Analiza przemian fazowych proekologicznych czynników chłodniczych w minikanałach rurowych

• Autorzy: Bohdal T. , Charun H. , Dutkowski K.

Warianty tytułu

EN

Analysis of phase transitions of environment- friendly refrigerants in tubular mini-channels

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W ostatnich latach wzrosło zapotrzebowanie na prace badawcze w zakresie wymiany ciepła i hydrodynamiki czynników chłodniczych w kanałach o małej średnicy. Jest to wynikiem gwałtownego zapotrzebowania na kompaktowe wymienniki ciepła, stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, w medycynie, elektronice, a zwłaszcza w nowoczesnych komputerach. Ciągły wzrost mocy obliczeniowych procesorów komputerowych wymaga odbioru od nich coraz większej ilości ciepła. Dużą wartość gęstości strumienia ciepła na małych powierzchniach może zapewnić wykorzystanie przemian fazowych czynników chłodniczych. Może być realizowany w kanałach rurowych o małej średnicy lub w pakietach złożonych z dużej liczby równoległych kanałów, o różnych kształtach przekroju poprzecznego. Jako kanały o małej średnicy można uznać te, których średnica wewnętrzna jest mniejsza od 3 mm. Kanały rurowe stosowane w wymiennikach ciepła dzieli się na: kanały konwencjonalne - o średnicy hydraulicznej 3 mm i więcej, minikanały - o średnicy hydraulicznej w zakresie 200 žm÷3 mm i mikrokanały - odpowiednio 50 žm÷200 žm. Podział ten należy traktować, jako umowny. Ciągły rozwój metod badawczych sprawia, że ustalane są nowe granice zakresu średnic, tzw. małych kanałów. W zależności od średnicy kanału rurowego obserwuje się odmienne struktury przepływu dwufazowego, określone dla przemian fazowych czynników. Zagadnienia przedstawione w tej pracy mają istotne znaczenie z następujących powodów: 1. zależności obliczeniowe określone i sprawdzone dla kanałów konwencjonalnych nie mogą być bezkrytycznie przeniesione do zakresu mini-i mikrokanałów, 2. pomimo tego, że przemiany fazowe wrzenia i skraplania czynników są względem siebie procesami odwrotnymi, nie oznacza to ich pełnej symetryczności. Dlatego proponowane do obliczeń korelacje powinny być oddzielnie weryfikowane eksperymentalnie dla tych przemian fazowych, 3. projektanci tzw. kompaktowych wymienników ciepła, w których stosowane są minikanały rurowe oczekują sprawdzonych korelacji obliczeniowych, niezbędnych do wyznaczenia powierzchni wymiany ciepła, 4. wprowadzenie nowych, proekologicznych zamienników czynników chłodniczych chlorowcopochodnych (freonów - wycofanych już z zastosowań) stwarza dodatkowe problemy w tym zakresie. Zagadnienia przedstawione w niniejszym opracowaniu dotyczą analizy przydatności proponowanych korelacji do obliczenia oporów przepływu i współczynnika przejmowania ciepła w minikanałach rurowych chłodniczych, kompaktowych skraplaczy i parowników. Analizą objęto pojedyncze minikanały rurowe, wyłączając układy złożone z wielu minikanałów zasilanych równolegle

