IHE / Employees / Researchers and Lecturers / Mężyk Łukasz / "Preludium" - Narodowe Centrum Nauki.

Badanie nieustalonej wymiany ciepła w urządzeniach o małych wymiarach - Grant NCN - Preludium

Badania prowadzone w ramach projektu Preludium finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

Projekt został podzielony na sekcje dotyczące różnych zagadnień powiązanych bezpośrednio z wymianą ciepła. Obrano kilka różnych kierunków badań w taki sposób by ich wyniki można zastosować w szerokiej gamie dyscyplin. Głównymi kierunkami badań były napędy satelitarne, chłodzenie urządzeń elektronicznych oraz urządzenia medyczne należy jednak zauważyć że niektóre wyniki uzyskane w jednej sekcji mogą z powodzeniem zostać wykorzystane w innej.

W pierwszym etapie badań uwagę skupiono na problemie intensywności wymiany ciepła pomiędzy elementem grzewczym w postaci płaskiej płytki umieszczonej w kanale a gazem ją opływającym. Etap ten miał na celu ocenę sensowności ewentualnego zastosowania elementu drgającego w silnikach satelitarnych typu resistojet, używanych do korekcji orientacji satelitów na orbicie. Koszt wystrzelenia ładunku w przestrzeń kosmiczną bezpośrednio połączony jest z jego masą a ponieważ w wielu misjach duży udział masowy całego satelity stanowi paliwo, dąży się do minimalizacji jego zużycia. Niezbędne jest do tego poprawienie parametrów osiąganych przez wykorzystywane silniki. W przypadku silników resistojet poprawa parametrów osiągana jest przez podgrzewanie przepływającego czynnika roboczego przy pomocy grzałki elektrycznej. Kluczowym więc zagadnieniem jest intensyfikacja procesu wymiany ciepła pomiędzy elementem grzejnym a gazem. Jednym z pomysłów mogących wpłynąć pozytywnie na ten proces jest wprawienie elementu podgrzewanego w ruch oscylacyjny. Zaburzenie przepływu, zerwanie warstwy przyściennej oraz turbulizacji wywołana ruchem poprawia przejmowanie ciepła od płytki. W celu zbadania wpływu częstotliwości ruchu na ten proces stworzono dwuwymiarowy model numeryczny płytki drgającej umieszczonej w kanale.

Rysunek 1. Model numeryczny elementu drgającego umieszczonego w kanale: a) zastosowany model geometryczny, b) siatka obliczeniowa wokół płytki, c) Mapa barwna w rozkładu temperatury w przypadkowej chwili przykładowego eksperymentu.

Badania numeryczne zostały wykonane dla amplitud ruchu płytki w zakresie 0.5-2 mm z krokiem co 0.5 mm oraz częstotliwości 0, 10, 50, 100, 250, 500 oraz 1000 Hz. Podsumowanie wyników zaprezentowano w postaci współczynnika  uzależnionego od amplitudy i częstotliwości ruchu.

wzniki_drgania

Rysunek 2. Podsumowanie wyników badań numerycznych.

Widać jednoznacznie że zarówno wzrost częstotliwości jak i amplitudy ruchu ma pozytywny wpływ na intensywność wymiany ciepła. W celu weryfikacji otrzymanych wyników zbudowano dwa stanowiska badawcze – z kanałem okrągłym a następnie prostokątnym (bliższym warunkom obliczeniowym).

Rysunek 3. Stanowiska pomiarowe: a) z kanałem okrągłym, b) z kanałem prostokątnym.

Dla możliwych do osiągnięcia na stanowisku badawczym parametrów wskazania uzyskane z badań odpowiadały w przybliżeniu uzyskanym z obliczeń. Można więc uznać że model numeryczny został skonstruowany poprawnie i może zostać wykorzystany do symulacji takiego rodzaju zagadnienia. W celu oceny możliwości zastosowania procesu w silnikach satelitarnych niezbędne są dalsze prace.

W drugim etapie prac uwagę skierowano na temat związany z chłodzeniem elementów elektroniki. Przebadano wysokowydajny radiator kanałowy. Badania przeprowadzono dla różnych mocy dostarczanych do stopy radiatora oraz różnych prędkości przepływów powietrza. Badano konfigurację radiatora z wentylatorem nadmuchowym oraz wyciągowym a także przetestowano działanie dwóch rodzajów elementów zaburzających przepływ w kanałach.

Rysunek 4.Badania radiatora: a) zastosowany radiator, b) schemat położenia turbulizatorów c) Przykładowe wyniki badań.

W ramach projektu powstał również model numeryczny radiatora, który został zweryfikowany przy użyciu danych eksperymentalnych. Dzięki niemu możliwa była symulacja poprawy wydajności radiatora poprzez niewielką modyfikację geometryczną polegającą na doprowadzeniu dodatkowego powietrza niewielkimi otworami wykonanymi po przeciwnej stronie stopy radiatora.

 

Rysunek 5. Model numeryczny radiatora.

