Μελέτη συμπαγών εναλλακτών θερμότητας: χαρακτηριστικά διφασικής ροής - μεταφορά θερμότητας με νανορευστά

Abstract

The scope of the present thesis is to enhance the performance of compact heat exchangers by studying both the flooding phenomenon, when they are used as reflux condensers, and the possibility of employing nanofluids as working fluids. More specifically experiments were conducted: · 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 · in two compact heat exchangers using a typical nanofluid as cooling liquid, in order to evaluate its efficacy. The results show that during counter-current flow the liquid layer characteristics are affected by the velocities of the two phases and that the 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 10 mm 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 is a matter, and especially in laminar flow, the use of a nanofluid instead of a conventional fluid seems advantageous, the only disadvantages so far 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 nanofluids seems inauspicious in industrial heat exchangers, where large volumes of nanofluids are involved and turbulent flow is usually developed.

Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο τη βελτίωση της αποδοτικότητας των συμπαγών εναλλακτών θερμότητας μελετώντας αφενός το φαινόμενο της πλημμύρισης, όταν χρησιμοποιούνται ως συμπυκνωτές αντιρροής, και αφετέρου τη δυνατότητα χρήσης νανορευστών ως βοηθητικών ρευστών. Συγκεκριμένα διεξήχθησαν πειράματα: · σε κεκλιμένους αγωγούς μικρής διαμέτρου, ώστε να μελετηθεί το φαινόμενο της πλημμύρισης και να αποσαφηνισθεί η επίδραση της διαμέτρου και της κλίσης του αγωγού καθώς και του ιξώδους και της επιφανειακής τάσης 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 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 και της αέριας φάσης. Παρατηρήθηκε ότι οι καμπύλες πλημμύρισης χαρακτηρίζονται γενικά από τρεις διαφορετικές περιοχές. Για τις δύο βασικές περιοχές διατυπώθηκαν νέοι συσχετισμοί για την πρόβλεψη της πλημμύρισης σε κεκλιμένους αγωγούς μικρής διατομής, καθώς και για τον προσδιορισμό της μετάβασης μεταξύ τους. Οι συσχετισμοί 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. Η επισταμένη μελέτη των νανορευστών έδειξε ότι τα χαρακτηριστικά τους εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες και δεν είναι εύκολο να προβλεφθούν. Η απόδοσή τους σε έναν εναλλάκτη εξαρτάται τόσο από το πεδίο ροής που διαμορφώνεται όσο και από το συνδυασμό όλων των θερμοφυσικών τους ιδιοτήτων. 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, η παροχή του νανορευστού για δεδομένο θερμικό καθήκον μπορεί να είναι χαμηλότερη από αυτή του νερού, μειώνοντας παράλληλα την απαίτηση σε αντλητική ισχύ. Βασικά μειονεκτήματα αποτελούν το αυξημένο κόστος προμήθειας των νανορευστών και ο περιορισμένος χρόνος ζωής τους, λόγω κατακάθισης των σωματιδίων. 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.