ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΜΑΡΙΑΣ Ν. ΠΑΝΤΖΑΛΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ Α.Π.Θ. ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΜΠΑΓΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΙΦΑΣΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΝΑΝΟΡΕΥΣΤΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009
ΜΑΡΙΑΣ Ν. ΠΑΝΤΖΑΛΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΜΠΑΓΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΙΦΑΣΙΚΗΣ ΡΟΗΣ - ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΝΑΝΟΡΕΥΣΤΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών Α.Π.Θ., Τομέας Ανάλυσης Σχεδιασμού και Ρύθμισης Χημικών Διεργασιών και Εγκαταστάσεων Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 12 Μαρτίου 2009-02-23 Εξεταστική Επιτροπή Αναπλ. Καθηγητής Σ.B. Παράς, Επιβλέπων Καθηγητής Α.Ι. Καράμπελας, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Επικ. Καθηγήτρια Α.Α. Μουζά, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Μ.Ι. Ασσαέλ, Εξεταστής Καθηγητής Γ.Π. Σακελλαρόπουλος, Εξεταστής Αναπλ. Καθηγητής Σ.Γ. Γιάντσιος, Εξεταστής Αναπλ. Καθηγητής Ε.Γ. Καστρινάκης, Εξεταστής
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο τη βελτίωση της αποδοτικότητας των συμπαγών εναλλακτών θερμότητας μελετώντας αφενός το φαινόμενο της πλημμύρισης, όταν χρησιμοποιούνται ως συμπυκνωτές (reflux condensers) και αφετέρου τη δυνατότητα χρήσης νανορευστών ως βοηθητικών ρευστών. Στην περίπτωση των συμπυκνωτών δημιουργείται υγρή στιβάδα στα τοιχώματα του αγωγού, η οποία λόγω της βαρύτητας ρέει προς το κάτω μέρος του, δηλαδή κατ αντιρροή με την ανερχόμενη αέρια φάση. Ως πλημμύριση χαρακτηρίζεται το γεγονός κατά το οποίο η αέρια φάση καταφέρνει να συμπαρασύρει μερικώς ή ολικώς την υγρή προς την κατεύθυνση ροής της. Η παρασκευή στερεών σωματιδίων μεγέθους της τάξης των νανομέτρων (νανοσωματίδια) δημιούργησε τα τελευταία χρόνια ερευνητικό ενδιαφέρον για την αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας συμβατικών ρευστών με προσθήκη νανοσωματιδίων. Τα κολλοειδή αιωρήματα που προκύπτουν, γνωστά ως νανορευστά, παρουσιάζουν σημαντική ενίσχυση της θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με το φέρον ρευστό, με ταυτόχρονη ό- μως μείωση της ειδικής θερμότητας και αύξηση του ιξώδους και της πυκνότητάς τους. Συγκεκριμένα στην παρούσα διατριβή διεξήχθησαν πειράματα: σε κεκλιμένους αγωγούς μικρής διαμέτρου, ώστε να μελετηθεί το φαινόμενο της πλημμύρισης και να αποσαφηνισθεί η επίδραση σημαντικών παραμέτρων στην έναρξη της πλημμύρισης, όπως η διάμετρος, η κλίση του αγωγού καθώς και το ιξώδες και η επιφανειακή τάση της υγρής φάσης, και σε δύο τύπους συμπαγών εναλλακτών θερμότητας με ένα τυπικό νανορευστό ως ψυκτικό μέσο, με σκοπό να αξιολογηθεί η ενεργειακή τους απόδοση. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι τα χαρακτηριστικά της υγρής στιβάδας κατά τη διφασική αντιρροή επηρεάζονται από τις ταχύτητες των δύο φάσεων και η έ- ναρξη της πλημμύρισης αποδίδεται στην αλληλεπίδραση των κυμάτων που διαμορφώνονται και της αέριας φάσης. Παρατηρήθηκε ότι οι καμπύλες πλημμύρισης χαρακτηρίζονται γενικά από τρεις διαφορετικές περιοχές, ανάλογα με την τάση που παρουσιάζει η ταχύτητα πλημμύρισης. Βάσει των πειραματικών δεδομένων διατυπώθηκαν νέοι συσχετισμοί για την πρόβλεψή της στις δύο βασικές περιοχές της καμπύλης πλημμύρισης σε κεκλιμένους αγωγούς μικρής διατομής, καθώς και για τον προσδιορισμό της μετάβασης
