Microintercambiador de calor

Los microintercambiadores de calor, intercambiadores de calor a microescala o intercambiadores de calor microestructurados son intercambiadores de calor en los que (al menos un) fluido fluye en confinamientos laterales con dimensiones típicas inferiores a 1 mm. Los confinamientos más típicos son los microcanales , que son canales con un diámetro hidráulico inferior a 1 mm. Los intercambiadores de calor de microcanales pueden estar hechos de metal o cerámica. ^[1]

Los intercambiadores de calor de microcanales se pueden utilizar para muchas aplicaciones, entre ellas:

Motores de turbina de gas para aeronaves de alto rendimiento ^[2]
bombas de calor ^[3]
Refrigeración de microprocesadores y microchips ^[4]
Aire acondicionado ^[5]

Fondo

La investigación de dispositivos térmicos a microescala está motivada por la correlación del flujo interno de fase única para la transferencia de calor por convección:

h={\mathit {Nu}}_{c}{\frac {k}{d}}

Donde es el coeficiente de transferencia de calor , es el número de Nusselt , es la conductividad térmica del fluido y es el diámetro hidráulico del canal o conducto. En flujos laminares internos , el número de Nusselt se convierte en una constante. Este es un resultado al que se puede llegar analíticamente: Para el caso de una temperatura de pared constante, y para el caso de flujo de calor constante para tubos redondos. ^[6] El último valor se incrementa a 140/17 = 8,23 para placas paralelas planas. [2] Como el número de Reynolds es proporcional al diámetro hidráulico, el flujo de fluido en canales de pequeño diámetro hidráulico será predominantemente de carácter laminar. Por lo tanto, esta correlación indica que el coeficiente de transferencia de calor aumenta a medida que disminuye el diámetro del canal. Si el diámetro hidráulico en convección forzada es del orden de decenas o cientos de micrómetros, debería resultar un coeficiente de transferencia de calor extremadamente alto. ${\estilo de visualización h}$ ${\mathit {Nu}}_{c}$ ${\estilo de visualización k}$ ${\estilo de visualización d}$ ${\mathit {Nu}}_{c}=3,657$ ${\mathit {Nu}}_{c}=4.364$

Esta hipótesis fue investigada inicialmente por Tuckerman y Pease. ^[7] Sus resultados positivos condujeron a investigaciones posteriores que abarcaron desde investigaciones clásicas de transferencia de calor de un solo canal ^{[8] hasta investigaciones más aplicadas en}intercambiadores de calor de placas y aletas de microcanales paralelos y microescala . El trabajo reciente en el campo se ha centrado en el potencial de los flujos bifásicos a microescala. ^[9]^[10]^[11]

Clasificación

Al igual que los intercambiadores de calor "convencionales" o "de escala macro" , los microintercambiadores de calor tienen uno, dos o incluso tres ^[12] flujos fluídicos. En el caso de un flujo fluídico, el calor se puede transferir al fluido (cada uno de los fluidos puede ser un gas , un líquido o un flujo multifásico ) desde cartuchos calefactores alimentados eléctricamente, o se puede eliminar del fluido mediante elementos alimentados eléctricamente como enfriadores Peltier . En el caso de dos flujos fluídicos, los microintercambiadores de calor se clasifican generalmente por la orientación de los flujos fluídicos con respecto a otro como dispositivos de "flujo cruzado" o " contraflujo ". Si se lleva a cabo una reacción química dentro de un microintercambiador de calor, este último también se denomina microrreactor .

Véase también

Ingeniería de microprocesos

Referencias

^ Kee, Robert J., et al. "El diseño, la fabricación y la evaluación de un intercambiador de calor de microcanales de contraflujo cerámico". Ingeniería térmica aplicada 31.11 (2011): 2004-2012.
^ Northcutt, B., y Mudawar, I. (2012). Diseño mejorado de un módulo intercambiador de calor de microcanales de flujo cruzado para motores de turbina de gas de alto rendimiento para aeronaves. Journal of Heat Transfer, 134(6), 061801.
^ Moallem, E., Padhmanabhan, S., Cremaschi, L. y Fisher, DE (2012). Investigación experimental de los efectos de la temperatura de la superficie y la retención de agua en el rendimiento de congelación de un intercambiador de calor de microcanales compacto para sistemas de bomba de calor. Revista internacional de refrigeración, 35(1), 171-186.
^ Sarvar-Ardeh, S., Rafee, R., Rashidi, S. (2021). Nanofluidos híbridos con propiedades dependientes de la temperatura para su uso en disipadores de calor de microcanales de doble capa; investigación hidrotermal. Revista del Instituto de Ingenieros Químicos de Taiwán. Citar revista https://doi.org/10.1016/j.jtice.2021.05.007
^ Xu, B., Shi, J., Wang, Y., Chen, J., Li, F. y Li, D. (2014). Estudio experimental del rendimiento de ensuciamiento del sistema de aire acondicionado con intercambiador de calor de microcanales.
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[1] Kee, Robert J., et al. "El diseño, la fabricación y la evaluación de un intercambiador de calor de microcanales de contraflujo cerámico". Ingeniería térmica aplicada 31.11 (2011): 2004-2012.

[2] Northcutt, B., y Mudawar, I. (2012). Diseño mejorado de un módulo intercambiador de calor de microcanales de flujo cruzado para motores de turbina de gas de alto rendimiento para aeronaves. Journal of Heat Transfer, 134(6), 061801.

[3] Moallem, E., Padhmanabhan, S., Cremaschi, L. y Fisher, DE (2012). Investigación experimental de los efectos de la temperatura de la superficie y la retención de agua en el rendimiento de congelación de un intercambiador de calor de microcanales compacto para sistemas de bomba de calor. Revista internacional de refrigeración, 35(1), 171-186.

[4] Sarvar-Ardeh, S., Rafee, R., Rashidi, S. (2021). Nanofluidos híbridos con propiedades dependientes de la temperatura para su uso en disipadores de calor de microcanales de doble capa; investigación hidrotermal. Revista del Instituto de Ingenieros Químicos de Taiwán. Citar revista https://doi.org/10.1016/j.jtice.2021.05.007

[5] Xu, B., Shi, J., Wang, Y., Chen, J., Li, F. y Li, D. (2014). Estudio experimental del rendimiento de ensuciamiento del sistema de aire acondicionado con intercambiador de calor de microcanales.

[Convection-6] Incropera & Dewitt ^{[ cita completa necesaria ]}

[Tuckerman-7] Tuckerman, DB; Pease, RFW (1981). "Disipadores térmicos de alto rendimiento para VLSI". IEEE Electron Device Letters . 2 (5): 126–9. Bibcode :1981IEDL....2..126T. doi :10.1109/EDL.1981.25367. S2CID 40590765.^{[ Se necesita una fuente no primaria ]}

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[Kandlikar-10] Steinke, Mark E.; Kandlikar, Satish G. (2004). "Una investigación experimental de las características de ebullición del flujo de agua en microcanales paralelos". Journal of Heat Transfer . 126 (4): 518. doi :10.1115/1.1778187.

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[12] [1] Noel C. Willis, Jr. "Análisis de intercambiadores de calor de flujo cruzado de tres fluidos". Informe técnico de la NASA, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, Washington, DC, mayo de 1968, pág. 53.