Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 1 MINISTERUL EDUCAIEI, TINERETULUI I SPORTULUI UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANA FACULTATEA DE CONSTRUCII MODELAREA TERMOFLUIDICA UNUI MICROSCHIMBTORDE CLDUR N CURENT NCRUCIAT REZUMAT TEZ DE DOCTORAT CONDUCTOR TIINIFICProf. univ. dr. ing. DUMITRU ION ARSENIE DOCTORAND,Leonte (cs. Avram) Elena - Rita Constana 2011 Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 2 Comisia de susinere public a tezei de doctorat numit prinDecizia Rectorului Universitii Ovidius din Constanta nr. 14 din 21.01.2011, nregistrat cu nr. 762/27.01.2011, are urmtoarea componen: Preedinte: Prof. univ. dr. ing. Virgil BREABN, Universitatea Ovidius Constana Membri: Prof. dr. ing. Alexandru MOREGA, Universitatea Politehnica Bucureti Prof. dr. ing. Sava PORNEAL, Universitatea Dunrea de Jos Galai Prof. dr. ing. Mihai FLOREA, Universitatea Ovidius Constana Prof. univ. dr. ing. Dumitreu Ion ARSENIE, Universitatea Ovidius Constana Susinere public:Facultatea de Construcii a Universitii Ovidius Constana 25 februarie 2011, ora 11:00Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 3 CUPRINS: INTRODUCERE__________________________________________________________________________________________5 OBIECTIVE I SCOP _____________________________________________________________________________________5 CAPITOLUL 1: STADIUL ACTUAL N DOMENIUL MICROTEHNOLOGIILOR I INGINERIA MICROPROCESELOR___6 1.1 Introducere ______________________________________________________________________ 6 1.2. Aplicaii ale microtehnologiilor _____________________________________________________ 6 1.3. Tehnici pentru obinerea microstructurilor ___________________________________________ 7 1.3.1 Tehnici de obinere a straturilor subiri ___________________________________________________ 7 1.3.2 Tehnici pentru straturi groase ___________________________________________________________ 7 1.3.3 Tehnicile de depunere din faz lichid ____________________________________________________ 7 1.4. Metode de fabricaie care folosesc tehnici utilizate n tehnologia microproceselor - micromecanica ______________________________________________________________________ 7 1.4.1 Metoda LIGA ________________________________________________________________________ 7 1.4.2 Tehnica de dopare_____________________________________________________________________ 7 1.4.3 Tehnica de litografiere _________________________________________________________________ 7 1.4.4 Tehnica de fotolitogravur______________________________________________________________ 7 1.4.5 Metode de microprelucrare _____________________________________________________________ 7 1.4.6 Tehnici de corodare ___________________________________________________________________ 7 1.5. Procedee tehnologice de prelucrare a microsistemelor __________________________________ 8 1.5.1 Prelucrarea cu fascicul de electroni ______________________________________________________ 8 1.5.2 Sudarea prin difuzie ___________________________________________________________________ 8 1.5.3 Sinterizare selectiv cu laser ____________________________________________________________ 8 1.6 Tehnologii de realizare a unui microschimbtor de cldur ______________________________ 8 1.6.1 Cercetri efectuate n domeniul fabricrii microschimbtoarelor de cldur _____________________ 8 1.6.2 Procese de fabricare a microcanalelor pentru un microschimbtor de cldur ___________________ 8 1.6.3 Fabricarea unui microschimbtor de cldur compact n curent ncruciat______________________ 8 1.7 Concluzii i observaii preliminare___________________________________________________ 8 CAPITOLUL 2: ANALIZA DIMENSIONAL I ELEMENTE DE TEORIA SIMILITUDINII APLICATE MICROCANALELOR______________________________________________________________________________________9 2.1 Aspecte privind stadiul actual al studiilor i cercetrilor n domeniul transferului de cldur prin microcanale_____________________________________________________________________ 9 2.2 Modelarea matematic a procesului de curgere cu transfer de cldur prin mini i microcanale 9 2.3 Consideraii teoretice privind analiza dimensional i teoria simulitudinii _________________ 10 2.4 Dezvoltarea unei metode de analiz dimensional utiliznd teoria similitudinii pentru curgerea cu transfer de cldur prin microcanale ________________________________________________ 10 2.5 Concluzii privind rezultatele obinute folosind metoda de analiz dimensional ____________ 12 CAPITOLUL 3: CERCETRI EXPERIMENTALE CU PRIVIRE LA STUDIUL CURGERII FLUIDELOR FR TRANSFER DE CLDUR PRIN CANALE CAPILARE. ANALIZ COMPARATIV CU REZULTATE TEORETICE _______________13 3.1 Consideraii