Micro-Intercambiador de Calor

Con partículas de cambio de fase

Universidad de Oklahoma

Resumen

Este estudio muestra el rendimiento de un micro intercambiador de calor, para distintas configuraciones geométricas y características del líquido conductor. Como mejora térmica de las propiedades base del agua, se añaden micropartículas encapsuladas de cambio de fase (MEPCM). Estas partículas, al cambiar de fase durante el intercambio de calor, absorben una mayor cantidad de energía gracias al calor latente.

Para el análisis, las ecuaciones de Navier-Stokes para flujo laminar han sido resueltas. De forma conjunta, como modelo para el proceso de cambio de fase, «The temperature transforming model (TTM)» ha sido añadido al programa de cálculo por volúmenes finitos.

La geometría y configuración de los canales, para diferentes flujos másicos, han sido estudiados para obtener la mejor distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador de calor. Parámetros como la caída de presión dentro de los canales y el máximo valor de temperatura en la base ha sido calculados.

Una vez obtenida la mejor configuración  de canales, las propiedades del flujo de doble fase han sido aplicadas para medir la mejora total en términos térmicos para las diferentes concentraciones de micro partículas.

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MODELO FÍSICO

El modelo completo de intercambiador de calor está compuesto por 33 canales. El diseño ha sido propuesto para poder alternar la dirección del flujo por cada par de canales. De modo que tanto flujo paralelo como contrapuesto puede ser impuesto.

Además, como objeto de estudio, se han propuesto canales rectos y con forma de zigzag. Las dimensiones totales del intercambiador son 10 x 10 x 1 mm; siendo la sección de paso de cada canal de 0.2 x 0.6 mm.

RESULTADOS

FLUJO PARALELO VS CONTRAPUESTO

Considerando el valor mínimo de resistencia térmica, la configuración de flujo contrapuesto ofrece un ligero mejor comportamiento térmico global; además de mejorar la homogeneidad de temperaturas en la base del intercambiador. Sin embargo, la configuración de flujo paralelo ofrece mejores resultados enfriando el sistema hasta temperaturas mínimas inferiores, para la mayor parte del intercambiador. Esta configuración, por tanto, ofrece un mejor comportamiento térmico a lo largo de los canales; aunque existe un gradiente lineal de temperaturas en la base.

FLUJO PARALELO VS CONTRAPUESTO

Considerando el valor mínimo de resistencia térmica, la configuración de flujo contrapuesto ofrece un ligero mejor comportamiento térmico global; además de mejorar la homogeneidad de temperaturas en la base del intercambiador. Sin embargo, la configuración de flujo paralelo ofrece mejores resultados enfriando el sistema hasta temperaturas mínimas inferiores, para la mayor parte del intercambiador. Esta configuración, por tanto, ofrece un mejor comportamiento térmico a lo largo de los canales; aunque existe un gradiente lineal de temperaturas en la base.

CANALES RECTOS VS ZIGZAG

La configuración de canales en zigzag ofrece un mejor rendimiento térmico, enfriando la base del intercambiador hasta valores por debajo de los conseguidos con la configuración de canales rectos. Sin embargo, tomando en consideración la relación entre resistencia térmica conseguida y potencia de bombeo requerida, las discrepancias en rendimiento desaparecen. La mejora en rendimiento térmico viene con un alto coste en valores de pérdidas de carga.

Tan solo en aquellos casos en los que se requiera de valores de disipación elevados, y la capacidad de bombeo no sea una limitación, la configuración en zigzag resulta ser la más adecuada. Al fin y al cabo, para caudales bajos, los canales rectos ofrecen un buen rendimiento en disipación térmica para caídas de presión mínimas.

FLUIDO CON PARTÍCULAS DE CAMBIO DE FASE

Para finalizar, los cálculos con fluido de doble fase (agua y partículas MEPCM) a distintas concentraciones son comparados con los obtenidos para el caso de flujo paralelo y canales rectos. Los resultados obtenidos muestran una clara mejora de las propiedades de disipación térmica del fluido para cualquier valor de caudal. El incremento de concentración de partículas conlleva a una mejora térmica, aunque se incrementan también las pérdidas de carga.

En cuanto a la relación entre valores de resistencia térmica y potencia de bombeo necesaria, la adición de partículas MEPCM implica una mejora térmica para todos los casos, llegando incluso a valores que el fluido de una sola fase no llegaba a alcanzar. Lo cual implica una mayor eficiencia térmica, consiguiendo mayores valores de disipación a un menor coste de energía.

Por último, destacar el hecho de que la adición de partículas de cambio de fase ofrece, tanto al líquido como al intercambiador de calor, una mayor homogeneidad en la distribución de temperaturas a lo largo de los canales. En función de la potencia calorífica a disipar y la concentración de partículas, es posible obtener el caudal óptimo, en términos de eficiencia térmica, mediante una distribución homogénea de cambio de fase.

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