Исследование теплопередачи в микрожидкостном теплообменнике

Внедрение: 2021 г.

В работе [1] представлено экспериментальное исследование возможности интенсификации в микрожидкостных теплообменниках (Microfluidic heat exchganger – MFHE) за счет создания двухфазного сегментированного потока (газ–жидкость). Данная технология актуальна, например, для задачи охлаждения электронных компонентов.

Измерения конвективной теплоотдачи проводились с помощью MFHE, состоящего из шести каналов размером 1 x 1 мм. На рисунке 1 представлена экспериментальная установка для исследования процессов гидродинамики и теплообмена в MFHE однофазных течений. 

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования гидродинамики и теплообмена в одно- и двухфазном потоке в MFHE.

В этой работе вода использовалась в непрерывной фазе, а воздух – в диспергированной. Вода в теплообменник подавалась с помощью шестеренчатого насоса (Gear pump) PMI MG209XK (PMI Technologies, Китай), а объемный расход жидкости (Flow met.) определялся с помощью электромагнитного измерителя Badger Meter ModMAG M2000 (Badger Meter, Чехия). Падение давления (P_diff ) вдоль MFHE было измерено с помощью датчика давления NXP MPX5050DP (NXP Semiconductors, Нидерланды). Сигнал с датчика давления обрабатывался модулем АЦП E14‑140 (Pressure Data Logger) и записывался программным комплексом PowerGraph для сбора и обработки информации. Воздух в каналы подавали с помощью шприцевого насоса SINO MDT SN‑50F6 (Sino MDT, Китай), снабженного приводом переменного потока, и двух шприцев для обеспечения заданного объемного расхода дисперсной фазы (Syringe Pump).

В данной установке также измерялись температура теплоносителя на входе и выходе из MFHE (T_in, T_out), температура стенки вдоль микроканала в пяти точках (T₁–T₅), а также температура T_am внутри изоляции MFHE. Для измерения перечисленных температур использовались гибкие термопары К‑типа. Регистрация данных с термопар (Pressure Data Logger) осуществлялась с помощью модуля аналогового ввода OWEN MB110‑224.8A (Овен, Россия).

Экспериментальные исследования показали, что сегментированный поток позволяет увеличить число Нуссельта ламинарного потока в MFHE до 1,67 и снизить термическое сопротивление до 1,7 раза по сравнению с однофазным потоком. В то же время было установлено, что интенсификация теплообмена двухфазным потоком наблюдается только для диапазона объемной доли газа от 10 до 30 %. Кроме того, расчет критерия тепловых характеристик, включая тепловые и гидравлические параметры (коэффициент трения), также подтвердил перспективность использования сегментированного потока Тейлора в качестве метода интенсификации однофазного теплообмена в микроканалах.

Источник:
Vasilev, Maksim & Abiev, Rufat. (2021). Gas–Liquid Two-Phase Flow and Heat Transfer without Phase Change in Microfluidic Heat Exchanger. Fluids. 6. 150. 10.3390/fluids6040150.

Разработчик: Васильев М.П., Абиев Р.Ш. (Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет))