Investigation of microchannels heat exchangers for condensers

Abstract

There are limited types of condenser types/designs in the market although there are many distinct heat exchangers available. One reason is related to the complexity of the phase-change mechanism and how it is affected by the geometric parameters of the heat exchanger. Technological requirements force the size of any component to become smaller and condensers are no exception for this trend. However, there is a limit for scaling down the current condensers, and their compactness cannot be decreased due to their serpentine design. The transition from serpentine designs to parallel microchannels is promising as the required coolant volume would decrease significantly for the same cooling due to enhanced heat exchange surface area. However, parallel channel designs are challenging to implement due to irregularities in pressure distribution which would yield phase change and condensation temperature significantly. In the present thesis, a microchannel heat exchanger was selected and the imperfections related to the pressure distribution irregularities were progressively developed numerically. Geometrical parameters were optimized to eliminate the flow maldistribution resulted from non-homogeneous pressure distribution in the condenser. The effects of header shape (from rectangular to tapered) on flow uniformity are not dramatic. Then, manifold channels were relocated with given protrusion depths which were optimized using an iterative approach. Relocating the channels enables the pressure uniformity. Finally, the condensation behavior of the design developed with the aim of enabling uniform flow resistance was documented. Under the given operational conditions, three different height channel design is 100% condensed R410a from the vapor phase into the liquid phase. A and B design were condensed the refrigerant fluid in a low Reynolds number meanwhile, C design was condensed in a high range of Reynold number. All in all, effects of maldistribution on flow regime were tried to be eliminated with new geometric design approaches and condensation effect in new geometries was able to be seen 100% at low flow rates.

Günümüzde termal sistemlerin çoğunda kullanılan ısı değiştiricilerinin piyasada birçok farklı türü bulunmakla birlikte az sayıda kısmı yoğuşturucu olarak kullanılmaktadır. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte cihazların küçülme eğilimi, ısı değiştiricilerinin de günden güne daha kompakt hale gelmesini sağlamıştır. Mevcut yoğuşturucuları ölçeklendirmek için bir sınır vardır ve serpantin tasarımları nedeniyle boyutları daha fazla azaltılamaz. Serpantin tasarımlarından paralel mikro kanallara geçiş, artan yüzey alanı nedeniyle aynı soğutma için gerekli soğutma sıvısı hacminin büyük ölçüde azalacağı için umut vericidir. Bununla birlikte, paralel kanal tasarımı, büyük ölçüde faz değişimi ve yoğunlaşma sıcaklığına neden olacak basınç dağılımındaki düzensizlikler nedeniyle uygulanması zordur. Bu çalışmada, bir mikro kanallı ısı eşanjörü seçilmiş ve basınç dağılımı düzensizlikleri ile ilgili kusurlar sayısal olarak aşamalı olarak giderilmiştir. Yoğuşturucudaki homojen olmayan basınç dağılımı sonucu oluşan akış düzensizlikleri geometrik parametreler kullanılarak optimize edilmiştir. Dikdörtgen formda olan ısı değiştiricisinin manifoldunun konik forma çevrilmesiyle akış düzensizliğinde küçük bir etki görülmüştür. Başka bir yaklaşım olan manifoldun içindeki kanalların yeniden konumlandırılma uygulaması yapılmıştır. Yeniden konumlandırma sonucu oluşan çıkıntı derinliği seri denemelerin sonucunda optimum hale getirildi ve bunun akış dağılımına yoğun etki gösterdiği gözlemlenmiştir. Çalışmada seçilen değerler sonucunda akışkanın %100'ü, buhar fazından sıvı fazına yoğunlaştığı gözlemlenmiştir. A ve B tasarımları düşük Reynolds sayılarında %100 yoğuşma sağlarken C tasarımı daha geniş Reynolds sayılarında da yoğuşma sağlamaktadır. Sonuç olarak, akış bozukluğunun akışa olan etkisi yeni geometrik tasarım yaklaşımlarıyla ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır ve yeni ısı değiştiricisi geometrisinde yoğuşma etkisi düşük debili akışlarda %100 oranında görülmüştür.