Confronto tra vari metodi di quantificazione della maldistribuzione del flusso nei mini scambiatori di calore

Sep 16, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11482 (2023) Citare questo articolo

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Lo scopo dello studio è confrontare vari metodi di quantificazione della maldistribuzione del flusso, utilizzando velocità, portata massica, pressione e temperatura. È stato preparato uno studio numerico validato sperimentalmente ed è stato testato uno scambiatore di calore a 34 canali semicircolari del diametro di 3,1 mm. I minicanali sono stati riscaldati dal basso con un flusso di calore di 50, 60, 70 e 80 kW/m2. Sono stati testati i casi per varie velocità di ingresso di 0,1, 0,2, 0,3 e 0,4 m/s. Il risultato è un totale di 16 casi con diversi flussi di calore e diverse velocità di ingresso dell'acqua. Quindi, per ogni 16 casi, sono stati calcolati i coefficienti di maldistribuzione del flusso, ampiamente utilizzati in letteratura, sulla base dei profili di velocità, pressione e temperatura. Lo studio mostra che ogni metodo fornisce altri risultati dello stesso parametro che dovrebbero definire allo stesso modo la distribuzione del flusso nello scambiatore di calore. Pertanto, le ambiguità riscontrabili in letteratura sulle conclusioni relative alla distribuzione dei fluidi negli scambiatori di calore potrebbero essere causate da una diversa interpretazione del coefficiente di maldistribuzione del flusso. È stato proposto un coefficiente di maldistribuzione del flusso normalizzato che fornisce gli stessi risultati per tutti i parametri termoidraulici utilizzati.

Tuckerman e Pease1 hanno dimostrato che riducendo il diametro idraulico del canale si ottiene un trasferimento di calore più intenso. Da allora, molti ricercatori si occupano di mini o microcanali2,3. Tuttavia, come è noto, quanto più piccolo è il diametro idraulico del canale, tanto maggiore è la velocità (a portata massica costante) e quindi maggiore la caduta di pressione. Per mantenere le perdite di carico del flusso nello scambiatore di calore a un livello ragionevole, è possibile dividere la portata massica totale in più rami. Il risultato è una riduzione della velocità in ogni percorso (mantenendo costante la portata massica totale) e quindi una riduzione della caduta di pressione. Tuttavia, molti minicanali collegati a collettori di ingresso e uscita comuni forniscono un altro problema idraulico, vale a dire la distribuzione non uniforme4. Questo fenomeno è chiamato molto spesso cattiva distribuzione del flusso e crea problemi non solo negli scambiatori di calore5 ma anche in altri settori tecnologici, ad esempio nelle torri di desolforazione del gas6 o nelle celle a combustibile7.

Tuttavia, un flusso irregolare può essere auspicabile e ci sono applicazioni (ad esempio nell'ingegneria chimica quando si progetta una reazione in un reattore8 o nell'elettronica di raffreddamento dove si può incontrare un flusso di calore eterogeneo sulla superficie9) in cui una distribuzione non uniforme viene utilizzata intenzionalmente per migliorare il flusso complessivo prestazioni del dispositivo. Li et al.10 hanno dimostrato che il flusso nei dissipatori di calore a minicanali paralleli può essere adattato (portate di massa diverse in ogni canale) per eliminare i punti caldi della temperatura quando si verifica un flusso di calore a picchi multipli non uniforme. Pertanto, la maldistribuzione del flusso (distribuzione “cattiva/errata/sbagliata”) non significa necessariamente una distribuzione non uniforme e, allo stesso tempo, il flusso distribuito non uniformemente non è sempre una maldistribuzione. Tuttavia, in questo documento, il presupposto è che una distribuzione favorevole del fluido equivale a una distribuzione uniforme di velocità e temperatura, pertanto i termini "maldistribuzione del flusso" e "flusso non uniforme" sono qui usati in modo intercambiabile.

Negli ultimi anni sono stati pubblicati alcuni studi riguardanti la maldistribuzione del flusso negli scambiatori di calore mini, micro, compatti e macrocanali11,12,13,14. Dario et al.11 si sono concentrati sulla distribuzione del flusso bifase in canali paralleli dove sono stati discussi i fattori che influenzano la maldistribuzione del flusso bifase e alcuni progetti di collettori che migliorano l'uniformità del flusso. Siddiqui e Zubair12 hanno discusso la cattiva distribuzione del flusso dal punto di vista della geometria dello scambiatore di calore (principalmente dei collettori). Gli autori hanno mostrato alcuni modelli analitici che tentavano di descrivere matematicamente la maldistribuzione del flusso. Ghani et al.13 si sono concentrati principalmente sulla progettazione del collettore nell'ambito della maldistribuzione del flusso. Gli autori hanno discusso approfonditamente quali varietà possono essere distinte e come particolari varietà influenzano la distribuzione dei fluidi. Singh et al.14 hanno descritto la cattiva distribuzione del flusso in diversi scambiatori di calore (a piastre, a piastre e a tubi) e mostrano l'effetto del cambiamento di fase e delle variazioni delle proprietà sulla distribuzione del flusso. Gli autori inseriscono il loro lavoro nel contesto dei collettori solari e di un utilizzo più sostenibile dell'energia.