دراسة تأثير المتغيرات التصميمية للخشونة الصناعية على جريان ثنائي الطور في قناة مايكروية باستخدام الخليط الثنائي

الباحث

قحطان عدنان عباس النقيب

المشرف

اخلاص محمد فياض - مؤيد رزوقي حسن

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم الهندسة الميكانيكية / الهندسة الميكانيكية

الشهادة

دكتوراه

السنة

2021

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Flow boiling;Microchannel;Artificial roughness;Binary mixture

تتأثر قوة وأداء الأجهزة والمعدات الهندسية خلال العمل عند التدفق الحراري العالي. لذلك فإن الشاغل الرئيسي هو تبريد هذه الأجهزة، مما دفع الباحثين إلى اقتراح وتصميم تقنيات التبريد المختلفة لبحث امكانية تطبيقها. يعتبر تدفق ثاني الطور في القناة المايكروية حلاً واعدًا لهذه التطبيقات. وفقا لذلك فأن البحث الحالي تضمن دراسة عملية لبيان تأثير مقدار الفيض الحراري ومعدل التدفق الكتلي أضافة إلى تأثير وجود الخشونه الصناعية (الفجوات المصنعة) في قاعدة القناة المايكروية على بداية الغليان واللااستقرارية للغليان، أضافة إلى مقدار الأنتقال الحراري ومقدار هبوط الضغط خلال القناة المايكروية عند دخول المائع المستخدم (الماء منزوع الأيونات والخليط الثنائي من الماء منزوع الأيونات وكحول الإيثانول) عند درجة حرارة الدخول دون درجة حرارة التشبع. وتضمنت الدراسة تأثير درجة حرارة دخول الماء منزوع الأيونات خلال الجريان ثنائي الطور وأيضا تأثير نسبة أضافة كحول الايثانول الى الماء منزوع الأيونات. كذلك قد تم مقارنة النتائج المتعلقة بمعامل انتقال الحرارة وهبوط الضغط مع المعادلات والعلاقات الرياضية المثبته لحساب معامل انتقال الحرارة وهبوط الضغط من البحوث السابقة. لإجراء التجارب العملية، تم تصنيع ثلاثة نماذج للقناة المايكروية (نموذج (1)، نموذج )2( ونموذج (3)) من مادة البراص للنماذج ذات المقطع مستطيل الشكل وبطول 60 ملم وبإبعاد قياسية (العرض pm 300 وأرتفاع pm 700( بقطر هيدروليكي mm) 0.42) وبمعدل خشونة 0.0126 um أن النموذج الاول للقناة المايكروية تقليدية لم يحتوي على اية فجوات صناعيةء في حين أحتوى النموذج الثاني على الفجوات الصناعية (قطر الفجوه ما يقارب 17لإ50) موزعة على طول القناة المايكروية بالقرب من احد الجدران، Lal النموذج الثالث فقد شمل وجود ضعف عدد الفجوات الصناعية موزعة بالتساوي على جانبي القاعدة وبالقرب من جداري القناة المايكروية. التجارب العملية للغليان تم إجرائها بإستخدام الماء منزوع الأيونات وكذلك إستخدام الخليط الثنائي من الماء منزوع الأيونات وكحول الإيثانول وبنسب خلط مختلفة اعتمادا على النسب المولارية للخليط الاكثر تطايرية (الايثانول) )%5, 10 96، %20( وبدرجة حرارة دخول للماء النقي عند 80 و 65 درجة مئوية، في حين ان درجة حرارة