ii μεταξύ τους. Οι συσχετισμοί αυτοί αναμένεται ότι θα είναι χρήσιμοι στον προσδιορισμό του εύρους των λειτουργικών συνθηκών για εξοπλισμό με κανάλια μικρών διαστάσεων, όπου υπάρχει αντιρροή υγρής και αέριας φάσης. Γενικά, σε τέτοιες συσκευές, για τις οποίες η πλημμύριση αποτελεί περιοριστικό παράγοντα λειτουργίας, συνιστάται: η χρήση ρευστών χαμηλού ιξώδους και υψηλής επιφανειακής τάσης, η προσθήκη κάποιας επιφανειοδραστικής ουσίας, η σχεδίαση των αγωγών με όσο το δυνατόν μεγαλύτερες διαμέτρους και γωνίες κλίσης μεταξύ 45 ο και 75 ο και η χρήση παροχών που εκμεταλλεύονται την αλλαγή στην κλίση της καμπύλης πλημμύρισης. H επισταμένη μελέτη των νανορευστών (τρόπος παρασκευής, θερμοφυσικές ιδιότητες) έδειξε ότι η ποιότητά τους εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και δεν είναι εύκολο να προβλεφθεί. Αποδείχθηκε ότι η ρεολογική συμπεριφορά τους επηρεάζεται από το είδος των νανοσωματιδίων και τον τρόπο σταθεροποίησης του αιωρήματος. H απόδοση ενός νανορευστού εξαρτάται τόσο από το πεδίο ροής που διαμορφώνεται σε κάθε συσκευή όσο και από το συνδυασμό όλων των θερμοφυσικών του ιδιοτήτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ένα συγκεκριμένο νανορευστό μπορεί να ενισχύει την ενεργειακή απόδοση ενός εναλλάκτη, αλλά να μην έχει σημαντική επίδραση σε κάποιον άλλο. Γενικά, η απόδοση των νανορευστών σε συσκευές μεταφοράς θερμότητας είναι μάλλον σημαντική όταν η ροή είναι στρωτή, ενώ είναι αμελητέα όταν η ροή είναι τυρβώδης. H επιλογή του νανορευστού είναι κρίσιμη, δεδομένου ότι τα ρευστά με σημαντικά ενισχυμένη θερμική αγωγιμότητα και ταυτόχρονα όσο το δυνατόν μικρότερη αλλαγή στο ιξώδες και την ειδική θερμότητα αυξάνουν σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας. Επίσης είναι σημαντικό, εκτός από την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας, να εξετάζεται και η επίδραση στην πτώση πίεσης στις συσκευές αυτές, καθώς το αυξημένο ιξώδες των νανορευστών έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αντλητικής ισχύος. Εν κατακλείδι, η χρήση των νανορευστών μπορεί να βελτιώσει την ενεργειακή απόδοση εναλλακτών μικρών διαστάσεων, όπου ο συνολικός όγκος του εξοπλισμού είναι βασικό μέλημα του σχεδιαστή. H ροή που διαμορφώνεται σε τέτοιου είδους συσκευές δεν είναι έντονα τυρβώδης και, όπως φάνηκε από τα πειράματα (σε εναλλάκτη πλάκας
iii μικρών διαστάσεων), η παροχή του νανορευστού για δεδομένο θερμικό καθήκον μπορεί να είναι χαμηλότερη από αυτή του νερού, μειώνοντας παράλληλα την πτώση πίεσης και κατά συνέπεια την απαίτηση σε αντλητική ισχύ. Βασικά μειονεκτήματα αποτελούν το αυξημένο κόστος προμήθειας των νανορευστών και ο περιορισμένος χρόνος ζωής τους, λόγω κατακάθισης των σωματιδίων μετά από ορισμένο χρόνο χρήσης. Τέλος, με βάση τα μέχρι τώρα δεδομένα δεν ενδείκνυται η χρήση νανορευστών σε βιομηχανικούς εναλλάκτες, όπου απαιτούνται μεγάλες ποσότητες βοηθητικών ρευστών και επικρατεί έντονα τυρβώδης ροή.