EN

The increase of the computing power of computer systems results in the need of an intense cooling of processors, where relatively large amounts of heat energy are released. One of the ways to intensify the heat exchange is the use of phase transitions of the boiling and condensation of refrigerants in the left-run thermodynamic cycle. Considering the small dimensions of electronic elements, there is a requirement to miniaturize the cooling system, where the diameters of the tubular channels are below 3 mm. The present study includes an analysis of the processes of boiling and condensation of environment-friendly refrigerants in tubular mini-channels. Attention was paid to the specificity of these processes, which occur in channels with small and very small diameters in comparison with conventional channels. Dependences were proposed in order to determine the drop of the pressure and the heat transfer coefficient. The results of the research conducted by the author of the study and by other authors were used. Issues presented in this paper have the essential meaning because of following: 1. computational dependences defined and tested for conventional channels can not be uncritically transferred to the range of mini- and micro-channels, 2. in spite of the fact, that the phase conversions of boiling and condensation refrigerants are, in relation to themselves, opposite processes, this does not mean their symmetricalness. That is why correlations proposed for calculations should be separately experimentally verified for those phase conversions, 3. designers of so-called compact heat exchangers in which tubular mini-channels are applied expect verified calculational correlations, necessary for determination of heat exchange surface, 4. introduction of new, environment-friendly substitutes of halogen refrigerants (freons - already withdrawn) creates additional problems in this range. Issues presented in this paper concern analysis of usefulness of proposed correlations to calculation of flow resistance and heat transfer coefficient in cooling tubular minichannels, compact condensers and evaporators. Individual tubular mini-channels were analysed, excluding arrangements composed of many mini-channels parallelly fed. Executed comparative calculations with application of proposed correlations and the results of many authors experimental investigations do not let currently choose unambiguously, which formula and in which ranges will give the best results. Authors claim that further theoretical and experimental investigations should allow to find standard computational dependences. This means that also designers of compact cooling mini-exchangers (including new environment-friendly refrigerants) wait for the solution of this problem

Słowa kluczowe

PL

wymiana ciepła; kanały o małej średnicy; wrzenie; skraplanie; minikanały

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2008
• Tom: Tom 10
• Strony: 367--397
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz.

Twórcy

autor

Bohdal T.

autor

Charun H.

autor

Dutkowski K.

• Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• 1. Akers W., Deans O.K., Crosser O.K.: Condensation heat transfer within horizontal tubes. Chemical Engineering Progress Symp. 1959, vol. 55, p.171÷176.
• 2. Bandhauer T.M., Agarwal A., Garimella S.: Measurement and modeling of condensation heat transfer coefficients in circular microchannels. Journal of Heat Transfer Transactions of ASME 2006, vol. 128, p.1050÷1059.
• 3. Baroczy C.J.: Correlation of liquid fraction in two-phase flow with applications to liquid metals. Chemical Engineering Progress Symposium 1965, vol. 61, no 57,p.179÷191.
• 4. Bohdal T., Charun H., Czapp M., Dutkowski K.: Wrzenie perspektywicznych czynników w parownikach chłodniczych. Monografia, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej. Koszalin 1999.
• 5. Cavallini A., Censi G., Del Col D., Doretti L., Longo G.A., Rossetto L.: Condensation of halogenated refrigerants inside smooth tubes. HVAC &R Research 2002, vol. 8, no 4, p.429÷451.
• 6. Chen I.Y., Yang S., Chang J., Wang C.: Two-phase pressure drop of air-water and R410a in small horizontal tubes. Int. Journal of Multiphase 2001, vol. 27, no 7,
• 7. Chen I.Y., Yang K.S., Wang C.C.: An empirical correlation for two-phase frictional performance in small diameter tubes. J. of Heat and Mass Transfer 2002, vol. 45, p.3667÷3671.
• 8. Chisholm D.: A theoretical basis for the Lockhart-Martinelli correlation for twophase flow. Int. J. Heat Mass Transfer 1967, vol. 10, p.1767÷1778.
• 9. Del Col D.: Condensation in minichannels and microchannels. Proc. VII Scuola estiva UIT, Techniche Sperimentali in Termofluidodinamica, Portignano 2007, p.1÷34.
• 10. Dhanani H., Schmidt S., Metzger C.: Condensation in mini- and microchannels. Heat and Mass Transfer Laboratory. 2007.
• 11. Dobson M.K., Chato J.C.: Condensation in smooth horizontal tubes. I. Heat Transfer, ASME 1998, vol. 120, p.193÷213.
• 12. Friedel L.: Improved frictional pressure drop correlations for horizontal and vertical two-phase pipe. 3 R International 1979, vol. 18, no 7, p.485÷491.
• 13. Garimella S.A., Agarwal A., Killion J.D.: Condensation pressure drop in circular microchannels. Heat Transfer Engineering 2005, vol. 26, no 3, p.1÷8.
• 14. Kenning D.B.R., Cooper M.G.: Saturated flow boiling of water in vertical tubes, Int. J. Heat Mass Transfer 32. 1989. p.445÷458.
• 15. Kew P.A., Cornwell K.: Confined bubble flow and boiling in narrow spaces, Proc. 10th Int. Heat Transfer Conference, Brighton 7. 1994. p.473÷478.
• 16. Lazarek G.M., Black S.H.: Evaporative heat transfer, pressure drop and critical heat flux in a small verticale tube with R-113, Int. J. Heat Mass Transfer 25. 1982, p.945÷960.
• 17. Lockhart R.W., Martinelli R.C.: Proposed correlation of data for isothermal two-phase, two-component flow in pipes. Chemical Engineering Process Symposium Series 1949, vol. 45, No 1, p.39÷48.
• 18. Park K.S., Choo W.H., Bang K.H.: Flow boiling heat transfer of R-22 in smalldiameter horizontal round tubes. First International Conference on Microchannels and Minichannels 2003, Rochester, New York USA, p.623÷628.
• 19. Shah M.M.: A general correlation for heat transfer during film condensation inside pipes. Int. J. of Heat and Mass Transfer 1979, vol. 22, p.547÷556.
• 20. Shin J.S., Kim M.H.: An experimental study of condensation heat transfer inside a mini-channel with a new measurement technique. Int. J. of Multiphase Flow 2004, vol. 30, p.311÷325.
• 21. Steinke M.E., Kandlikar S.G.: Single-phase liquid friction factors in microchannels, Int. Journal of Thermal Sciences, 45, 2006, pp.1073÷1083;
• 22. Tran T.N., Wambsganss M.W., France D.M.: Small circular and rectangular channel boiling with two refrigerants, Int. J. Multiphase Flow, 22. 1996. p.485÷498.
• 23. Wang H., Rose J.W.: Film condensation in horizontal microchannels: effect of channel shape. 3 rd International Conference on Microchannels and Minichannels. Toronto 2005.
• 24. Warrier G.R., Dhir V.K., Momoda L.A.: Heat transfer and pressure drop in narrow rectangular channelks, Exp. Thermal Fluid Sci. 26. 2002. p.53÷64.
• 25. Webb R.L., Ermis K.: Effect of hydraulic diameter on condensation of R134a in flat extruded aluminum tubes. J. Enhanced Heat Transfer 2001, vol. 8(2), p.77÷90.
• 26. Wilson M.J., Newell T.A., Chato J.C., Ferreira C.A.: Refrigerant charge, pressure drop and condensation heat transfer in flattened tubes. Int. Journal of Refrigeration 2003, vol. 26, no 4, p.442÷451.
• 27. Yan Y.Y., Lin T.F.: Condensation heat transfer and pressure drop of refrigerant R134a in a small pipe. Int. J. of Heat and Mass Transfer 1999, vol. 42, p.697÷708.
• 28. Yang C., Webb R.L.: Condensation of R12 in small hydraulic diameter extruded aluminium tubes with and withoud micro-fin. Int. J. Heat and Mass Transfer 1996, vol. 39, p.791÷800.
• 29. Yang C.Y., Shieh C.C.: Flow pattern of air-water and two-phase R134a in small circular tubes. Int. Journal of Multiphase 2001, vol. 27, no 7, p.1163÷1177.
• 30. Yu W., France D.M., Wambsganss M.W., Hull J.R.: Two-phase pressure drop, boiling heat transfer, and critical heat flux to water in a small-diameter horizontal tube, Int. J. Multiphase Flow, 28. 2002. p.927÷941.