Fundamental and applied studies involving supercritical fluids within thermofluids

Abstract

O uso dióxido carbono em estado supercrítico (s-CO2) como fluido para transferência de calor chama atenção devido à mudança brusca de propriedades próximo ao ponto crítico e ao baixo potencial de depleção da camada de ozônio e de aquecimento global. Contudo, próximo à região crítica, a transferência de calor pode ser intensificada ou deteriorada. A análise deste comportamento anômalo é um desafio devido à variação de propriedades, fortemente associadas ao caminho termodinâmico do fluido, que demandam funções dependentes de pressão e de temperatura para representá-las e impõem o acoplamento das equações de conservação em modelos computacionais. Este trabalho é dedicado a compreender os mecanismos que aumentam a transferência de calor para um fluido supercrítico, objetivando seu uso como fluido de trabalho. Desta forma, este estudo envolve uma análise do ponto de vista fundamental e apresenta duas aplicações em potencial. Na análise fundamental, um escoamento de s-CO2 submetido a fluxo de calor constante foi modelado para avaliar o efeito da variação local de propriedades no coeficiente de transferência de calor e temperatura do fluido. Na primeira aplicação, um sistema de arrefecimento usando s-CO2 como fluido de trabalho foi analisado e otimizado para controle térmico de microprocessadores. Na segunda aplicação, um trocador de calor de circuitos impressos usando s-CO2 como fluido quente e como fluido frio foi projetado e otimizado para ciclos Brayton. Na análise fundamental, um modelo simulou 324 condições de operação, variando a vazão mássica do fluido, o fluxo de calor na parede do canal, a pressão na saída do canal e a temperatura de entrada. Uma combinação ótima de parâmetros minimizou a temperatura de parede, cujo estado termodinâmico associado se situa próximo à linha pseudocrítica. Visto que condições ótimas de operação podem minimizar a temperatura de parede e que a temperatura de operação de um processador é maior que a temperatura ambiente, uma unidade de arrefecimento com s-CO2 foi investigada. Um trocador de calor de mini-canais mantém a temperatura do componente eletrônico dentro de um limite, enquanto se beneficia da variação brusca de propriedades do s-CO2 perto do ponto crítico para aumentar a capacidade de arrefecimento e reduzir o trabalho de compressão. Resultados indicam que o controle da pressão de entrada do s-CO2 nos mini-canais pode maximizar a potência dissipada e que os estados termodinâmicos associados a estas condições de operação estão situados em torno da linha pseudocrítica. Por último, a análise do s-CO2 é estendida ao comportamento do fluido durante o arrefecimento: o comportamento termo-hidráulico do trocador de calor foi explorado por meio da variação das condições de operação e dos parâmetros de fabricação. Análises paramétricas e o processo de otimização multi-objetivo identificaram uma região de efetividade mínima e uma região de efetividade máxima, sendo esta última associada às condições de operação do fluido-frio delimitadas à esquerda da linha pseudocrítica. As análises do ponto de vista fundamental e aplicado destacam a intensificação da transferência de calor quando em condições de operação próximas à linha pseudocrítica, que, aliada ao baixo impacto ambiental já associado ao s-CO2, potencializa seu uso como fluido de trabalho.

Abstract: Using supercritical carbon dioxide (s-CO2) as a heat transfer fluid draws attention because of the intense variation in properties near the critical point, low ozone and global warming potentials. However, close to the critical region, the heat transfer can either intensify or deteriorate. Studying this anomalous behavior is challenging due to the property variation, strongly related to the fluid thermodynamic path, demanding functions dependent of pressure and temperature to represent these properties and imposing the coupling of conservation equations in computational models. This study aims to understand the mechanisms that enhance heat transfer to supercritical fluid, focusing on its use as a working fluid. Therefore, this study encompassed a fundamental analysis and presented two potential applications: a s-CO2 flow under uniform heat flux condition was modeled to evaluate the effect of local property variation on heat transfer coeficiente and fluid temperature during steady state regime; a cooling unit using s-CO2 as working fluid was analyzed and optimized for thermal management of microprocessors; a printed circuit heat exchanger using s-CO2 as hot-fluid and as cold-fluid was designed as recuperator and optimized for Brayton power cycles. In the fundamental approach, a 2-D numerical model simulated 324 operating conditions, with different wall heat fluxes, mass flow rates, inlet temperatures, and outlet pressures. An optimal combination of parameters minimized the wall temperature, with its associated thermodynamic state located close to the pseudocritical line. Since optimal operating conditions could minimize wall temperature and the processor operating temperature is higher than the ambient temperature, a s-CO2 cooling unit was investigated. A mini-channel heat exchanger keeps the temperature of processors within a limit while benefiting from the wide variation in s-CO2 properties near the critical point to increase cooling capacity and decrease compressor demand. Results indicate that controlling s-CO2 input pressure maximizes dissipated power and that thermodynamic states associated with these operating conditions are located around the pseudocritical line. Finally, the s-CO2 analysis is extended to its behavior during cooling: the thermo-hydraulic behavior of the heat exchanger was studied by modifying the operating conditions and manufacturing parameters. Parametric analyses and multi-objective optimization identified a minimum and a maximum effectiveness region, with the latter associated with the cold-fluid operating conditions delimited to the left of the pseudocritical line. The fundamental and applied analyses highlight the increase in heat transfer under operating conditions near the pseudocritical line, which, combined with the low environmental impact already associated with s-CO2, encourages its use as a working fluid.