teoretice asupra curgerii n capilare circulare _____________________________ 13 3.2 Stand pentru investigaii experimentale asupra curgerii fluidelor prin conducte capilare ____ 16 3.3 Rezultate experimetale pentru curgerea prin conducte capilare de 1mm, 1,5 mm, 2mm, 2,5mm i 3 mm i interpretarea acestora ________________________________________________________ 16 3.3.1 Rezultate experimentale privind curgerea prin conducta cu diametrul interior de 0,001 m: ________ 17 3.3.2 Rezultate experimentale privind curgerea prin conducta cu diametrul interior de 0,0015 m: _______ 17 3.3.3 Rezultate experimentale privind curgerea prin conducta cu diametrul interior de 0,002 m: ________ 17 Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 4 3.3.4 Rezultate experimentale privind curgerea prin conducta cu diametrul interior de 0,0025 m: _______ 17 3.3.5 Rezultate experimentale privind curgerea prin conducta cu diametrul interior de 0,003 m: ________ 17 3.4 Concluzii privind curgerea prin canale capilare cu diametrul interior de 0,001 m, 0,0015 m, 0,002 m, 0,0025 i 0,003 m i comparaie cu rezultate obinute n literatura de specialitate_______ 18 CAPITOLUL 4: CERCETRI EXPERIMENTALE CU PRIVIRE LA STUDIUL CURGERII FLUIDELOR CU TRANSFER DE CLDUR PRINTR-UN SCHIMBTOR DE CLDUR EAV N EAV. ANALIZ COMPARATIV CU REZULTATE TEORETICE____________________________________________________________________________________________19 4.1 Consideraii teoretice asupra curgerii cu transfer termic n capilare circulare______________ 19 4.2 Ecuaiile difereniale care descriu matematic procesul de curgere nsoit de transfer termic prin convecie monofazic prin conductele capilare ale unui schimbtor de cldur ________________ 20 4.3 Stand pentru realizarea diferitelor regimuri de curgere prin schimbtorul de cldur coaxial 21 4.4 Rezultate experimentale privind curgerea monofazic nsoit de transfer de cldur prin schimbtorul de cldur eav n eav, format din conducte capilare de 1mm, 1,5 mm, 2mm, 2,5 mm i 3 mm i interpretarea acestora __________________________________________________ 21 Pentru verificarea corectitudinii calculelor, cunoscndu-se fluxul termic transferat se calculeaz temperatura de ieire a fluidului i pe baza acesteia, erorile de calcul. ____________________________________________ 22 4.5 Concluzii cu privire la procesul de curgere nsoit de transfer termic prin conducte capilare i comparaii cu rezultate experimentale raportate n literatura de specialitate__________________ 22 CAPITOLUL 5: MODELAREA CU METODE NUMERICE A CMPULUI TERMIC I A CURGERII FLUIDELOR PRIN MINI I MICROCANALE. MODELAREA I SIMULAREA PROCESULUI DE CURGERE MONOFAZIC CU SCHIMB DE CLDUR PRIN MICROCANALE CU AJUTORUL PROGRAMULUI ANSYS CFX _________________________________23 5.1 Metoda elementului finit __________________________________________________________ 24 5.1.1 Formularea modelului elementului finit pentru cmpul termic conductiv ______________________ 24 5.1.3 Modelul nestaionar al transferului de cldur ____________________________________________ 25 5.1.4 Funcii de aproximare a cmpului termic_________________________________________________ 25 5.1.5 Modelarea procesului termic conductiv prin microschimbtorul de cldur ____________________ 26 5.1.6 Model numeric ______________________________________________________________________ 26 5.1.Determinarea distribuiei de temperatur n pretele unui microschimbtor de cldur prin metoda elementului finit __________________________________________________________________________ 26 5.2 Metoda diferenelor finite pentru conducia termic staionar __________________________ 27 5.2.1 Determinarea distribuiei cmpului de temperaturi n peretele unui microcanal al unui schimbtor de cldur prin metoda diferenelor finite ___________________________________________________ 28 5.3 Modelarea i simularea procesului de curgere monofazic cu schimb de cldur prin microcanale cu ajutorul programului ANSYS CFX_______________________________________ 28 5.3.1 Calculul CFD _______________________________________________________________________ 28 5.3.2 Descrierea arhitecturii ANSYS CFX_____________________________________________________ 28 5.4 Rezultate obinute n urma simulrii curgerii cu transfer de cldur printr-un microschimbtor de cldur _________________________________________________________________________ 29 5.5 Valorificarea rezultatelor _________________________________________________________ 29 CAPITOLUL 6: CONCLUZII FINALE I CONTRIBUII _______________________________________________________30 BIBLIOGRAFIE SELECTIV _____________________________________________________________________________33 Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 5 INTRODUCERE n ultimii ani, au fost deschise noi frontiere pentru domeniul microtehnologiilor prin gsirea de metode avansate deproduceredesistemeiechipamenteavansatededimensiunifoartereduse,ajungndpnlaniveldemicroni.De cele mai multe ori constituie o provocare nelegerea sistemelor inginereti, a modului de maximizare a performanelor acestora prin minimizarea costului, a dimensiunilor i a necesarului de energie.Curgereafluidelorprincanalereprezintundomeniucentralpentrufoartemultesistemenaturaleiartificiale, iartransferuldecldurimasserealizeazprinperei,attnsistemelebiologice,precumcreier,plmni,rinichi, intestine,vasedesnge,ctinsistemeleartificialecaischimbtoaredecldur,reactoarenucleare,unitide separare a aerului, etc.nFiguranr.1[28]suntreprezentatecategoriidecanalefolositendiversesisteme.Estefoarteimportantde menionatcsistemelebiologicencareaulocprocesedetransportdemasutilizeazcanalelecudimensiunilecele mai mici, n timp ce, canalele cu dimensiuni mari sunt ntrebuinate pentru trasportul fluidelor. Figura nr. 1 Categorii de canale utilizate n diverse sisteme OBIECTIVE I SCOP Scopul tezei l reprezint dezvoltarea unui uneimetodologii inovative de abordarea modelrii hidraulice i a proceselor de transfer de cldur n microschimbtoare de cldur. OBIECTIVELE TEZEI Obiectivele tezei de doctorat sunt urmtoarele: a)Fundamentareateoreticprivindstadiulactualipersepctivelededezvoltarendomeniulmicrosistemelori microtehnologiilorcuscopuloptimizriisistemelorlascarmacroprinintegrareasistemelormicrocu funcionare optim, n special cele care se refer la microschimbtoare de cldur; b)Dezvoltareauneimetodedeanalizdimensionalutilizndteoriasimilitudiniipentrucurgereaprin microcanale; c)Planificarea investigrii experimentale; d)Conceperea standului pentru cercetri experimentale; e)Realizarea unui model experimental n vederea validrii modelului fizico-matematic;f)Analiza comparativ a rezultatelor obinute experimental cu cele raportate n literatura de specialitate; g)Adaptareaecuaiilordecurgereiaschemelordediscretizarelacondiiileconcretedecurgereprin microcanale ; h)Simulareaproceselor termofluidice cuajutorul programului desimulare i modelare ANSYS CFX, cu privire la distribuia cmpului de viteze i temperaturi prin microcanale. Lucrarea cuprinde peste 200 pagini, 67 tabele, 126 figuri i 130 referine bibliografice. Teza este structurat pe 6 capitole care acoper obiectivele propuse spre rezolvare, dup cum urmeaz: Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 6 CAPITOLUL 1: Stadiul actual n domeniul microtehnologiilor i ingineria microproceselornprimulcapitolseprezinttendineleactualealecercetriindomeniulabordat,aplicaiile microtehnologiilor,tehnicile,metodeledefabricaieiprocedeeletehnologicedeprelucrareamicrosistemelor.Un accent deosebit se acord cercetrilor i a tehnologiei de fabricaie a microschimbtoarelor de cldur.CAPITOLUL 2: Analiza dimensional i elemente de teoria similitudinii aplicate microcanalelor nprimaparteaacestuicapitolsuntprezentateinformaiiteoretice,oferitedeliteraturadespecialitate,cu privire la stadiul actual al cercetrilor n domeniul curgerii fluidelor i a transferului termic prin mini i microcanale. Al doilea subcapitol argumenteaz teoretic problematica legat de analiza dimensional i teoria similitudinii i dezvolt o metod de analiz dimensional utiliznd teoria similitudinii pentru curgerea prin microcanale. CAPITOLUL 3: Cercetri experimentale cu privire la studiul curgerii fluidelor fr transfer de cldur prin canale capilare. Analiz comparativ cu rezultate teoretice Acestcapitolcuprinderezultatelecercetrilorexperimentaleasupracurgeriifluidelorprinminiconductefr schimb de cldur, pentru pierderi liniare de sarcin cu valori cuprinse de la 0,2 m pn la 61 m. n prima parte a acestui capitol se analizeaz aspectele legate de regimul de curgere, rugozitate, strat limit i se prezint modalitile de calcul i relaiile de calcul pentru coeficientul de pierdere de sarcin liniar, care va fi definit n relaia (44). n partea a doua a capitoluluiseprezintndetaliustandulpentruinvestigaiileexperimentale,seanalizeazrezultateleobinutecare valideaz modelul fizico-matematic i se face o analiz comparativ cu rezultatele teoretice. CAPITOLUL 4:Cercetriexperimentalecuprivirela studiulcurgerii fluidelor cutransferde cldur printr-unschimbtordecldurcuevicoaxiale.Compararearezultatelorexperimentalecucele teoretice nacestcapitolsuntprezentateattstandulpentrucercetriexperimentale,cticercetrileexperimentale efectuatepentruunschimbtordecldurevicoaxiale,utilizndcafluiduldelucruapacudiametreleconductelor circularecuprinsentre1mmi3mm.nultimaparteacapitoluluisuntanalizaterezultateleobinutecarevalideaz modelul fizico-matematic, care sunt comparate cu rezultatele teoretice.CAPITOLUL5:Modelareacumetodenumericeacmpuluitermiciacurgeriifluidelorprinminii microcanale.Modelareaisimulareaprocesuluidecurgeremonofaziccuschimbdecldurprin microcanale cu ajutorul programului ANSYS CFX n acest capitol sunt abordatenoiuni teoretice privind modelarea matematic prin metoda elementului finit i diferenelor finite. Se determin distribuia de temperatur n peretele unui microschimbtor de cldur utiliznd metoda elementuluifinit,iarprinmetodadiferenelorfinitesedetermindistribuiacmpuluidetemperaturincanalulunui microschimbtor de cldur.Discretizareaecuaiilorcaredescriuprocesuldetransferdeclduricurgereafluiduluiafostrealizatcu ajutorulprogramuluiANSYSCFX.Capitolulincluderezultatelesimulriitermofluidiceprinmicrocanaleleunui microschimbtor de cldur cu privire la distribuia cmpului de viteze, la procesele cuplate termofluidice i distribuia cmpului de temperaturi. nfinalulcapitoluluisuntprezentatemodalitiledevalorificarearezultatelorobinutepeparcursulstudiului, carese concretizeazprindefinirea unuialgoritmpentruproiectarea schimbtoarelordeclduri aunorconceptede dezvoltare de aplicaii pentru studenii masteranzi i doctoranzi. CAPITOLUL 6: Concluzii finale i contribuiin acest capitol sunt prezentate concluziile finale i se identific noi direcii de cercetare. Fiecarecapitolcuprindecteunsubcapitoldeconcluziipariale,iarlucrareasencheiecuuncapitolde concluzii generale privitoare la studiile i cercetrile experimentale realizate i puncteaz contribuiile autoarei. CAPITOLUL 1: STADIUL ACTUAL N DOMENIUL MICROTEHNOLOGIILOR I INGINERIA MICROPROCESELOR 1.1 Introducere Actualmente cercetrile sunt orientate tot mai mult spre studiul a ceea ce se petrece n lumea microsistemelor, iar majoritateaproduselorarfideneconceputfrutilizareatehnologiilormicrosistemelor,acestfaptdeseorinefiind contientizat de utilizatori.1.2. Aplicaii ale microtehnologiilornmodevident,microsistemeleacoperundomeniulargdeaplicaiindomeniulmedical,ndiagnosticarei terapie,prinsenzoridemsurareatensiuniiarteriale,sistemedestimulareamuchilor,senzoridetensiunearterial Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 7 implantai, microinstrumente, proteze, stimulatoare cardiace. n anul 2008, mai mult de 70 de milioane de autovehicule au fost fabricate n lumea ntreag; ele fiind echipate cu sisteme de control i siguran din ce n ce mai complicate.1.3. Tehnici pentru obinerea microstructurilor Majoritatea microtehnicilor provin din microelectronic i din tehnologiile convenionale de senzori i actuatori[22]. Metodele de obinere a straturilor pot fi mprite n trei categorii:a)tehnici de straturi subiri,b)tehnici de straturi groase,c)tehnici de depunere din faz lichid.1.3.1 Tehnici de obinere a straturilor subiri Metoda cea mai des folosit n tehnologia straturilor subirio constituie n prezent, depunerea chimic din faza devapori(ChemicalVapourDeposition-CVD).Metodelededepunerechimicastraturilorprezintavantaje importantefadealtemetodedeoarecedepunereastratuluipoatefiexactcontrolatreferitorlagrosimeai caracteristicile lui fizice, iar puritatea materialului folosit la depunere este foarte mare isunt folosite pe scar larg n industrie.[42]. Metodele de structurare prin laser au o vitez limitat de procesare, ceea ce le fac nepotrivite pentru producia de mas a sistemelor complexe[20].1.3.2 Tehnici pentru straturi groaseAcestetehnicisuntfolositenmodobinuitnmicroelectronicpentruproducereadestraturiconductoarei izolatoare pe circuite imprimate. [22]. 1.3.3 Tehnicile de depunere din faz lichid Metodelededepuneredinfazlichidpotfolosiprincipiigalvanice,deacoperireprincentrifugaresau catalitice[22],[5]. 1.4. Metode de fabricaie care folosesc tehnici utilizate n tehnologia microproceselor - micromecanica Micromecanicaadevenitotehnologieacceptatimultedispozitivemicromecaniceigsescaplicaii industriale.Micromecanicaseocupcumetodeledefabricaiecarefolosesctehniciutilizatentehnologia microsistemelorspeciale,cumarfidoparea,litografia,corodareanplasminsoluie,micromodelarea,pentrua produce piese mici, de dimensiunea micronilor. 1.4.1 Metoda LIGA MetodaLIGA foloseteoabordare fundamentaldiferitila rndul eipoate fifolositpentru producereaunui larg spectru de componente diferite [22]. Tehnicile de strat i tehnicile de structurare micromecanic, cum ar fi doparea, litografia i corodarea, permit producerea att a circuitelor electronice foarte mici ct i a structurilor mecanice [5]. 1.4.2 Tehnica de dopare n cadrul procesului de dopare, atomii dopani sunt introdui ntr-un substrat de siliciu, ntr-un mod definit, astfel nct se formeaz straturi conductoare n sau p, care joac un rol important n componentele semiconductoare. [34].ncazulmicrotehnologiilorsefolosescdoumetodededopare:difuziaiimplantareaionic.ncazulmetodei difuziei, plachetele de siliciu sunt puse ntr-un cuptor n care are loc procesul de difuzie [42],[22]. 1.4.3 Tehnica de litografiere Litografia este folosit la pregtirea unei plachete-substrat pentru stadiile ulterioare de procesare. Litografia este celmaicriticinacelaitimpcelmaicostisitordintreproceselemicromecanice,jucndunrolcheienproduciade mas a microcomponentelor [5], [30]. 1.4.4 Tehnica de fotolitogravur Fotolitogravuraesteotehnicfotograficutilizatlatransferulmodeluluipesuprafaaunuisubtrat-suport,de obicei siliciu [22]. 1.4.5 Metode de microprelucrare Microcomponentelepotfiobinuteprinmicroprelucraredevolumsaudesuprafa[5].Microprelucrareade suprafa utilizeaz straturi depuse sau crescute pe substrat pentru a fabrica dispozitive micromecanice. [47]. 1.4.6 Tehnici de corodare Prin corodare sunt ndeprtate straturile expuse de fotorezist de pe plachet i straturile depuse (rezist pozitiv). O proprietate caracteristic a corodrii este c poate produce diferite rezultate n diferite direcii ale materialului procesat[22].Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 8 1.5. Procedee tehnologice de prelucrare a microsistemelor 1.5.1 Prelucrarea cu fascicul de electroniPrintreprocedeeletehnologicecelemaimodernesenumrfolosireafascicululuideelectronipentrutopirea, gurirea, sudarea, evaporarea i rafinarea metalelor. Procedeul s-a extins foarte repede n multe domenii industriale. 1.5.2 Sudarea prin difuzieSudareaprindifuzieesteunprocedeudesudareprin presiune nstaresolidla care mbinareaseproduceprin interaciunea la nivel atomic dintre cele dou materiale de sudat i difuzia reciproc prin suprafaa de separare. [13]. 1.5.3 Sinterizare selectiv cu laser O aplicaie important a sinterizrii metalelor cu ajutorul laserului este producia de microcomponente i matrie.1.6 Tehnologii de realizare a unui microschimbtor de cldur 1.6.1 Cercetri efectuate n domeniul fabricrii microschimbtoarelor de cldur Studiile cu privire la transferul de cldur la nivel micro au nceput acum aproape 30 de ani [50] prin fabricarea i testarea unui radiator termic de nalt performan rcit cu ap. Pe o suprafaa de 1 cm2 a fost msurat un flux termic de 790W/cm2, pentru o diferen de temperatur de 71 C i o rezisten termic de 0,09 C/W. n anul 1986[21] s-au studiatperformaneleunuimicroschimbtordecldurncurentncruciatcudimensiuneacanalelorde300m adncimei400mlime,fabricatefolosindtehnologiadefotocorodareaplcuelordetitancorugat,obinndun coeficientvolumetric deschimbde cldur maimaredect 7MW/m3K, iun coeficientglobalde schimb decldur, maimaredect4kW/m2K,performanecareevideniazcaracterulcurgeriilaminareasociatemicrocanalelor.nanul 1998,cercettoridincadrulCentuluideCercetariNuclearedinKarlsruhe(CCNK)audezvoltatncooperarecu companiaMesserschmitt-Blohm(MBB),otehnologiemecaniccuprivirelafabricarealascarcomercialamicro ajutajelor de separare folosite n procesul de separare a izotopilor de uraniu 235 mbogit[12]. Astfel,nanul1990afostdezvoltatometodmecanicdefabricareamicrocanalelorpentru microschimbtoareledecldur,fiindgeneratunmodelprintiereadenaltpreciziecumicrodiamanteprofilate, urmate de lipirea foielor n care s-au realizat aceste microcanale [10], obinndu-se astfel, corpul microschimbtorului de cldur. Rezultatele confirm c este posibil tranferul unui flux termic aproape 20 kW, ntr-un volum de 1 m3, pentru o diferen logaritmic medie de temperatura de 60 C.1.6.2 Procese de fabricare a microcanalelor pentru un microschimbtor de cldurDintreproceseledefabricaiedebazalemicroschimbtoarelordecldurpotfienumerateurmtoarele: sinterizare selectiv cu laser, microprelucrare, sudare prin difuziune, stereolitografiere, corodare chimic, LIGA. 1.6.3 Fabricarea unui microschimbtor de cldur compact n curent ncruciatEtapele fabricrii unui micro schimbtor de cldur sunt urmtoarele: (1)Prelucrarea suprafeei foieide tabl, cufoilede tabl fie fixateprinvacuumpeoplacdebaz din metal sinterizat, fie tensionate n jurul discului cilindric al unei maini de frezat; (2)Aranjarea foielor de tabl tiate la dimensiune, una peste cealalt; (3)Fixarea fasciculului de foie de tablntre dou plci; (4)Asamblarea conexiunilor. 1.7 Concluzii i observaii preliminare Dinstudiulprezentatpnacumsepoateconcluzionacoptimizareasistemelorlascarmacrointegreaz sisteme micro cu funcionare optim. n consecin, optimizarea la scar micro, respectiv eficientizarea termofluidic a proceselor la nivelul micro canalelor ce alctuiesc microschimbtoarele de cldur sunt fundamentale.Potenialeaplicaiiaacestormicroschimbtoaredeclduraufostconceputepentruutilizrispeciale,unde evident,trebuieasiguratonaltpuritateacelordoufluidedelucru.Folosireamicroschimbtoarelordecaldur compactearputeafiaplicatndomeniileundesecerputeridetransfermaricugreutiidimensiunimici,cade exemplu n tehnologia aerospaial, industria chimic, industria automobilelor i a microelectronicii.n acest sens, a fost dezvoltat o varietate de dispozitive microstructurate, fabricate ca i prototipuri sau n forme standardizatenseriemic.Ulterior,aufostobinuteattrezultateexperimentaleasupratransferuluidecaldurprin microcanale, ct i cu privire la sigurana dispozitivelor microstructurate cnd se folosesc amestecuri de gaze explozive. Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 9 CAPITOLUL 2: ANALIZA DIMENSIONAL I ELEMENTE DE TEORIA SIMILITUDINII APLICATE MICROCANALELOR 2.1 Aspecte privind stadiul actual al studiilor i cercetrilor n domeniul transferului de cldur prin microcanale Oficial, microcanalele pot fi definite ca fiind acele canale ale cror dimensiuni sunt mai mici dect un milimetru i mai mari decat un micron. Peste un milimetru caracterul curgerii este la fel ca la majoritatea fluidelor macroscopice. Mai jos de un micron, curgerea este mai bine caracterizat ca fiind nanoscopic.Deexemplu,dispozitivuldinFiguranr.2esteunschimbtordecldurncurentncruciatconstruitdintr-un fasciculde 50 de foie cu dimensiunea de 14 mmx 14 mm, fiecare foi dinoel inoxidabil coninnd24 de canale cu limeade200m,adncimeade100migrosimeade200m,obinuteprintr-unprocesdirectdemicroachiere mecanic[14]. Figura nr. 2: Microschimbtorul de cldur construit din canale dreptunghiulare prelucrate prin microachiere n metal[11] Direciacurgeriinfoieleadiacenteestealternatla90,iarfoielesuntsuprapusecuajutorulsuduriiprin difuzie n vederea obinerii unui fascicul de microschimbtor de cldur n curent ncruciat, capabil s transfere 10 kW la o diferen de temperatur de 80 K, folosind un debit de ap de 750 kg/h. Fluxul de transfer termic impresionant este realizat n principal de suprafaa mare din interiorul microcanalelor: aproximativ 3600 mm2 ntr-un volum de 14 mm3. Avantajul principal al acestor echipamente la scara micro l constituie att o bun asemnare din punct de vedere alscriistructurilorbiologice,ctialpotenialuluideaplasamultiplefunciipentruanalizechimicepeosuprafa mic,deexpempluconceptulunuilaboratorchimicpeuncip.Curgereafluidelornechipamentelebiologicein microechipamentele de analize chimice sunt de obicei, mai reduse dect cele din microechipamentele de transfer termic i reactoare chimice [37]. 2.2 Modelarea matematic a procesului de curgere cu transfer de cldur prin mini i microcanale Descrierea general n ipoteza continuului a curgerii unui fluidnewtonian incompresibil cu proprieti variabile sub aciunea numai a forelor gravitaionale const n urmtoarele ecuaii: -ecuaia de continuitate pentru un fluid incompresibil: 3 , 2 , 1 , 0 = =jxujj (1) -ecuaia de micare: ijijjijifx xuutu +=|||

\|+,(2) unde tensorul de vscozitate este dat de Legea lui Stokes privind vscozitatea |||

\|++ =ijjiij ijxuxup ,(3) unde- ij este tensorul de vscozitate; ui este componenta pe direcia i a vectorului vitez) , ( t x ur r; este densitatea [kg/m3],fi esteforaunitarmasic[m/s2],decelemaimulteorifiindacceleraiagravitaional,estevscozitateadinamic, [Pas]. Ecuaia de transfer termic este [38]: Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 10 +=|||

\|+jjjj pxqxTutTc ,(4) unde: -Testetemperatura,[K],qestefluxultermicexprimatprin[W/m2],datdelegeaconducieitermicealui Fourier: iixTq = , (5) - reprezint gradul de conversie al energiei mecanice n cldur datorit nclzirii interne vscoase (funcia de disipare vscoas), avnd urmtoarea form: jiijjixuxuxu|||

\|+= (6) Se consider un canal cu direcia axei (Ox) de-a lungul axei canalului, iar coordonatele y i z n plan perpendicular pe axa canalului. Cmpul de viteze este unidirecional,) 0 , 0 ), , ( ( ) ( z y u x u =r.2.3 Consideraii teoretice privind analiza dimensional i teoria simulitudinii Teoriasimilitudiniiseafllagraniadintrelaturateoreticaunuifenomenirezultateleexperimentale determinatenlegturcuacesta,fiindodisciplintiinificdesintez,reprezentndprimatreaptnprocesulde abstractizare a gndirii omeneti, care pstreaz similitudinea fizic dintre prototip i model. Obiectul teoriei similitudinii l constituie formularea unor condiii generale n studiul fenomenelor similare, care spermitutilizareanpracticaunorrelaiiteoreticesubformamaisimplaunorformuleadimensionalesaus simplifice studiul experimental al fenomenelor prin reducerea numrului de variabile care trebuie s fie studiate pentru cunoaterea satisfctoare a fenomenului cercetat[19]. 2.4Dezvoltareauneimetodedeanalizdimensionalutilizndteoriasimilitudiniipentrucurgereacu transfer de cldur prin microcanale Metodadeanalizdimensionalutilizndteoriasimilitudiniipentrucurgereacutransferdecldurprin microcanale, este urmtoarea:1.Elaborarea unei teorii a fenomenului fizic: se consider un proces de convecie forat monofazic la curgerea unui fluid cu viteza u printr-o eav cu diametrul d. 2.Stabilirea ecuaiilor difereniale care guverneaz fenomenul fizic: ecuaiile (1), (2), (4). 3.Identificareavariabilelorcareintervinnfenomenulfizic:mas,lungimeaconductei,temperatur,timp, diametrul interior al conductei, grosimea stratului limit,vitez, cdere de presiune, densitate, cldur specific lapresiuneconstant,vscozitateadinamic,vscozitateacinematic,conductivitatetermic,difuzivitate termic, coeficientul de convecie,4.Se selecteaz cele n mrimi care descriu univoc fenomenul, pornindu-se de la ecuaiile difereniale i condiiile de determinare univoc ale fenomenului. Procesul de transfer de cldur i mas este influenat n principal de 7 variabile (n=7) care sunt prezentate n tabelul urmtor: Mrime fizicSimbolSistemul SISistemul dimensional MLT Diametrul interior al conducteid mL Vitezum/sLT-1 Densitatekg/m3ML-3 Cldur specific la presiune constantcp J/(kgK)L2T-2-1 Vscozitatea dinamic(Ns)m2ML-1T-1 Conductivitate termicW/(mK)MLT-3-1 Coeficientul de convecieW/(m2K)MT-3-1 Tabel nr. 1 Mrimile care influeneaz procesul de transfer de cldur i mas 5.Se construiete matricea dimensional care este de forma: VariabileExponeni ducp M0010111 L11-32-110 Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 11 T0-10-2-1-3-3 000-10-1-1 Tabel nr. 2 Matricea dimensional 6.Pentruastabilinumruldecriteriisedeterminrangulmatriceidimensionale. 0 1-1 0 0 0-2 0 -1 02 -3 1 10 1 0 0 = = Pentru acest determinant rezult c rangul este 4 i deci numrul de criterii independente va fi: 7-4=3. 7.Se admite c fenomenul poate fi descris printr-o relaie matematic, adic exist o funcie( ) 0 , ,3 2 1= fsau) , (3 2 1 = f8.Se consider o relaie de dependen ntre mrimi dat de un produs de exponeniale, de form general , pentru stabilirea expresiei fiecruia dintre cele 3 criterii: Se pune condiia ca relaia de mai sus s fie dimensional omogen.Se ajunge la relaia:sau, n forma grupurilor adimensionale: 9.Prin identificare direct, se obin cele trei grupuri dimensionale: Se recunosc criteriile Nusselt, Reynolds i Prandtl. Folosind analiza dimensional, relaia funcional dintre cei 7 parametri se transform ntr-o relaie mult mai simplu de cercetat experimental, de forma: d bC Nu Pr Re =(11) Trebuie avut nvedere c n aceste condiii niciunul din criteriile de similitudine nuva conine parametrii care intr n argumentele funciilor transcendente. Din acest motiv este obligatoriu ca s se includ n mulimea criteriilor de similitudine i argumentele funciilor transcendente. Dac argumentele sunt sume algebrice, atunci fiecare din termenii sumelor va fi un criteriu de similitudine.Exist4scrifundamentalentrecare,dacposibilitiledemodelarearfiinfinitenuarexistarelaii matematice,deciprincipialarfiindependente.Fiecareconstantfiziccenusemodeleazreprezintorelaientre acestescrideaceea,defaptmodelareaesteimportantisuntemobligaiastfelsnclcmanumitereguli,adic unele din criteriile care apar n ecuaia criterial nu vor fi satisfcute. n acest caz, se caut s se pstreze totui ca unic scar independent scara lungimilor.llmL = (12) Deexemplu,dacseconsidercmodeluliprototipulutilizeazacelaifluid,atuncidensitatea[]=ML-3, vscozitatea dinamic []= ML-1T-1 i conductivitea termic []= MLT-3-1 sunt constante, i se poate scrie:3 31L M L M = = = (13) g f e dpc b ac u d = (7) dpbcd uCd|||

\| |||

\| = (8) ) , (3 2 1 = f(9) pcd u dNu= = = = = = Pr ; Re ;3 2 1 (10) Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 12 unde, scara densitilor, M scara maselor, L scara lungimilor. = = = = 2 1 1 3 1 11 1L T T L L T L M (14) unde, scara vscozitii dinamice; T scara timpului. = = = = 21 6 3 1 311 1LL L L T L M (15) unde, scara conductivitii termice; scara temperaturilor. Dac n procesul de curgere, rezistenele care se opun curgerii sunt determinate de frecri i c vscozitatea este determinant pentru regimulhidrodinamic, modelarease face din condiia de similitudinedintre model i prototip care implic egalitatea: mRe Re =sau mm m md u d u=(16) Dac se noteaz raportul de scar cu : llddm mL= = (17) i rapoartele mrimilor corespondente cum= ;m= ;uumu = (18) Se obin urmtoarele ecuaii de modelare L mmmmudduu= = =(19) Mrimea u vapermitecalcululvitezeiu dinprototipcunoscndviteza mu dinmodel.Funciedevitezse calculeaz debitul volumic i cderea de presiune: unde =/ vscozitatea cinematic 222L Lm mmmpllddpp=|||