Otrzymane wyniki pozwalają stwierdzić że przy przykładowej konfiguracji otworów (5 otworów o średnicy 2mm w każdym kanale radiatora rozłożonych równomiernie wzdłuż kanału) ich wpływ na ilość odbieranego ciepła ujawnia się przy prędkości w dodatkowych otworach rzędu 3 m/s a przy 6 m/s osiąga wartość 8%. Możliwości konkretnego rozwiązania technicznego oraz analizę jego ewentualnego zastosowania pozostawia się do rozpatrzenia w przyszłości.

            Kolejny etap prac polegał na zbadaniu wpływu warunków zasilania na działanie sondy kriochirurgicznej. Działanie takiego urządzenia polega na rozprężaniu gazu (np. CO2 lub N2O) do obszaru roboczego sondy. Nagły, znaczy spadek ciśnienia powoduje ochłodzenie gazu co z kolei powoduje spadek temperatury obszaru roboczego sondy. Uzyskanie temperatury końcówki na poziomie -40 - -50 OC pozwala na jej wykorzystanie np. do wymrażania tkanek zaatakowanych przez nowotwór. Podczas badań końcówka sondy zanurzona była w 50% roztworze wodnym żelu do USG, który służył jako „symulator tkanek”. Sprawdzono wpływ parametrów zasilania (ciśnienia w butli oraz ciśnienia zasilania sondy), warunków otoczenia (temperatura żelu) oraz rodzaju gazu – przebadano dwutlenek węgla oraz podtlenek azotu, na działanie sondy Do najważniejszych osiągnięć tego etapu badań należy zaliczyć znalezienie optymalnych warunków zasilania sondy dla obu gazów roboczych.

Rysunek 6. a) Sonda medyczna: 1-uchwyt sondy; 2-sonda z termoparą; 3-termopara do pomiaru temperatury żelu; 4-grzejnik żelu; 5-zbiornik żelu. b) Roboczy obszar sondy medycznej: 1-miejsce kontakty sondy z termoparą; 2-termopara do pomiaru temperatury żelu. C) widok tworzącej się bryłki lodu w obszarze roboczym sondy.

            Następnym etapem prac było badanie wpływu stopnia podgrzania katalizatora cerowo kobaltowego Ce64Co na rozkład katalityczny podtlenku azotu. Badania miały związek z potencjalnym zastosowaniem N2O jako gazu roboczego w satelitarnych silnikach korekcyjnych. W trakcie projektu zbudowano kilka stanowisk pomiarowych udoskonalając kolejne wersję w celu osiągnięcia jak najbardziej porównywalnych warunków eksperymentów. Badania przeprowadzono przy kilku temperaturach początkowych łoża dla dwóch granulacji katalizatora (2.5 oraz 1.5 mm) i różnych poziomów natężenia przepływu. W celu ustalenia jaka część ciepła wydzielana jest na wskutek reakcji chemicznej przeprowadzono testy porównawcze, przy tych samych warunkach grzania i przepływu, z użyciem dwutlenku węgla. Podobieństwo termodynamiczne tych gazów oraz gwarantowany brak chemicznego wydzielania ciepła w przypadku CO2 dawał poziom odniesienia dla oceny procesu rozkładu N2O. Uzyskane dane pozwalają określić minimalny poziom podgrzania katalizatora w celu uzyskania dodatkowego zysku w postaci ciepła wydzielonego poprzez reakcję egzotermiczną.

Rysunek 7. Badanie wydzielania ciepła podczas egzotermicznej reakcji N2O na katalizatorze kobaltowo cerowym: a) katalizator, b) podgrzewane łoże katalityczne, c) przykładowe wyniki uzyskanej temperatury gazu na wylcie z łoża w zależności od początkowej temperatury katalizatora (w porównaniu z CO2).

W ostatnim etapie badań podjęto się próby oceny wpływu niestacjonarności przepływu na proces wymiany ciepła w rurce kapilarnej. W pierwszej części określono współczynnik wymiany ciepła w rurce podczas przepływu ustalonego. Każdy eksperyment trwał 30 s co pozwalało na ustalenie się warunków przepływu i wymiany ciepła. Następnie dokonywano eksperymentów polegających na wprowadzeniu pulsacji przepływu poprzez zamykanie i otwieranie zaworu z różnymi częstotliwościami. Pomiary dokonane upływie takiego samego czasu otwarcia zaworu pozwoliły na ocenę wpływu tak wprowadzanych zaburzeń na proces wymiany ciepła w rurce kapilarnej. Wyniki wskazują intensyfikacje procesu wymiany ciepła wraz z rosnącą częstotliwością zaburzeń przepływu – w zaprezentowanym poniżej przypadku wzrost wyniósł ok 30%. Temat opłacalności energetycznej oraz ewentualnej implementacji technicznej procesu pozostawia się do rozważenia w przyszłości.

Rysunek 9. Badania rurki kapilarnej: a) widok stanowiska badawczego, b) rurka z izolowaną grzałką, c) wpływ częstotliwości zaburzeń przepływu na wymianę ciepła dla rurki zasilanej powietrzem.

Dokładne opisy prowadzonych badań oraz wszystkich uzyskanych wyników zostaną one wkrótce udostępnione w postaci publikacji.

"Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/03/N/ST8/05367"