Αύξηση απόδοσης σε εναλλάκτες θερμότητας με βρασμό υπό ροή
Authors: Αργυρόπουλος Χρήστος 
Published: March 2022

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.