Microintercambiador de calor

Los microintercambiadores de calor, los intercambiadores de calor a microescala o los intercambiadores de calor microestructurados son intercambiadores de calor en los que (al menos uno) el fluido fluye en confinamientos laterales con dimensiones típicas inferiores a 1 mm. El confinamiento más típico 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 aviones de alto rendimiento ^[2]
• bombas de calor ^[3]
• Refrigeración de microprocesador y microchip ^[4]
• aire acondicionado ^[5]

Fondo

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

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

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 los flujos laminares internos , el número de Nusselt se vuelve constante. Éste es un resultado al que se puede llegar analíticamente: para el caso de una temperatura de pared constante y para el caso de un flujo de calor constante para tubos redondos. ^[6] El último valor se incrementa a 140/17 = 8,23 para placas planas paralelas.[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 fuera del orden de decenas o cientos de micrómetros, debería producirse un coeficiente de transferencia de calor extremadamente alto. ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle {\mathit {Nu}}_{c}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle {\mathit {Nu}}_{c}=3.657}$ ${\displaystyle {\mathit {Nu}}_{c}=4.364}$

Esta hipótesis fue investigada inicialmente por Tuckerman y Pease. ^[7] Sus resultados positivos llevaron a nuevas investigaciones que van desde investigaciones clásicas de transferencia de calor de un solo canal ^{[8] hasta investigaciones más aplicadas en} intercambiadores de calor de aletas de placas de microcanales y microescala paralelos . Trabajos recientes en este campo se han centrado en el potencial de los flujos de dos fases a microescala. ^{[9] [10] [11]}

Clasificación

Al igual que los intercambiadores de calor "convencionales" o de "macroescala" , 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 calentadores accionados eléctricamente, o eliminarse del fluido mediante elementos accionados eléctricamente como Peltier. enfriadores. En el caso de dos flujos fluídicos, los microintercambiadores de calor suelen clasificarse según la orientación de los flujos fluídicos entre sí como dispositivos de "flujo cruzado" o " contraflujo ". Si una reacción química se lleva a cabo dentro de un microintercambiador de calor, este último también se denomina microreactor .

Ver también

• Ingeniería de microprocesos

Referencias

1. Kee, Robert J. y col. "El diseño, fabricación y evaluación de un intercambiador de calor cerámico de microcanales a contraflujo". Ingeniería Térmica Aplicada 31.11 (2011): 2004-2012.
2. Northcutt, B. y Mudawar, I. (2012). Diseño mejorado del módulo intercambiador de calor de microcanales de flujo cruzado para motores de turbina de gas de aviones de alto rendimiento. Revista de transferencia de calor, 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 escarcha 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 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 comportamiento de incrustaciones de un sistema de aire acondicionado con intercambiador de calor de microcanales.
6. Incropera & Dewitt ^{[ se necesita cita completa ]}
7. Tuckerman, DB; Pease, RFW (1981). "Disipador de calor de alto rendimiento para VLSI". Letras de dispositivos electrónicos IEEE . 2 (5): 126–9. Código Bib : 1981IEDL....2..126T. doi :10.1109/EDL.1981.25367. S2CID  40590765.^{[ se necesita fuente no primaria ]}
8. Santiago, Kenny, Goodson, Zhang ^{[ se necesita cita completa ]}
9. Yen, Tzu-Hsiang; Kasagi, Nobuhide; Suzuki, Yuji (2003). "Transferencia de calor por ebullición por convección forzada en microtubos con bajos flujos de masa y calor". Revista internacional de flujo multifásico . 29 (12): 1771–92. doi :10.1016/j.ijmultiphaseflow.2003.09.004.
10. Steinke, Mark E.; Kandlikar, Satish G. (2004). "Una investigación experimental de las características del flujo de ebullición del agua en microcanales paralelos". Revista de transferencia de calor . 126 (4): 518. doi : 10.1115/1.1778187.
11. Mudawar ^{[ se necesita cita completa ]}
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.