Strona główna
English version

Laboratorium wymiany ciepła podczas przepływu płynu przez mini przestrzenie

Jednostka: Katedra Mechaniki Opiekun: dr hab. inż. Magdalena Piasecka, adiunkt
Adres: ul. Państwa Polskiego 7, budynek B, pomieszczenie nr 3.11, 25-314 Kielce E-mail: tmpmj@tu.kielce.pl
WWW: Telefon:
NazwaName
Laboratorium wymiany ciepła podczas przepływu płynu przez mini przestrzenieLaboratory of heat transfer during fluid flow in mini gaps
Opis/specyfikacjaDescription/Specification
Stanowisko badawcze do badania wymiany ciepła podczas przepływu płynu
Obiegi realizowane na stanowisku pomiarowym:
Obieg główny czynnika roboczego, zawiera następujące podstawowe elementy: moduł pomiarowy z minikanałem, pompa przepływowa wirnikowa, regulator ciśnienia pełniący funkcję zbiornika wyrównawczego, wymiennik ciepła typu rura w rurze, chłodzony wodą, filtr, zespół rotametrów oraz separator powietrza. Układ uzupełniają dwa przetworniki ciśnienia, zainstalowane na wlocie i wylocie do/z kanału. W rozwiązaniu konstrukcyjnym możliwe jest pochylanie kanału w pełnym zakresie.
Obieg wspomagający – „kalibracyjny” jest wykorzystywany do kalibracji barwy powierzchni grzejnej kanału względem odpowiadającej jej temperatury, co jest niezbędne przy stosowaniu w badaniach techniki termografii ciekłokrystalicznej. Jest to zamknięty obieg wody, który uruchamiany jest przed właściwymi badaniami wymiany ciepła. Składają się na niego: pompa wirnikowa, przepływowy podgrzewacz wody, filtry oraz separator powietrza.
Powierzchnia (folia) grzejna w module pomiarowym jest zasilana spawarką inwertorową z płynną regulacją prądu (do 300 A). Regulację i kontrolę układu prądowego zapewniają: bocznik, amperomierz, woltomierz oraz autotransformator.
Sekcja pomiarowa
W module pomiarowym znajduje się minikanał o przekroju prostokątnym, o regulowanej głębokości z zakresu 0,5÷2 mm, szerokości 40 i 60 mm i długości 360 mm, przez który przepływa płyn chłodniczy (FC-72, Novec 7100). Orientacja przestrzenną modułu jest regulowana. O głębokości kanału decyduje grubość zastosowanej przekładki. Zastosowano dwa podstawowe rodzaje powierzchni rozwiniętych, uzyskanych z różnych procesów technologicznych: teksturowania laserowego i elektroerozjii.
Szyby szklane (wzierniki) w module testowym umożliwiają prowadzenie obserwacji, w tym: barwy wskazywanej przez ciekłe kryształy po stronie gładkiej powierzchni folii grzejnej od strony szyby, która umożliwia detekcję rozkładu temperatury na powierzchni folii dzięki termografii ciekłokrystalicznej oraz struktur przepływu dwufazowego oraz zjawisk towarzyszących wrzeniu, obserwowanych poprzez szybę od strony rozwiniętej powierzchni folii podczas przepływu płynu w kanale.
W kanałach wlotowym i wylotowym minikanału modułu pomiarowego, zainstalowano termopary typu K. Na wlocie i wylocie do/z kanału dokonywany jest pomiar nadciśnienia za pomocą przetworników ciśnienia.
Main loops at the experimental stand:
- test section with a minichannel, rotary pump, compensating tank/pressure regulator, tube-type heat exchanger, filters, rotameters, deaerator, pressure regulators, a heater with an electric heater element, inverter welder, shunt, ammeter, voltemeter, autotransformer

