FORSKNING OM VÄRMEÖVERFÖRING I VÄRMEVÄXLARE MED MIKROKANALER
USA – Banbrytande forskning som innefattar den senaste tekniken inom 3D-utskrifter i metall och avancerad neutronbildbehandling tillåter forskare att bättre förstå köldmediers värmeöverföring i värmeväxlare med mikrokanaler. Forskare vid US Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har fångat ögonblicksbilder av köldmedier som flödar genom värmeväxlare och bidrar på så sätt till ökad förståelse av vad som egentligen händer vid värmeöverföring.
De tekniker som forskarna använde gjorde det möjligt att se hur köldmedier reagerade på olika temperaturnivåer utan att störa själva köldmedieflödet. “Det är vad vi försöker förstå – hur ser ett köldmedium ut på insidan av dessa kanaler?” förklarar Patrick GEOGHEGAN, en av forskarna vid Buildings Technologies Research and Integration Centre i USA. “Vet man det kan man bättre förstå hur värmeöverföringen faktiskt äger rum.”
Tillverkarna använder sig alltmer av mikrokanalsteknologi i värme-, luftkonditionerings- och kylprodukter, eftersom detta kan innebära högre energieffektivitet, lägre kostnader och lägre köldmedieladdning. Målet med mikrokanalvärmeväxlare är att förbättra den totala värmeöverföringen, vilket eventuellt kan minska temperaturskillnaden mellan luften och köldmediet. Dessutom minimerar värmeväxlarna luftsidans tryckfall, vilket leder till ytterligare energibesparingar.
Tidigare forskning har fokuserat på köldmediets värmeväxling, men forskarteamet vid ORNL är det första att använda sig av neutronavbildning i mikrokanalstudier. Neutronavbildning är en förbättrad form av röntgen som innebär en störningsfri testmetod för att undersöka den interna strukturen av objekt.
Den arbetsmetod man tidigare använt var att avlägsna toppen av ett större värmeväxlarrör, täcka det med plexiglas och sedan titta vad som händer när det värms upp, ”vilket är en metod som leder till felaktiga resultat”, menar Patrick Geoghegan. Med detta problem i åtanke bestämde sig forskarna vid ORNL att använda sig av mikrokanaler och ingick därför ett partnerskap med 3D-tryckeriet FABRISONIC. Tryckeriet utformade i samarbete ett mikrokanalssystem som var specifikt anpassat för neutronavbildning. Man tillverkade en mikrokanalsenhet som var relativt liten och kompakt, vilket minimerade behovet av material och köldmedium.
FABRISONIC tillhandahåller tjänster med 3D-metalltryck, arbetar med ett stort antal metaller och använder sig av en komplex tillverkningsteknik. Ljudvågor utnyttjas för att sammanfoga lager av metallfolie i en process som inte kräver någon smältning. I detta fall tillverkade man en mikrokanalsvärmeväxlare av aluminium, vilken hade noggrant utformade interna gångar med en diameter på 0,25 mm.
“3D-printning bidrog med att ge oss bästa möjliga förutsättningar för experimentet. Värmeväxlare med mikrokanaler kräver väldigt lite material och köldmedium och det är bra för att minimera den globala uppvärmningen, ” tillägger Patrick Geoghegan.
För att observera effekterna av värme på mikrokanaler hällde forskarna köldmedium genom mikrokanalerna och utsatte dem för ökande mängder värme under en femdagarsperiod. Med hjälp av neutronavbildningsteknik togs sedan bilder av vad som hände inne i mikrokrokanalerna vid olika temperaturer.
Mikrokanalen vilade horisontellt och det förväntades att gravitationen skulle orsaka den flytande delen av köldmedievätskan/ångan att sjunka till botten av kanalen, vilket lämnar mindre yta för värmeöverföring. Men bilderna visade istället att ytspänningen hos mikrokanalen ledde till att köldmedelvätskan stannade kvar i kontakt med kanalens hela insida, vilket innebar att den yta som var tillgänglig för värmeöverföring därmed maximerades.
Det var först vid förhöjda temperaturer som ångan tvingade köldmediet till centrum, vilket innebar det inte längre kunde absorbera och forsla bort värmen från mikrokanalens väggar i lika snabb takt.
“Skönheten med mikrokanaler är att ytspänningen kommer in i bilden, och ytspänning håller köldmediet i kontakt med alla ytor av mikrokanalen, ” konstaterade Patrick Geoghegan. “Det är därför man ser lika mycket köldmedium på såväl topp- som bottenytor. Hela området är fortfarande tillgängligt för värmeöverföring och det är just vad man strävar efter,” fortsatte han.
Med 3D-printning, neutronavbildning och användandet av mikrokanaler, har forskarlaget laget bara påbörjat sina experiment. Patrick Geoghegan har för avsikt att publicera en artikel om forskningsresultaten och planerar att fortsätta experimentera med hur man kan förmå köldmedier i mikrokanaler att arbeta effektivt i hög värme genom att hålla alla ytor fuktade med vätska tills avdunstningen är klar och inte mer vätska återstår.