الدخول للخليط الثنائي هي 65 درجة مئوية، حيث أن جميع التجارب اجريت عند ضغط bar) 1) وبمعدل تدفق كتلي ما بين kg/m’s) 300-600( وبمقدار فيض حراري ما بين kW/m?) 2.08-371.7). أظهرت نتائج الغليان ان بداية الغليان يعتمد على مقدار التدفق الكتليء إذ ان زيادة التدفق الكتلي للمائع يعمل على تأخر بدأ الغليان لكل من الماء منزوع الأيونات والخليط الثنائي، كما أن ان زيادة درجة حرارة دخول الماء منزوع الأيونات دون التشبع يتطلب فيض حراري أعلى لبدأ الغليان. علاوة على تقليل مقدار هبوط الضغط خلال القناة المايكروية وأيضا تقليل معامل انتقال الحرارة. كما اظهرت النتائج أن أستقرارية الغليان أعتمدت على مقدار درجة حرارة دخول المائع دون التشبع اضافة الى مقدار التدفق الكتلي ومقدار التركيز للخليط المستخدم. كما بينت النتائج أن أعلى قيمة لمعامل أنتقال الحرارة تحدث عند بداية الغليان ثم تبدأ بالهبوط الى نسبة جفاف بقيمة مقدارها (0.035)، ثم تصبح قيمة معامل انتقال الحرارة ثابتة مع زيادة الفيض الحراري وهذ يعني ان معامل انتقال الحرارة لا يعتمد على الفيض الحراريء يمكن القول أن ميكانيكية انتقال الحرارة السائدة هي آلية الغليان الفقاعي مع آلية غليان الحمل معا في حالة استخدام الماء منزوع الأيونات. أما في حالة أستخدام الخليط الثنائي فقد تم ملاحظة ان قيمة معامل انتقال الحرارة تزداد مع زيادة الفيض الحراري وبالتالي فإن ميكانيكية انتقال الحرارة السائده هي الغليان الفقاعي. لقد لوحظ تحسن في انتقال الحرارة للنماذج ذات التجاويف الصناعية ( نموذج (1) ونموذج (2)) مقارنة مع النموذج التقليدي ( نموذج(1))، حيث كان النموذج الثالث أفضل من حيت الأداء ولكن صاحبه زيادة في اللااستقرارية في جريان الغليان في حالة استخدام الماء منزوع الأيونات كمادة عمل. لكن التحسن في الاستقرارية كان واضحا في حالة أستخدام الخليط الثنائي بنسبة )5%( كمادة عمل في النموذج (3)، بألأضافة الى تخفيض عالي في درجة حرارة جدار القناة المايكرورية. إذ ان استخدام الخليط الثنائي يمكن أن يخفف اللااستقراية للغليان كما انه يجنب جفاف جدار القناة (يحافظ على بقائه رطبا). يزداد هبوط الضغط بزيادة عدد الفجوات الصناعية ويكون في الخليط الثنائي أعلى من الماء منزوع الأيونات، كما انه يزداد بزيادة تركز الخليط المستخدم. تم التحقق من بيانات قيم معامل انتقال الحرارة بالغليان مع علاقة للباحثين: (1984 (Cooper, و(((81©) ,2004 (Kandlikar and Balasubramanian, ووجد ان نسبة ibs للخليط الثنائي بمقدار 18.790 و 21.590 على التوالي، في حين ان نتائج التحقق لمعامل انتقال الحرارة في AIL الماء منزوع الايونات مع علاقة الباحثين: )1997 (Sun ، (Kew and Cornwell, and Mishima, 2009) و )2010 (Li and Wu, كانت بنسبة خطأ مقدارها 26.3% ٠ 23% 5 20.3% على التوالي.

