Efficient thermal transport: a study of single-phase, phase-change and supercritical heat transfer

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Hobold, Gustavo Marques
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/198086
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.
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spelling Efficient thermal transport: a study of single-phase, phase-change and supercritical heat transferEngenharia mecânicaCalorAprendizado do computadorEbuliçãoExtração com fluído supercríticoDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.Dispositivos de transferência de calor são ubíquos na indústria de energia, com aplicações que envolvem desde sistemas de resfriamento de equipamentos eletrônicos em ambientes compactos, a até plantas de geração de potência, sejam elas de fonte solar, fóssil, nuclear ou geotérmica. Tendo em vista a vasta aplicação desses dispositivos, os fluidos de trabalho envolvidos em processos de transferência de calor operam em extensas faixas de estados termodinâmicos, tanto em fase única (líquido ou vapor), quanto em mudança de fase e, mais recentemente, em estados supercríticos. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo a investigação da otimização e controle de transferência de calor em fase única, em mudança de fase, e envolvendo fluidos supercríticos, além de suas aplicações. Inicialmente, uma técnica de otimização topológica é apresentada, a qual é utilizada para análise fenomenológica de distribuições ótimas de fluxo de calor e de porosidade que maximizam a performance de trocadores de calor, com e sem meios porosos. Mostra-se que é possível reduzir a temperatura máxima de um canal aquecido em até 20 % através do melhor posicionamento das fontes de calor, em até 19 % através da distribuição espacial de uma matriz porosa, a qual guia o escoamento sem afetar a queda de pressão. Embora sejam diversas as aplicações que necessitam de trocadores de fase única, o coeficiente de transferência de calor nessas situações é fundamentalmente limitado. A transferência de calor por mudança de fase, por outro lado, apresenta altíssimos coeficientes de transferência de calor, em particular por durante ebulição. No entanto, dispositivos operando neste regime apresentam fortes limitações práticas no que se refere ao fluxo de calor máximo no qual o sistema pode ser operado, estando relacionado com a crise de ebulição. A fim de garantir a operação segura em alto fluxo, este trabalho apresenta uma metodologia baseada em aprendizado de máquina e inteligência artificial capaz de identificar a transição de regimes de ebulição e quantificar o fluxo de calor baseado através de visualização não-intrusiva, em baixa resolução, e em baixa velocidade. É mostrado que é possível criar um algoritmo que, através da visualização, consegue classificar regimes de ebulição com até 99 % de acurácia, além de ser possível estimar o fluxo de calor através da visualização com 13 % de erro. Adicionalmente, essa metodologia pode ser utilizada para prever a transição de ebulição nucleada para ebulição em filme em menos de 10 segundos, com grande potencial de melhoria. Sistemas operando a pressões elevadas, embora não estejam sujeitos a mudança de fase e, assim como ebulição, apresentam coeficientes de transmissão de calor elevados quando operando sob condições específicas, comumente relacionadas à variação de propriedades termodinâmicas. Nesse contexto, este trabalho apresenta uma generalização do comportamento termohidráulico de fluidos supercríticos, a qual pode ser utilizada para o estudo fenomenológico de transferência de calor próxima ao ponto crítico e utilizada para encontrar os parâmetros operacionais que maximizam seu desempenho térmico. Essa formulação é utilizada para mostrar que as condições ótimas de operação de trocadores operando com fluidos supercríticos pode ser generalizada. Finalmente, o trabalho explora como a intensificação de transmissão de calor quando combinada a grande capacidade térmica de fluidos supercrítico pode ser utilizada para o desenvolvimento de sistemas de armazenamento térmico de alta densidade energética e alta potência, os quais possuem parâmetros de desempenho comparáveis a tecnologias comerciais (densidade energética de 50 kWh/m³), porém com condutância aproximadamente uma ordem de magnitude superior.Abstract : Heat transfer devices are ubiquitous in the energy industry, with applications that range from electronic chip cooling in compact environments, to power generation plants, including solar, fossil, nuclear, or geothermal as their heat source. Given the vast application of these devices, the working fluids involved in the heat transfer process operate in a wide range of thermodynamic states, from single-phase (liquid or vapor), to phase-change and, more recently, in supercritical state. Therefore, the goal of this work is to investigate the optimization and control of heat transfer in single-, multi-phase, and involving supercritical fluids, and their potential applications. Initially, a topology optimization technique is presented, which is then used for a phenomenological analysis of optimal heat flux and porosity distributions that maximize the performance of single-phase heat exchangers, with and without porous matrixes. Even though there are multiple applications that require single-phase heat exchangers, the heat transfer coefficient in this regime is fundamentally limited. It is shown that it is possible to reduce the maximum temperature of a heated channel by up to 20 % by better placement of heat sources, and by up to 19 % by spatially distributing a porous matrix, without affecting the pressure drop. Phase-change heat transfer, on the other hand, can offer very high heat transfer coefficients, particularly during boiling. However, devices operating in this regime have strong practical limitations related to the maximum heat flux, which is related to the onset of film boiling. To guarantee heater health at high heat fluxes, this document presents a methodology based on machine learning and artificial intelligence that is capable of identifying the transition between boiling regimes and of quantifying the heat flux through non-intrusive, low speed, and low resolution visualization. It is shown that it is possible to create an algorithm that, through visualizationm is capable of classifying boiling regimes with up to 99 % accuracy, and estimate heat flux through visualization with an error as low as 13 %. Additionally, this technology can be used to predict the transition from nucleate to film boiling in less than 10 seconds, with great potential for improvement. Systems operating at much larger pressures, despite not being subjected to phase change, can offer high heat transfer coefficients similarly to boiling heat transfer when operating under specific conditions, commonly related to the thermophysical property variations. Therefore, this document presents a generalization of the thermohydraulic behavior of supercritical fluids, which can be used for heat transfer phenomenological investigation near the critical point, and find optimal operating conditions that maximize their thermal performance. This formulation is used to show that the optimal operating conditions for heat exchangers operating with supercritical fluids can be generalized. Finally, this work explores how the heat transfer enhancement when combined with the increased heat capacity of supercritical fluids can be used for the design of high energy and power density thermal energy systems, which have performance parameters comparable to current commercial technology (energy density of around 50 kWh/m³), but with a conductance approximately one order of magnitude larger.Silva, Alexandre Kupka daUniversidade Federal de Santa CatarinaHobold, Gustavo Marques2019-07-25T11:31:54Z2019-07-25T11:31:54Z2018info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis328 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf356985https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/198086engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2019-07-25T11:31:55Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/198086Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732019-07-25T11:31:55Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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