Efekty projektu | WIMiO - Politechnika Gdańska

Publikacje naukowe i prezentacje powiązane z Projektem    

1. Paweł Dąbrowski, Michał Klugmann, Dariusz Mikielewicz, Selected studies of flow maldistribution in a minichannel plate heat exchanger, Archives of Thermodynamics, vol. 38, nr 3, 2017
2. Michał Klugmann, Paweł Dąbrowski, Dariusz Mikielewicz, Flow maldistribution in microchannel heat exchangers, XXIII Zjazd Termodynamików 19-22 września 2017
3. Michał Klugmann, Paweł Dąbrowski, Dariusz Mikielewicz, Flow maldistribution in microchannel heat exchangers, The 53 rd European Two - Phase Flow Group Meeting, 22-24 maja 2017
4. Michał Klugmann, Paweł Dąbrowski, Dariusz Mikielewicz, Pressure drop related to flow maldistribution in a model minichannel plate heat exchanger, Archives of Thermodynamics, vol. 39 nr 2, 2018
5. Michał Klugmann, Paweł Dąbrowski, Dariusz Mikielewicz, Selected thermal and flow issues in a reversed thermosiphon with a steam liquid lifter, E3S Web of Conferences 70, 02009, vol. 70, 2018
6. Paweł Dąbrowski, Michał Klugmann, Dariusz Mikielewicz, Channel Blockage and Flow Maldistribution during Unsteady Flow in a Model Microchannel Plate heat Exchanger, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 12, No. 4, pp. 1023-1035, 2019

Projekt, budowa i testy stanowiska pomiarowego – układ termosyfonu odwróconego z jednym czynnikiem roboczym i z parowym podnośnikiem cieczy

Prototyp nr 1:

Prototyp nr 2:

Wersja finalna w oczekiwaniu na docelowy parownik i oprzyrządowanie pomiarowe:

Wstępne badania wizualizacyjne 

Badanie nierównomierności rozpływu czynnika w modelowym parowniku:

Badanie pracy obiegu termosyfonowego - wizualizacja pracy separatora:

Ukończony obieg termosyfonowy i systematyczne badania eksperymentalne

Termosyfon z pełnym oprzyrządowaniem pomiarowym:

Przedmiot badań

• naturalna cyrkulacja czynnika, wpływ zmiany różnych parametrów pracy układu na efektywność transportu ciepła i masy,
• czynniki robocze: woda i etanol,
• wymienniki miniszczelinowe, wymiary czynne miniszczelin: 100 x 200 mm, grubości miniszczelin: 1, 2, 3 mm,
• efektywność transportu ciepła i masy,
• zmienne:
  • gęstość strumienia ciepła na ściance miniszczeliny (w parowniku),
  • temperatura w skraplaczu,
  • ciśnienie systemowe,
  • wysokość napełnienia układu.

Wątki dodatkowe

• cyrkulacja wymuszona przez zewnętrzne doprowadzenie fazy gazowej (woda-powietrze, przypadek adiabatyczny),
• nierównomierność rozpływu czynnika w miniszczelinie (maldistribution),
• badania wizualizacyjne przepływu.

Schemat miniszczelinowej sekcji pomiarowej z opcją doprowadzania ciepła za pomocą obiegu cieczowego:

