ミニ熱交換器における各種流量偏在定量化手法の比較

Sep 16, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11482 (2023) この記事を引用

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研究の目的は、速度、質量流量、圧力、温度を使用して、さまざまな流れの偏在定量化方法を比較することです。 実験的に検証された数値研究が準備され、直径 3.1 mm の 34 個の半円形チャネルを備えた熱交換器がテストされました。 ミニチャネルは、50、60、70、および 80 kW/m2 の熱流束で底部から加熱されました。 0.1、0.2、0.3、0.4 m/s のさまざまな入口速度のケースがテストされました。 その結果、さまざまな熱流束とさまざまな水の入口速度を持つ合計 16 のケースが得られます。 次に、16 のケースごとに、文献で広く使用されている流量偏在係数が、速度、圧力、温度プロファイルに基づいて計算されています。 この研究では、どの方法でも、熱交換器内の流れ分布を同じ方法で定義する必要がある同じパラメータの他の結果が得られることが示されています。 したがって、文献に見られる熱交換器における流体分配の結論の曖昧さは、流量偏分配係数の異なる解釈によって引き起こされている可能性があります。 使用されるすべての熱水力パラメータに対して同じ結果が得られる正規化された流れ偏分布係数が提案されています。

Tuckerman と Pease1 は、チャネルの水力直径を小さくすると熱伝達がより強くなることを証明しました。 それ以来、多くの研究者がミニチャネルまたはマイクロチャネルを扱っています2、3。 しかし、よく知られているように、チャネルの水力直径が小さくなると、（質量流量が一定の場合）速度が高くなり、したがって圧力降下も大きくなります。 熱交換器内の流れの圧力降下を適切なレベルに維持するために、総質量流量を多くの分岐に分割することができます。 これにより、(総質量流量を一定に保ちながら) すべての経路の速度が低下し、圧力降下が減少します。 しかし、共通の入口マニホールドと出口マニホールドに接続された多くのミニチャネルは、不均一な分配という別の水力学的問題を引き起こします4。 この現象は、最も多くの場合、流れの不均衡と呼ばれ、熱交換器 5 だけでなく、ガス脱硫塔 6 や燃料電池 7 などの他の技術分野でも問題を引き起こします。

ただし、不均一な流れが望ましい場合もあり、全体的な流れを改善するために意図的に不均一な分布を使用する用途もあります（たとえば、反応器内の反応を設計する化学工学 8 や、表面上で不均一な熱流束が発生する可能性がある電子機器の冷却 9 など）。デバイスのパフォーマンス。 Li et al.10 は、不均一な複数ピークの熱流束が発生した場合に、並列ミニチャネル ヒートシンクの流れを調整して (チャネルごとに異なる質量流量)、温度ホットスポットを排除できることを示しました。 したがって、流れの偏り（「悪い／正しくない／正しくない」分布）は、必ずしも不均一な分布を意味するものではなく、同時に、不均一に分布した流れが必ずしも偏在であるとは限らない。 それにも関わらず、この論文では、良好な流体分布は均一な速度および温度分布と同等であると仮定しているため、ここでは「流れの不均一分布」と「不均一な流れ」という用語が同じ意味で使用されます。

ここ数年、ミニ、マイクロ、コンパクト、およびマクロチャネル熱交換器における流れの不均衡に関するレビューがいくつか出版されています11、12、13、14。 Dario et al.11 は、平行チャネル内の二相流の分布に焦点を当て、二相流の偏り分布に影響を与える要因と、流れの均一性を改善するいくつかのヘッダー設計について議論しました。 Siddiqui と Zubair12 は、熱交換器の形状 (主にマニホールド) の観点から流れの不均一分布について議論しました。 著者らは、流れの不均衡分布を数学的に説明しようとするいくつかの解析モデルを示しました。 Ghani et al.13 は、主に流れの不均衡分布の範囲におけるマニホールド設計に焦点を当てました。 著者らは、どのような多様体を区別できるのか、また特定の多様体が流体の分布にどのような影響を与えるのかについて深く議論しました。 Singh et al.14 は、いくつかの熱交換器 (プレート、プレートフィン、チューブフィン) における流れの偏り分布について説明し、流れ分布に対する相変化と特性の変化の影響を示しています。 著者らは、太陽熱集熱器とより持続可能なエネルギー利用の文脈に自分の研究を位置づけています。