Βέλτιστος σχεδιασμός μικρο-εναλλακτών θερμότητας
Authors: Στογιάννης Ιωάννης 
Published: September 2021

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.