Single-phase fluid flow and heat transfer in microtubes

Abstract

The current experimental investigation focuses on the single-phase flow characteristics inside microtubes, both in adiabatic conditions as with heat input. In the literature, contrasting effects concerning pressure drop and heat transfer are reported that are tied to miniaturization of the flow passage. That is why a systematic variation of conditions has been carried out to evaluate the possible occurrence of anomalies tied to the increased viscous deformation, rarefaction and pressure drop in microchannels. It has been verified that miniaturization of the test section brings about considerable difficulties through altered peripheral conditions: measuring equipment, material thickness and total fluid volume do not scale to the same degree as the characteristic dimension of the system (i.e. the inner diameter of the studied microtube). This can have a substantial effect on the experimental output and accuracy. The findings of this investigation have led to the conclusion that no anomalous phenomena occur solely through reduction of the flow passage down to 30 μm inner diameter. The friction factor for laminar liquid flow in tubes is in agreement with the classic correlation of Hagen-Poiseuille. Up to shear rates of 106 s-1 and a relative roughness of 1%, no alterations could be measured, as also with degassed water flow over a hydrophobic surface. In compressible flow, even a ten-fold pressure drop between inlet and outlet did not evidence significant deviations from the incompressible flow relation for friction. This points to a near-reversible process of expansion under these conditions. No rarefaction effects could be detected in the experiments carried out. In microchannels, the liquid shear rate at the wall is very great, causing irreversible heat production which increases the bulk fluid temperature of the flow. This increase is known as viscous dissipation and is tied directly to the friction at the wall. A derivation is provided, with experimental validation, that shows how the friction factor can be expressed in terms of this temperature rise only. Adding heat input to the microtubes showed that the effect of incongruous scaling can be very disturbing. In laminar flow, a distinct reduction was observed in the heat transfer efficacy of thick-walled glass microtubes compared to thin walled stainless steel tubes of the same inner diameter. The large thermal resistance of the former compared to the small volume of flow causes the heat put in to select preferential paths (through peripheral attachments to the test section), thereby not reaching the fluid-wall interface completely, falsifying the assumed experimental conditions. Otherwise, a strong heat transfer improvement was observed in the thermal development region, recommending the use of short microchannels in single-phase heat exchanging applications, providing the added benefit of reduced head loss. In turbulent flow, no significant deviations were found with respect to the predictions of the - conventional - Gnielinski correlation for the heat transfer coefficient.

Die in dieser Arbeit beschriebenen experimentellen Untersuchungen befassen sich mit einphasigen adiabatischen und diabatischen Strömungen in Mikrorohren. In der Literatur sind widersprüchliche Ergebnisse bezüglich der Auswirkung eines verkleinerten Strömungsquerschnitts veröffentlicht worden. Daher wurden Untersuchungen unter systematisch veränderten Randbedingungen durchgeführt, um das mögliche Auftreten von Anomalien im Zusammenhang mit erhöhter viskoser Strömungsdeformation , Strömungsverdünnung und Druckabfall in Mikrokanälen zu beurteilen. Die Verkleinerung einer Teststrecke verursacht erhebliche Probleme aufgrund der veränderten äußeren Bedingungen. Zum Beispiel sind die Dimensionen der eingesetzten Messgeräte, die Materialstärken und die Fluidvolumina nicht im selben Maße skalierbar wie die charakteristische Dimension der Teststrecke, d.h. der Innendurchmesser des Mikrokanals. Dies kann substantielle Auswirkungen auf die experimentellen Ergebnisse und deren Genauigkeit haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben zu der Schlußfolgerung geführt, daß bis zu einem Innendurchmesser von 30 μm keine ungewöhnlichen Phänomene nur aufgrund der Verringerung des Strömungsquerschnitts auftreten. Der Reibungsfaktor bei laminarer Fluidströmung stimmt mit der klassische Korrelation von Hagen-Poiseuille überein. Dies gilt bis zu Schergeschwindigkeiten von 106 s-1 und einer relativen Rauhigkeit von 1%, sowie bei Strömung von entgastem Wasser über eine hydrophobe Oberfläche. Kompressible Gasströmungen, sogar mit einem Druckabfall im Bereich einer 10er Potenz zwischen Ein- und Ausgang, zeigen keine signifikanten Abweichungen von Ergebnissen der Rohrreibungsgleichung für inkompressible Strömung. Dies deutet auf einen quasi-reversiblen Expansionvorgang unter diesen Bedingungen hin. In den durchgeführten Versuchen konnte keine Strömungsverdünnung beobachtet werden. In Mikrokanälen ist die Schergeschwindigkeit von Flüssigkeiten an der Wand sehr hoch, was eine irreversible Wärmeproduktion verursacht und zu einer Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur führt. Dieser Temperaturanstieg wird als viskose Dissipation bezeichnet und steht in direktem Zusammenhang mit der Wandreibung. Es wurde abgeleitet und experimentell validiert wie die Rohrreibungszahl allein bezogen auf diese Temperaturerhöhung ausgedrückt werden kann. Die Zufuhr von Wärme in Mikrokanäle hat gezeigt, daß eine unverhältnismäßige Skalierung sehr störend sein kann. Bei laminaren Strömungen wurde in dickwandigen Glasrohren, im Vergleich mit dünnwandige Edelstahlrohren mit gleichem Innendurchmesser, eine deutliche Verringerung der Wärmeübertragungeffizienz festgestellt. Bei Ersteren wird die eingebrachte Wärme zu einem guten Teil durch periphere Anschlüsse an der Teststrecke abgeleitet, wodurch nicht die gesamte Wärmemenge an der Heizwand-Fluidgrenzfläche zur Verfügung steht; damit werden die Versuchsbedingungen verfälscht. Andererseits wurde eine starke Verbesserung der Wärmeübertragung in der thermischen Einlaufstrecke beobachtet. Daher empfiehlt sich der Einsatz von kurzen Mikrokanälen für einphasige Wärmeübertragungsanwendungen, was zusätzlich auch den auftretenden Druckabfall reduziert. Bei turbulenter Strömung wurden keine signifikanten Abweichungen von der konventionellen Gnielinski-Korrelation zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten gefunden.