Сравнение различных методов количественного определения неравномерности потока в мини-теплообменниках

Sep 16, 2023

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11482 (2023) Цитировать эту статью

293 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Целью исследования является сравнение различных методов количественной оценки неравномерности распределения потока с использованием скорости, массового расхода, давления и температуры. Проведено экспериментально обоснованное численное исследование и испытан теплообменник с 34 полукруглыми каналами диаметром 3,1 мм. Миниканалы нагревались снизу тепловым потоком 50, 60, 70 и 80 кВт/м2. Были протестированы случаи для различных скоростей на входе 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4 м/с. В результате всего получается 16 случаев с различным тепловым потоком и различными скоростями на входе воды. Затем для каждых 16 случаев на основе профилей скорости, давления и температуры рассчитывались широко используемые в литературе коэффициенты неравномерности распределения потока. Исследование показывает, что каждый метод дает другие результаты по одному и тому же параметру, которые должны одинаково определять распределение потока в теплообменнике. Следовательно, встречающиеся в литературе неоднозначности выводов о распределении жидкости в теплообменниках могут быть вызваны различной трактовкой коэффициента неравномерности распределения потока. Предложен нормированный коэффициент неравномерности распределения потока, который дает одинаковые результаты для всех используемых теплогидравлических параметров.

Такерман и Пиз1 доказали, что уменьшение гидравлического диаметра канала приводит к более интенсивной теплопередаче. С тех пор многие исследователи занимаются мини- или микроканалами2,3. Однако, как хорошо известно, чем меньше гидравлический диаметр канала, тем выше скорость (при постоянном массовом расходе) и, следовательно, тем выше перепад давления. Для поддержания перепадов давления потока в теплообменнике на разумном уровне можно разделить общий массовый расход на множество ветвей. Это приводит к снижению скорости на каждом пути (при сохранении постоянного массового расхода) и, следовательно, к уменьшению перепада давления. Однако многие миниканалы, соединенные с общими впускными и выпускными коллекторами, создают еще одну гидравлическую проблему, а именно неравномерное распределение4. Это явление чаще всего называется неравномерным распределением потока и создает проблемы не только в теплообменниках5, но и в других технологических областях, например, в башнях сероочистки газа6 или топливных элементах7.

Однако неравномерный поток может быть желателен, и существуют приложения (например, в химической технологии при проектировании реакции в реакторе8 или в охлаждающей электронике, где может возникнуть гетерогенный тепловой поток на поверхности9), где неравномерное распределение используется намеренно для улучшения общего производительность устройства. Ли и др.10 показали, что поток в параллельных миниканальных радиаторах можно настроить (различные массовые расходы в каждом канале) для устранения температурных точек при возникновении неоднородного многопикового теплового потока. Следовательно, неравномерное распределение потока («плохое/неправильное/неправильное» распределение) не обязательно означает неравномерное распределение и в то же время неравномерно распределенный поток не всегда является неравномерным распределением. Тем не менее, в этой статье предполагается, что благоприятное распределение жидкости эквивалентно равномерному распределению скорости и температуры, поэтому термины «неравномерное распределение потока» и «неравномерный поток» используются здесь как синонимы.

В последние годы было опубликовано несколько обзоров, касающихся неравномерности распределения потока в мини-, микро-, компактных и макроканальных теплообменниках11,12,13,14. Дарио и др.11 сосредоточили внимание на распределении двухфазного потока в параллельных каналах, где обсуждались факторы, влияющие на неравномерное распределение двухфазного потока, а также некоторые конструкции коллекторов, которые улучшают однородность потока. Сиддики и Зубаир12 обсудили неравномерное распределение потока с точки зрения геометрии теплообменника (в основном коллекторов). Авторы продемонстрировали некоторые аналитические модели, которые попытались математически описать неравномерность распределения потока. Гани и др.13 сосредоточились в основном на конструкции коллектора с учетом неравномерного распределения потока. Авторы подробно обсудили, какие коллекторы можно различать и как те или иные коллекторы влияют на распределение жидкости. Сингх и др.14 описали неравномерное распределение потока в нескольких теплообменниках (пластинчатых, пластинчато-ребристых и трубчато-ребристых) и показали влияние фазового изменения и изменений свойств на распределение потока. Авторы рассматривают свою работу в контексте солнечных коллекторов и более устойчивого использования энергии.