The durability and performance of the devices are affected by the higher heat flux. Therefore the primary concern is for cooling these devices, causing researchers to propose and investigate different cooling techniques. Two-phase flow in microchannels is considered a promising solution for these applications. Accordingly, the objectives of this study can be summarized as follows: investigate the effect of heat flux, mass flux, and artificial cavities (ANS) on the onset of nucleation, flow boiling instability, pressure drop, and heat transfer coefficient on both deionized water and binary mixture (water-ethanol) at sub-cooled condition. Also, the effect degree of sub-cooled for deionized water and concentration for binary mixture were considered. Also, the results of pressure drop and heat transfer with correlations available in the literature were evaluated. An experimental investigation was carried out during this study to attain the research objectives. Three models of a single microchannel (model-1, model-2, and model-3) made of brass and have a length of 60 mm, a hydraulic diameter of (0.42 mm), and nearly the same surface roughness (12.6 nm) were manufactured. These models have a rectangular cross- section with nominal dimensions of 0.3 mm width and 0.7 mm depth. The model-1 of the microchannel has no ANS (conventional microchannel). Model-2 and model-3 have ANS (50 μm mouth diameter) on the base of the microchannel but in different numbers of ANS and locations. The artificial cavities for model-2 are located along the line adjacent to one side of the microchannel wall. The artificial cavities in the microchannel of model-3 also exist on the base of the microchannel and along the line adjacent to both wall sides. Flow boiling experiments for deionized water and binary mixture were carried out under a system pressure of 1 bar, a mass flux range of (300-600) kg/m2s, binary mixture concentrations of 5%, 10%, and 20%, and wall heat flux range of (2.08 -371.7) kW/m2. The inlet condition for the deionized water was 65oC and 80oC (degree of sub-cooled 20K and 35 K), while the inlet condition for the binary mixture was 65oC. The results of flow boiling have shown that the boiling incipience depends strongly on the mass flux; increasing mass flux caused a delay in the onset of nucleate boiling (ONB) for both deionized water and binary mixture tests in the investigated parameters ranges. On the other hand, increasing the degree of sub-cooling for the deionized water from 20K to 35K required higher wall heat flux to initiate nucleate boiling. Further, it reduced the total pressure drop and decreased the heat transfer coefficient in the heat sink. Flow instability was also found to be dependent on the operation parameters (degree of inlet sub-cooling, mass flux, and ethanol mole fraction) and design parameters of the microchannel (number and distribution of artificial cavities). The flow boiling heat transfer results indicated that the local and average heat transfer coefficient increased with the wall heat flux. A higher local heat transfer coefficient was reached at boiling incipience then slightly decreased with local vapor quality up to (0.035). After that, the heat transfer coefficient for the deionized water was almost constant with increasing the wall heat flux (i.e., the heat transfer coefficient was independent of wall heat flux). Further, the heat transfer coefficient slightly increased with increasing the mass flux. Subsequently, the mechanism of the heat transfer seems to be dominated by nucleate and convective boiling. On the other hand, for the binary mixture, the forced convective heat transfer coefficient increased with increasing the heat flux and mass flux, but the effect of heat flux was strongly prevalent. Resulting, the dominant mechanism of flow boiling seems dominated by nucleate boiling. A noticeable enhancement in the heat transfer coefficient for the microchannels with artificial cavities (models 2 and 3) compared to the conventional counterpart with smooth walls in the microchannel (model-1). Model-3 gives the highest heat transfer coefficient among the three models, but it is accompanied by increasing the flow boiling instability in the case of the deionized water tests. Enhancement in the instability of model-3 can be obtained by using a binary mixture with a concentration of 5%, accompanied by a higher reduction in the wall temperatures. From the reduction of the wall temperature fluctuations, it is clear that the use of the mixture can help prevent the wall dry-out, which could lead to a potential critical failure in the cooling system. Moreover, the flow boiling pressure drop for the three models of the microchannel (1, 2, and 3) for the binary mixture tests is higher than that of the deionized water tests. The two-phase flow heat transfer correlation by (Cooper, 1984) and (Kandlikar and Balasubramanian, 2004, (CBD)) showed the best prediction results of all the present data of the binary mixture test with a mean absolute error of 18.7% and 21.5%, respectively. While for the deionized water, the correlations of (Kew and Cornwell, 1997), (Sun and Mishima, 2009), and (Li and Wu, 2010) predicted the data with a mean absolute error of 26.3%, 23%, and 20.3%, respectively.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب