Μελέτη συμπαγών εναλλακτών θερμότητας: χαρακτηριστικά διφασικής ροής - μεταφορά θερμότητας με νανορευστά
Creators: name: Πάντζαλη, Μαρία Ν.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2009
Subjects: Διφασική αντιρροή
Πλημμύριση
Συμπαγείς εναλλάκτες θερμότητας
Μεταφορά θερμότητας
Νανορευστά
Μέτρηση θερμοφυσικών ιδιοτήτων
Two-phase flow
Flooding
Compact heat exchangers
Nanofluids
Thermophysical property Measurements

description: Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο τη βελτίωση της αποδοτικότητας των συμπαγών εναλλακτών θερμότητας μελετώντας αφενός το φαινόμενο της πλημμύρισης, όταν χρησιμοποιούνται ως συμπυκνωτές (reflux condensers) και αφετέρου τη δυνατότητα χρήσης νανορευστών ως βοηθητικών ρευστών. Στην περίπτωση των συμπυκνωτών δημιουργείται υγρή στιβάδα στα τοιχώματα του αγωγού, η οποία λόγω της βαρύτητας ρέει προς το κάτω μέρος του, δηλαδή κατ’ αντιρροή με την ανερχόμενη αέρια φάση. Ως πλημμύριση χαρακτηρίζεται το γεγονός κατά το οποίο η αέρια φάση καταφέρνει να συμπαρασύρει μερικώς ή ολικώς την υγρή προς την κατεύθυνση ροής της. Η παρασκευή στερεών σωματιδίων μεγέθους της τάξης των νανομέτρων (νανοσωματίδια) δημιούργησε τα τελευταία χρόνια ερευνητικό ενδιαφέρον για την αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας συμβατικών ρευστών με προσθήκη νανοσωματιδίων. Τα κολλοειδή αιωρήματα που προκύπτουν, γνωστά ως νανορευστά, παρουσιάζουν σημαντική ενίσχυση της θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με το φέρον ρευστό, με ταυτόχρονη όμως μείωση της ειδικής θερμότητας και αύξηση του ιξώδους και της πυκνότητάς τους. Συγκεκριμένα στην παρούσα διατριβή διεξήχθησαν πειράματα: • σε κεκλιμένους αγωγούς μικρής διαμέτρου, ώστε να μελετηθεί το φαινόμενο της πλημμύρισης και να αποσαφηνισθεί η επίδραση σημαντικών παραμέτρων στην έναρξη της πλημμύρισης, όπως η διάμετρος, η κλίση του αγωγού καθώς και το ιξώδες και η επιφανειακή τάση της υγρής φάσης, και • σε δύο τύπους συμπαγών εναλλακτών θερμότητας με ένα τυπικό νανορευστό ως ψυκτικό μέσο, με σκοπό να αξιολογηθεί η ενεργειακή τους απόδοση. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι τα χαρακτηριστικά της υγρής στιβάδας κατά τη διφασική αντιρροή επηρεάζονται από τις ταχύτητες των δύο φάσεων και η έναρξη της πλημμύρισης αποδίδεται στην αλληλεπίδραση των κυμάτων που διαμορφώνονται και της αέριας φάσης. Παρατηρήθηκε ότι οι καμπύλες πλημμύρισης χαρακτηρίζονται γενικά από τρεις διαφορετικές περιοχές, ανάλογα με την τάση που παρουσιάζει η ταχύτητα πλημμύρισης. Βάσει των πειραματικών δεδομένων διατυπώθηκαν νέοι συσχετισμοί για την πρόβλεψή της στις δύο βασικές περιοχές της καμπύλης πλημμύρισης σε κεκλιμένους αγωγούς μικρής διατομής, καθώς και για τον προσδιορισμό της μετάβασης μεταξύ τους. Οι συσχετισμοί αυτοί αναμένεται ότι θα είναι χρήσιμοι στον προσδιορισμό του εύρους των λειτουργικών συνθηκών για εξοπλισμό με κανάλια μικρών διαστάσεων, όπου υπάρχει αντιρροή υγρής και αέριας φάσης. Γενικά, σε τέτοιες συσκευές, για τις οποίες η πλημμύριση αποτελεί περιοριστικό παράγοντα λειτουργίας, συνιστάται: • η χρήση ρευστών χαμηλού ιξώδους και υψηλής επιφανειακής τάσης, • η προσθήκη κάποιας επιφανειοδραστικής ουσίας, • η σχεδίαση των αγωγών με όσο το δυνατόν μεγαλύτερες διαμέτρους και γωνίες κλίσης μεταξύ 45ο και 75ο και • η χρήση παροχών που εκμεταλλεύονται την αλλαγή στην κλίση της καμπύλης πλημμύρισης. Η επισταμένη μελέτη των νανορευστών (τρόπος παρασκευής, θερμοφυσικές ιδιότητες) έδειξε ότι η “ποιότητά” τους εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και δεν είναι εύκολο να προβλεφθεί. Αποδείχθηκε ότι η ρεολογική συμπεριφορά τους επηρεάζεται από το είδος των νανοσωματιδίων και τον τρόπο σταθεροποίησης του αιωρήματος. Η απόδοση ενός νανορευστού εξαρτάται τόσο από το πεδίο ροής που διαμορφώνεται σε κάθε συσκευή όσο και από το συνδυασμό όλων των θερμοφυσικών του ιδιοτήτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ένα συγκεκριμένο νανορευστό μπορεί να ενισχύει την ενεργειακή απόδοση ενός εναλλάκτη, αλλά να μην έχει σημαντική