Data and image acquisition system:
- test section, digital camera, digital SLR camera, lighting system, data acquisition station, laptop
Zagadnienia specjalistyczneFields of expertise/specialization
Aktualnie badania dot. wymiany ciepła przy wrzeniu w przepływie płynu chłodniczego, a sekcja pomiarowa obejmuje układ z minikanałem prostokątnym o gładkiej lub rozwiniętej powierzchni grzejnej, o zmiennej orientacji przestrzennej.
W badaniach wykorzystywana jest termografia ciekłokrystaliczna do detekcji dwuwymiarowego pola temperatury powierzchni grzejnej oraz wizualizacja struktur przepływu.
Heat transfer research during fluid flow in mini gaps
Prowadzone badania i ich potencjalne zastosowaniaConducted research activities with potential application/use
W badaniach eksperymentalnych i teoretycznych skoncentrowano się na zagadnieniach rozwoju wrzenia pęcherzykowego podczas przepływu czynnika chłodniczego w minikanale o przekroju prostokątnym. Badania wykonywane są przy zwiększaniu i zmniejszaniu gęstości strumienia ciepła dostarczanego do asymetrycznie ogrzewanego kanału, o głębokości z zakresu 0,7÷1,5 mm, szerokości 40 i 60 mm (podstawowa 40 mm) oraz różnej orientacji przestrzennej. W badaniach stosowany jest grzejnik gładki oraz jednostronnie rozwinięty, o różnym stopniu rozwinięcia powierzchni. Jako podstawowy czynnik roboczy w obiegu głównym stanowiska zastosowano fluorową ciecz organiczną – Fluorinert FC-72 oraz ekologiczny czynnik, jakim jest Novec 7100 (nowy czynnik firmy 3M).
Na stanowisku badawczym wykorzystywane są symultanicznie dwa układy akwizycji obrazu:
a) z aparatem cyfrowym do identyfikacji dwuwymiarowych pól temperatury – układ wykorzystujący metodę termografii ciekłokrystalicznej, za pomocą której dokonywany jest dokładny, powtarzalny pomiar rozkładu temperatury na powierzchni grzejnej, na podstawie rejestrowanego rozkładu jej barwy;
b) z aparatem cyfrowym – lustrzanką i specjalistycznym oprogramowaniem do obróbki obrazu, celem identyfikacji oraz badania rozwoju struktur przepływu dwufazowego i oceny stopnia zapełnienia.
Podczas doświadczeń rejestrowane są lokalne zmiany następujących parametrów cieplno-przepływowych, w stanach ustalonych:
 natężenie przepływu płynu w kanale;
 (nad)ciśnienie na wlocie i wylocie do/z kanału;
 temperatura na wlocie i wylocie do/z kanału;
 natężenie prądu i spadek napięcia na folii grzejnej, z których wyznacza się gęstość strumienia ciepła na powierzchni grzejnej;
 kolorowe cyfrowe obrazy – termografy z aparatu cyfrowego – do analizy pola temperatury powierzchni grzejnej;
 czarno-białe obrazy z aparatu cyfrowego – lustrzanki – do identyfikacji struktur przepływu dwufazowego.
Dane doświadczalne gromadzone sa w postaci cyfrowej do dalszej analizy.
Podstawowe wielkości wyznaczane:
 dwuwymiarowy rozkład temperatury powierzchni grzejnej,
 stopień zapełnienia i stopień suchości dla przepływu dwufazowego,
 mapy struktur przepływu dwufazowego,
 rozkład temperatury badanej cieczy oraz ciśnienia wzdłuż długości kanału,
 eksperymentalny spadek ciśnienia podczas przepływu płynu przez kanał oraz wyznaczany teoretycznie z wykorzystaniem istniejących modeli spadku ciśnienia w przepływie dwufazowym,
 lokalne wartości współczynnika przejmowania ciepła przy wykorzystaniu jednowymiarowego przybliżenia przepływu ciepła przez główne elementy modułu pomiarowego.
Program badań eksperymentalnych obejmuje badania struktur przepływu dwufazowego cieczy wrzącej w kanale, na podstawie analizy obrazów wysokiej rozdzielczości (uzyskanych z aparatu cyfrowego) oraz wyznaczenie dwuwymiarowych rozkładów temperatury na folii grzejnej (przy wykorzystaniu termografii ciekłokrystalicznej) w funkcji zmian następujących parametrów:
a) geometrycznych, w tym:
 głębokości/szerokości kanału,
 kąta ustawienia kanału w stosunku do poziomu;
b) cieplno-przepływowych, w tym:
 gęstości strumienia ciepła, zarówno dla zwiększania, jak i zmniejszania jego wartości, celem detekcji zjawiska histerezy,
 gęstości strumienia masy (masowej prędkości przepływu),
 ciśnienia na wlocie do kanału,
 oporów przepływu.
W badaniach jako powierzchnię grzejną kanału, przez który przepływała ciecz robocza, zastosowano dotychczas folię z superstopu Haynes-230, gładką lub jednostronnie rozwiniętą (od strony płynu w kanale), o dwóch podstawowych rodzajach rozwinięcia:
a) z mikrowgłębieniami rozmieszczonymi równomiernie, wykonanymi metodą teksturowania laserowego,
b) z minigłębieniami rozmieszczonymi nierównomiernie, wykonanymi metodą elektroerozji.
Program badań teoretycznych obejmuje:
 analizę procesów wymiany ciepła w kanale w powiązaniu z charakterem obserwowanych struktur dwufazowych przy wrzeniu w przepływie;
 rozpoznanie struktur przepływu oraz określenie udziałów fazy ciekłej i parowej, na podstawie badań obrazów uzyskanych za pomocą aparatu cyfrowego; wyznaczenie stopnia zapełnienia fazy parowej oraz stopnia suchości w funkcji zmiennej orientacji przestrzennej kanału;
 skonstruowanie map struktur przepływu dwufazowego w różnych położeniach przestrzennych kanału;
 określenie związku parametrów cieplno-przepływowych z charakterem obserwowanych struktur dwufazowych przy wrzeniu w przepływie;
 analizę spadku ciśnienia podczas przepływu dwufazowego, na podstawie danych eksperymentalnych i dostępnych w literaturze modeli (homogeniczny, rozdzielony);
 wyznaczenie eksperymentalnych krzywych wrzenia przy zwiększaniu i zmniejszaniu strumienia ciepła dostarczanego do powierzchni grzejnej; analizę jakościową uzyskanych krzywych wrzenia ze szczególnym uwzględnieniem wpływu orientacji przestrzennej i zastosowanych powierzchni rozwiniętych;
 wyznaczenie współczynnika przejmowania ciepła na ogrzewanej powierzchni (folia rozwinięta od strony płynu w kanale) przy zmiennych następujących parametrach: strumieniu masy cieczy wrzącej, ciśnieniu cieczy w kanale oraz zmiennej geometrii (głębokości i szerokości kanału) i orientacji przestrzennej kanału;
 sformułowanie nowego równania kryterialnego opisującego wymianę ciepła podczas rozwoju wrzenia w przepływie w minikanale;
 porównanie wyników badań wymiany ciepła przy wrzeniu w przepływie z danymi dla wrzenia w objętości, przy zastosowaniu powierzchni grzejnej rozwiniętej o zbliżonych parametrach geometrycznych;
 porównanie wyników własnych z wybranymi pozycjami z literatury.
Wyniki badań służą jako wytyczne do projektowania efektywnych wymienników ciepła z minikanałami.
Experimental stand for heat transfer during fluid flow in mini gaps