Konkluzje z tego etapu badań

1. Wykazano, że wysokość napełnienia obwodu termosyfonu (procentowe wypełnienie rury separatora czynnikiem roboczym) wpływa na wydajność pracy układu. Nie jest to jednak parametr krytyczny wymagający dokładnej regulacji - system działa efektywnie w zakresie procentowego napełnienia od 33 do 100%. W przypadku przedmiotowego termosyfonu oznaczało to różnicę w objętości płynu roboczego 0,25 dm³ lub 23% całkowitej objętości czynnika w instalacji.
2. Zmniejszanie grubości miniszczeliny prowadzi do intensyfikacji procesu wrzenia w parowniku, ale nie oznacza to równoległego, liniowego wzrostu wydajności systemu. Intensywność wymiany ciepła w funkcji stopnia suchości wykazuje lokalne maksima, zgodnie z krzywą „M-shape”, podczas gdy maksymalna efektywność transportu masy pokrywa się z pierwszym maksimum tej krzywej, wynoszącym około x = 0,1. Efektywny obszar pracy systemu obejmuje również zakres wrzenia przechłodzonego.
3. W przeciwieństwie do systemów, w których cyrkulacja czynnika jest wymuszana przez pompę lub sprężarkę, w przedstawionym układzie miniszczelina nie stanowi tradycyjnie rozumianego oporu przepływu, ponieważ sama wytwarza moc pompowania. Opór przepływu nie ogranicza więc możliwości zmniejszenia grubości i średnicy hydraulicznej miniszczeliny. Istnieją jednak inne zjawiska, których eskalacja wraz z redukcją grubości może być przeszkodą, na przykład nasilenie nierównomierności rozpływu (efekt maldistribution) - tworzenie martwych obszarów i obszarów przepływów wstecznych.
4. Układ parownik-skraplacz wykazuje cykliczny charakter pracy, podobnie jak zmiany temperatury czynnika roboczego na wyjściach separatora (ciecz i para). Poimo tego rozkłady temperatury w parowniku i skraplaczu pozostają stałe w czasie.
5. System wykazuje zdolność dynamicznej samoregulacji do ilości transportowanego ciepła. Zmiana strumienia ciepła dostarczanego do parownika prowadzi do proporcjonalnej zmiany liczby cykli pracy układu parownik-separator, podczas gdy parametry graniczne, tj. temperatury na wlocie i wylocie parownika i skraplacza pozostają stałe. Wydaje się, że jest to bardzo korzystne z punktu widzenia aplikacji, w których ilości przenoszonego ciepła wykazują duże wahania - na przykład w instalacjach solarnych.
6. Zwiększenie strumienia ciepła w parowniku zwiększa strumień masy czynnika roboczego przepływającego  w instalacji. Ten wzrost staje się bardziej intensywny, gdy zmniejsza się grubość miniszczeliny.
7. Ciśnienie w układzie wpływa na proces wrzenia w parowniku poprzez zmianę temperatury nasycenia czynnika roboczego, ale nie można łatwo regulować działania termosyfonu przez zmianę tego parametru. Podlega on w dużej mierze mechanizmowi samoregulacji - system dąży do równowagi cieplnej między parownikiem a skraplaczem zmieniając odpowiednio struktury wrzenia.
8. Występowanie dry-outu powoduje natychmiastowe zatrzymanie cyrkulacji i napełnianie parownika zimną cieczą pochodzącą ze skraplacza, dzięki czemu system ma zdolność wygaszania dry-outu. Jest to szczególnie korzystna cecha z punktu widzenia aplikacji, ponieważ znacznie zmniejsza ryzyko poważnej awarii na skutek przepalenia ścianki (burn-out).
9. Doprowadzenie fazy gazowej ze źródła zewnętrznego, np. przez wstrzyknięcie do kanału wlotowego parownika, powoduje obieg czynnika w instalacji. Możliwy jest zarówno przepływ adiabatyczny, jak i przepływ z wymianą ciepła, z wydajnością odpowiadającą wymuszonej konwekcji w jednofazowym przepływie turbulentnym. Struktury przepływu takiej mieszaniny nie są tożsame ze strukturami przepływu wrzącego. Konieczne jest otwarcie obwodu do otoczenia.
10. Wraz ze wzrostem gęstości strumienia ciepła na ściance miniszczeliny obserwuje się rozwój procesu wrzenia i struktury przepływu. Ze względu na złożoność wzajemnych korelacji między różnymi parametrami pracy termosyfonu, a także ze względu na mechanizmy jego dynamicznej samoregulacji, trudno jest skorelować konkretne struktury wrzenia z punktem pracy całego systemu. Można jednak wskazać punkty maksymalnej efektywności wymiany ciepła (zgodnie z krzywą M-Shape), a także punkt maksymalnego przepływu masy.
11. Przy przejściu z rurociągu cylindrycznego do geometrii miniszczelinowej istnieje potrzeba stosowania kolektorów rozdzielających czynnik, co powoduje ryzyko wystąpienia efektu maldistribution. W opisywanym przypadku (kolektory trapezowe w układzie „Z”) nieprawidłowa dystrybucja polega na wystąpieniu preferowanego obszaru dla przepływu i jego rosnącym zakrzywieniem wraz ze zmniejszaniem grubością miniszczeliny oraz na występowaniu martwych stref i obszarów przepływu wstecznego.

Strumień ciepła odprowadzany od ścianki miniszczeliny w funkcji stopnia suchości (krzywa typu M-shape) – czynnik roboczy: woda:

Pulsacyjny charakter przepływu i efekt dwukrotnego zwiększenia gęstości strumienia ciepła:

Struktury przepływu wrzącego w zależności od gęstości strumienia ciepła na ściance miniszczeliny:

Nierównomierność przepływu wrzącego w zależności od grubości miniszczeliny - 1, 2 i 3 mm, czynnik roboczy: woda:

Drugi wątek badań – badanie wymiany ciepła i intensyfikacji wymiany ciepła w wymiennikach miniszczelinowych w formie „wyizolowanej”, w obiegu napędzanym pompą 

Stanowisko pomiarowe do badania wymiany ciepła podczas wrzenia w „wyizolowanych” parownikach:

Przedmiot badań

• wymuszona cyrkulacja czynnika dla zapewnienia precyzyjnej regulacji wybranych parametrów przy niezmiennych parametrach pozostałych (niemożliwe w przypadku samoregulującego się obiegu termosyfonowego),
• czynniki robocze: etanol, inne,
• wymienniki miniszczelinowe i minikanałowe przy założeniu porównywalnego przekroju czynnego, wymienniki z wprowadzonymi elementami intensyfikującymi przepływ,
• efektywność transportu ciepła i współczynniki przejmowania ciepła,
• zmienne:
  • gęstość strumienia ciepła doprowadzanego w parowniku,
  • temperatura ścianki parownika,
  • masowe natężenie przepływu czynnika w obiegu.

Wątki dodatkowe

• nierównomierność rozpływu czynnika w miniszczelinie (maldistribution),
• badania wizualizacyjne przepływu.

Konkluzje z tego etapu badań:

---=== Opracowanie wyników w toku ===---