Boiling of multicomponent mixtures in confined geometries

Koking er en effektiv varmeoverføring mekanisme og derfor et av de mer populære valgene når det kommer til de høye varmeflukser oppstått i miniatyrisert prosessutstyr som for eksempel mikro-og mini-varmevekslere, mikro-reaktorer og brenselceller. Utviklingen av to-fase mikro-kanalteknologi krever en grundig forståelse av den hydrodynamiske og termiske oppførsel av to-fase strømning i slike lukkede geometrier. Spesielt, med innføring av kjøleblandinger som et alternativ for de ikke-miljøvennlige kjølemidler brukt tidligere, har problemet med å forutsi varmeovergangskoeffisient og varmeoverføringsmekanismer med blandingen kjølemidler blir mer komplekse. Bedre modeller er nødvendig. Fra modellering synspunkt, har forskere rundt om i verden ennå ikke nådd en enighet om de viktigste fysiske mekanismene som dominerer varmeoverførings fenomener i disse systemene. Numeriske simuleringer er mye brukt for å utfylle eksperimentelle og modelleringsstudier og bidra til å bedre forstå den underliggende fysikken under flyt kokende i liten diameter kanaler. Imidlertid har tilgjengelige numeriske teknikker ennå ikke lyktes i å overvinne alle utfordringer som finnes i simulering av to-fasestrømmer, spesielt med faseendring involvert. Dette prosjektet fokuserer på studiet av boble dynamikk innen små diameter kanaler under koking av kuldemedier. Hovedmålet med prosjektet er å forbedre grunnleggende kunnskap om hydrodynamikk av bobble-strømning i mikro-kanaler og effekten i varmeoverførings fenomener. En spektral numerisk løser basert på least-squares metoden og en diffuse grenseflate beskrivelse har blitt utviklet. Her er Navier-Stokes ligningene koplet til Cahn-Hilliard ligningen for å være i stand til å beskrive grenseflatefenomener som koalesens og breakup. For å inkludere fordamping, har vi valgt å bruke Navier-Stokes koblet til Korteweg ligningene. Kodene er validerte og har videre blitt brukt for simuleringen av av en stigende boble og en fallende dråpe, to dråper koalescens, voksende isolerte bobler under fordamping og Taylor bobler som beveger seg i en mikrokanal med og uten fordamping.

** Achieved and potential outcomes and impacts ** A main outcome of the project has been the development of a numerical model based on a phase field method to simulate phase change phenomena. In particular, the new numerical framework based on Navier-Stokes and Korteweg will allow further studies of the physics involved in the evaporation and condensation of bubbles and droplets.

Flow boiling is an efficient heat transfer mechanism and such it is the main choice when it comes to the high heat fluxes encountered in miniaturized process equipment such as micro- and mini-heat exchangers, micro-reactors and fuel cells. The development of two-phase micro-channel technology requires a thorough understanding of the hydrodynamic and thermal behaviour of two-phase flow in such confined geometries. With the introduction of mixture refrigerants as an alternative for the non-environmental fri endly refrigerants previously used, the problem of predicting the heat transfer coefficient and heat transfer mechanisms has become more complex. In particular, the heat transfer coefficient has been reported to be lower than the one predicted by correlat ions from single-component studies. This project will focus on the study of bubble dynamics inside small diameter channels during boiling of multicomponent refrigerants. The focus will be both on a single-bubble growth process and the Taylor bubble flow regime. The main goal of the project is to improve the fundamental knowledge on the hydrodynamics of slug flow in micro-channels and the effect of components diffusion in the heat transfer phenomena. The project will be carried out over a period of 3 years (Jul. 2012 - Jun. 2015), with one PhD and one Postdoc projects included in the proposed research activities. The problem will be investigated in a two-dimensional setup, with bubble growth and/or flow of Taylor bubbles occurring bet ween two parallel heated plates. Channel diameters of 0.5-2mm (typical sizes of compact heat exchangers) will be considered, with constant heat flux as the boundary condition at the solid walls. The numerical models will be implemented using diffuse interface methods together with the least squares method for solving the resulting system of equations.