The flow loop consists of: the test section, the rotary pump, the compensating tank, the heat exchanger, the filter, rotameters and the deaerator. The data and image acquisition system with digital cameras, a data acquisition station, a computer with specialized software and lighting systems are the essential parts of the research equipment.
The test section with a minichannel 0.5-2 mm deep, 40 mm wide and 360 mm long, oriented differently, is the most important part of the system. The heating element for FC-72 flowing in the minichannel is cooling liquid FC-72 or Novec 7100. The foil is plain or microstructured on one side and in direct contact with the fluid flowing in the channel. Two types of microstructured heating surfaces were used. One surface had evenly distributed micro-recesses, and the other had unevenly distributed mini-recesses. The micro-recesses were made by laser drilling. A spark erosion technique was used to produce mini-recesses. It is possible to observe the channel surfaces through two glass panes. One pane allows observing foil temperature changes owing to a liquid crystal layer deposited on the plain side of the foil. The other glass plane allows conducting two-phase flow visualization on the microstructured foil side. K-type thermocouples are installed at the inlet and outlet of the minichannel.
Wykaz aparaturyList of scientific and research equipment/apparatus
sekcja testowa z minikanałem
pompa cyrkulacyjna
rotametry f. Omega
przetworniki ciśnienia f. Introl
stacja akwizycji danych pomiarowych DaqBoard 2005
spawarka inwertorowa
aparat cyfrowy Canon PowerShot G-11
aparat cyfrowy lustrzanka Canon EOS 550D

