Numerical analysis of header related flow maldistributions on micro channel heat exchangers using anisotropic porous media approximation

Abstract

Mikro kanallı ısı değiştiricileri özellikle kısıtlı alanlarda yüksek ısı transfer oranlarının istendiği yerlerde geniş kullanım alanlarına sahiptir. Mikrokanallı ısı değiştiricilerinden en üst düzeyde verim elde edebilmek için akışın eşit dağıtılması önemli bir rol oynar. Kanallarda oluşan eşit olmayan akış dağılımları aynı şekilde eşit olmayan ısıl dağılımlarına neden olmaktadır. Ayrıca mikro kanallı ısı değiştiricileri üretimlerinin çok pratik olmaması sebebiyle deneysel olarak test etmek ve performans ölçümleri yapmak açısından kullanışlı araçlar değillerdir. Bu durum mikro kanalların test edilmeleri ve performans ölçümleri için numerik analizlerin kullanılmalarını daha zorunlu hale getirmiştir. Ancak mikro kanalların küçük ve karmaşık yapıları nedeniyle günümüz de kullanabildiğimiz yüksek kapasiteli bilgisayarlar için bile bu büyük bir işlem gücü demektir. Bu durumda ya mikro kanalın küçük bir kısmı incelenir ya da uzun süren işlemler neticesinde tüm gövde analiz edilir. İlk durum zaman ve işlem tasarrufu sağlasa da tüm gövde analiz edilemediği için tüm gövde analiz edildiğinde elde edilen bilgiyi vermez. İkinci durum ise büyük zaman ve işlem gücü gerektirir. Bu durumlar göz önüne alınarak poroz ortam yaklaşımının 3D kanalları modellemede kullanılabilirliği valide edilmiştir. Poroz ortam yaklaşımı ile 3D analiz arasında performans kıyaslaması yapılmıştır. Bununla birlikte poroz ortam yaklaşımı kullanılarak su girişi tarafında oluşan başlık kaynaklı akış düzensizliklerinin HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri yapılmış ve incelenmiştir. Akış düzensizliklerini en aza indirmek için tasarım önerileri verilmiştir.Microchannel heat exchangers have been used extensively in applications where high heat rejection rates are needed in restricted places. Providing a uniform flow distribution at the inlet of the microchannels plays a crucial role in the efficiency of the heat exchanger. Uneven flow distribution across the microchannels is one of the main concerns leading to uneven heat transfer across the surfaces. Moreover, micro channel heat exchangers are not practically easy to produce devices in case when they are intended to be used in experimental analyses and performance measurements. This situation makes it mandatory to use numerical methods to test and take performance measurements from heat exchangers. Despite the fact that modern computer technology gives the opportunity of having high amount of processing power, the complex structure and high number of elements used in heat exchanger analysis make these computations rather difficult and time consuming. In this case, either a small part of the heat exchanger is analyzed or whole 3D body has to be analyzed. With these problems in mind, usability of porous media approximation in 3D model analyses is validated. Performances of 3D and porous approximated models in terms of computation time and load are compared. A maldistribution on a microchannel is analyzed using porous media approximation for the sake of simplicity and to reduce time. Fluid flow and the heat transfer across the microchannel is investigated. Based on the model results, some design guidelines for the header and channel inlet cross-sections are recommended.