επίδραση σε κάποιον άλλο. Γενικά, η απόδοση των νανορευστών σε συσκευές μεταφοράς θερμότητας είναι μάλλον σημαντική όταν η ροή είναι στρωτή, ενώ είναι αμελητέα όταν η ροή είναι τυρβώδης. Η επιλογή του νανορευστού είναι κρίσιμη, δεδομένου ότι τα ρευστά με σημαντικά ενισχυμένη θερμική αγωγιμότητα και ταυτόχρονα όσο το δυνατόν μικρότερη αλλαγή στο ιξώδες και την ειδική θερμότητα αυξάνουν σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας. Επίσης είναι σημαντικό, εκτός από την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας, να εξετάζεται και η επίδραση στην πτώση πίεσης στις συσκευές αυτές, καθώς το αυξημένο ιξώδες των νανορευστών έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αντλητικής ισχύος. Εν κατακλείδι, η χρήση των νανορευστών μπορεί να βελτιώσει την ενεργειακή απόδοση εναλλακτών μικρών διαστάσεων, όπου ο συνολικός όγκος του εξοπλισμού είναι βασικό μέλημα του σχεδιαστή. Η ροή που διαμορφώνεται σε τέτοιου είδους συσκευές δεν είναι έντονα τυρβώδης και, όπως φάνηκε από τα πειράματα (σε εναλλάκτη πλάκας μικρών διαστάσεων), η παροχή του νανορευστού για δεδομένο θερμικό καθήκον μπορεί να είναι χαμηλότερη από αυτή του νερού, μειώνοντας παράλληλα την πτώση πίεσης και κατά συνέπεια την απαίτηση σε αντλητική ισχύ. Βασικά μειονεκτήματα αποτελούν το αυξημένο κόστος προμήθειας των νανορευστών και ο περιορισμένος χρόνος ζωής τους, λόγω κατακάθισης των σωματιδίων μετά από ορισμένο χρόνο χρήσης. Τέλος, με βάση τα μέχρι τώρα δεδομένα δεν ενδείκνυται η χρήση νανορευστών σε βιομηχανικούς εναλλάκτες, όπου απαιτούνται μεγάλες ποσότητες βοηθητικών ρευστών και επικρατεί έντονα τυρβώδης ροή
description: The scope of the present thesis is to enhance the performance of a compact heat exchangers by studying both the flooding phenomenon, when they are used reflux condensers, and the possibility of employing nanofluids as working fluids. More specifically experiments were conducted : a)in inclined small diameter tubes with the intention to study the flooding phenomenon and to elucidate the effect of various parameters, i.e., the diameter, the inclination angle, the surface tension and viscosity of the liquid, on the flooding onset and b)in two compact heat exchangers using a typical nanofluid as cooling liquid, in order to evaluate ita efficacy. The results show that during counter-current flow the layer characteristics are affected by the velocities of the two phases and that onset of flooding can be attributed to the interaction of the waves formed on the interface with the gas phase. In general, three regions have been observed on the flooding curve. New correlations have been proposed for the prediction of the flooding velocities in inclined small diameter tubes in the two main regions of the flooding curve, as well as for the transition point between them. The correlations are expected to be useful for estimating the range of operating conditions in equipment where the flow passages are characterized by equivalent diameters less than 10mm and two-phase counter-current flow is present. The study of nanofluids has shown that their characteristics depend on many factors and cannot be easily predicted. Their performance in a heat exchanger depends both on the type of flow and on all their thermophysical properties. In micro-scale equipment with increased thermal duties, where also volume os amatter, and especially in laminar flow, the use of a nanofluid instead of a conventional fluid seems advantageous, the only disadvantages so fa being its high price and the potential instability of the suspension. When the heat exchanging equipment operates under conditions that promote turbulence, the use of nanofluids is beneficial if and only if the increase in their thermal conductivity is accompanied by a marginal increase in viscosity. Thus, the substitution of conventional fluids by nonofluids seems inauspicious in industrial heat excangers, where large volumes of nanofluids are involved and turbulent flow is usually developed