Stanowisko eksperymentalne do badania wymiany ciepła podczas przepływu płynu przez mini przestrzenie
test section with a minichannel
circular pump
rotameters f. Omega
pressure converters f. Introl
data acquisition station DaqBoard 2005
inverter welder
digital camera Canon PowerShot G-11
digital SLR camera Canon EOS 550D

Experimental stand for heat transfer research during fluid flow in mini gapsa

Przyznane certyfikacje i akredytacjeGranted certification/acreditation
brakluck
Realizacje (3 najważniejsze z ostatnich 3 lat)Realized contracts, works etc. (3 chosen from last 3 years)
Stanowisko wykorzystano w ramach:
- granty badawcze::
1) Projekt badawczy NCN, umowa nr UMO-2013/09/B/ST8/02825, pt. Wpływ rozwiniętych powierzchni grzejnych na wymianę ciepła przy wrzeniu w przepływie przez mini przestrzenie; kierownik: dr inż. M. Piasecka, czas trwania: 04.2013 - 04.2017 r.
2) Projekt badawczy MNiSW/NCN, grant nr N N512 354037 pt. Analiza wrzenia w przepływie przez mini kanały prostokątne; kierownik: dr inż. M. Piasecka, czas trwania: 10.2009 - 04.2013 r.
- realizacji niektórych badań w programach stażowych :
1) „INWENCJA – Potencjał młodych naukowców oraz transfer wiedzy i innowacji wsparciem dla kluczowych dziedzin świętokrzyskiej gospodarki”, projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, okres realizacji projektu: 17.05.2012 r. – 31.03.2013 r.
2) „INWENCJA II – Transfer wiedzy, technologii i innowacji wsparciem dla kluczowych specjalizacji świętokrzyskiej gospodarki i konkurencyjności przedsiębiorstw", projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, okres realizacji projektu: 17.11.2013 r. – 17.06.2014 r.

Experimental stand used in realization of the following works:
- research projects:
1) Research Project of the Ministry and Higher Education, No. N N512 354037, project duration 2009-2013
2) Research Project of the National Scientific Center granted on the basis of decision No DEC-2013/09/B/ST8/02825, titled Effect of Enhanced Heating Surfaces on Flow Boiling Heat Transfer in Mini Spaces, project duration 2014-2017
- the internship projects:
1) the internship project "INVENTION: Potential of Young Researchers, Know-How and Innovation as Support for Key Areas in Economy in Świętokrzyskie Region" co-financed by EU under the European Social Fund, time frame 1 January 2011-31 March 2013
2) the internship project „INVENTION II", co-financed by EU under the European Social Fund, time frame: 17.11.2013 r. – 17.06.2014 r.
ReferencjeReferences
prace podane w sekcji Realizacjeworks shown in section Realized contracts, projects, works
Słowa kluczoweDziedziny nauki
5.12 Technika cieplna
5.13 Energetyka cieplna