\|== (21) Pentru sisteme care folosesc acelai fluid n model i prototip = 1 respectiv =1 i ecuaia de modelare se simplific: Lmuuu1= = (22) Mrimeauvapermitecalcululvitezeiu dinprototipcunoscndviteza mu dinmodel.Funciedevitezse calculeaz debitul volumic i cderea de presiune: 2.5 Concluzii privind rezultatele obinute folosind metoda de analiz dimensional Curgerea fluidelor n echipamentele la scar microscopic difer de cea la scar macroscopic din dou motive: lascarmic,efectelemoleculare,precumceledealunecareaparticulelorfadeperete,devinmaiimportantei amplificvaloareaanumitorefectecontinuesimple(comune)lavaloriextreme.nmicrocanale,raportulvitezelor,u esteinversproporionalcucelalscriidelungimeL.nmodsimilarsemodificiscaraaceleraiilor.Efectuleste LL mLm mVfddA uA u = = = =2244(20) LffmVfVV = =&& i 21Lmppp ==(23) Modelarea termofluidic a unui microschimbtor de cldur n curent ncruciat Tez de doctorat _________________________________________________________________________________________________________________ Conductor tiinific, Doctorand, Prof. dr. ing. Dumitru Ion ARSENIELeonte (cs. Avram) Elena - Rita 13 accentuat prin meninerea aceluiai debit volumic n timp ce scara se micoreaz, iar pierderea de presiune devine foarte mare n canale cu seciuni foarte mici. Pentru acelai fluid, gradientul de presiune creste de ordinul L2. n microcanale, numrul Reynolds tinde s fie mic, ceea ce implic curgeri laminare.Pe baza rezultatelor obinute, se concluzioneaz c principiile similitudinii pot fi folosite n microfluidic pentru modelareaunuisistemlascarmicrocuajutorulunuisistemfiziclascarmini,ceeacepermiteanalizacurgeriiprin microcanale.Modelulexperimentalvaconstanstudiulcurgeriicuifrtransferdecldurprinconductecudimensiuni curpinse ntre 1 mm i 3mm, cofecionate din materiale diferite. Sevorstudiacaracterisiticilecurgeriiprinacesteconductecapilarencondiiisimulatedepierderidesarcin liniardela0,04mpnla61m.Studiultransferuluitermicprinacesteconductesevaefectuanaceleaicondiii simulate de pierderi de sarcin liniar de la 0,04 m pn la 61 m, printr-un schimbtor de cldur eav-n eav. CAPITOLUL 3: CERCETRI EXPERIMENTALE CU PRIVIRE LA STUDIUL CURGERII FLUIDELOR FR TRANSFER DE CLDUR PRIN CANALE CAPILARE. ANALIZ COMPARATIV CU REZULTATE TEORETICE 3.1 Consideraii teoretice asupra curgerii n capilare circulare Curgereaprinconductecirculareesteexemplulperfectpentrucurgereaprintoatetipuriledecanalei conducte.Independent, att Hagen, ct i Poiseuille auobservat relaia dintre presiunea hidrostatic i vitez care sunt invers proportionale cu puterea a patra a diametrului tubului[46]. Stabilirea regimului de curgere se face cu ajutorul criteriului dimensional Reynolds, dat de expresia: sl u= Re (24) Criteriul Reynolds (Re) caracterizeaz regimul de curgere al fluidului i se definete ca raportul dintre forele deinerieiforeledevscozitatepentruunitateadevolumdefluid.NumrulReynolsestedefinit,nfunciede lungimea caracteristic ls, mrime care depinde de geometria curgerii. Pentrufluidelecarecurgprinconductedrepte,nfunciederegimuldecurgere,criteriulReynoldsare urmtoarele domenii de valabilitate:pentru regimul laminar Re < 2320;pentru regimul turbulent Re >10.000;pentru regimul tranzitoriu 2320 < Re 4000, valorile determinate experimental pentru coeficienii de pierdere liniar de sarcin au valori conforme cu valorile calculate cu relaiile Blasius i Prandtl Karman. n toate cazurile, pentru valori 4000 < Re < 10/, unde = k/d curgerea este turbulent, iar rugozitatea absolut echivalent k este mai mic dect stratul limit, , ceea ce nseamn c stratul vscosde baz nc acoper asperitile pereteluiconductei, deci fluidulcurgecaprintr-o conduct netediprinurmare seconfirm ctoatecele 5conducte testate se comport ca i conducte netede hidraulic.n Figura nr. 4este reprezentat grafic dependena numrului Reynolds de pierderea liniar de sarcin pentru toate cele 5 conducte testate. Se observtendina de cretere a numrului Reynolds, cu creterea diametrului conductei i a pierderii liniare de sarcin. Reprezentare grafica a numarului Reynolds, functie de pierderea liniara de sarcina pentru conductele cu diametre de 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm si 3 mm0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Numarul ReynoldsPierderea liniara de sarcina, hr [m]hr, d=1 mm hr, d=1,5 mm hr, d=2 mm hr, d=2,5 mm hr, d=3 mm Figura nr. 4 Dependenta numrului Reynolds de pierderea liniar de sarcin, pentru conductele cu diametrul de 1mm, 1,5 mm, 2mm, 2,5 mm i 3 mm Rezultateleexperimentaleefectuatepemicrocanalemenionatenliteraturadespecialitateconfirmfaptulc pentru curgerea laminar, la numere Reynolds mai mici de 2000, coeficienii de pierdere de sarcin liniar, f, corespund, cu foarte mici diferene, cu rezultatele teoriei hidrodinamicii clasice a mediului continuu. Pentru numere Reynolds mai micide1100,asemnareaesteaproapeperfect,iarpentru1500