Selected elements of statistical analysis were used to validate the results for the accuracy of temperature measurement and the heat transfer coefficient calculation. A comparative analysis of the results of surface temperature measurements obtained by selected methods was carried out. The values of the heat transfer coefficient determined using the 1D and 2D models were compared, and the results obtained from calculations using the Trefftz method and the ADINA and ANSYS CFX programs were collated. Results from the experiments were the basis for calculations according to correlations adopted from the literature. The analysis included an original relationship for determining the Nusselt number for subcooled boiling during fluid flow in minichannels.)

Biblioteka Cyfrowa

Podgląd