Development of a volume-averaging approach for system-level numerical analysis of a multi-row EPCM heat exchanger

The analysis of heat exchangers using finite volume methods is a well- established technique in cooling applications. However, when the heat exchanger is only a part of a larger system, the number of mesh elements required to perform a system-level analysis can result in an excessive computational effort. Despite several volume averaging techniques have been proposed in literature for electronic micro-cooling applications, only few works are known today for applying such methods to bigger systems and to new technologies such as EPCM heat exchangers. For this reason, this study aims to apply the well-known porous medium approach to an EPCM heat exchanger for which no experimental data are available. A prototype of cooling tower developed by Drexel University has been chosen as reference system. Both a single row and a couple of rows of tubes are analysed: fluid flow and heat transfer characteristics are extracted from the unit cell and Darcy-Forchheimer law and local thermal non-equilibrium (LTNE) are used for the porous medium characterization. The latent heat of fusion of the PCM is modelled as a volumetric heat source. The results show that, while the proposed methodology is well suited for a stand-alone row of tubes, it cannot be extended to a multi- rows layout. For this reason a new methodology, based on a multi-porous model, is proposed.

Molto spesso, nello studio di sistemi di refrigerazione, l’analisi numerica degli scambiatori di calore viene effettuata tramite il metodo ai volumi finiti. Tuttavia, quando lo scambiatore di calore in questione è un componente di un sistema più ampio, l’analisi numerica dell’intero sistema si traduce in una mesh estremamente fitta che richiede un eccessivo sforzo computazionale. Nonostante in letteratura siano state proposte diverse tecniche per semplificare l’analisi di sistemi di micro-raffreddamento di componenti elettronici, solo pochi studi applicano questo tipo di approccio a sistemi di dimensioni maggiori e a nuove tecnologie quali materiali a cambiamento di fase. Questa tesi di laurea si propone dunque di applicare il porous medium approach, tecnica ormai consolidata in tradizionali sistemi di micro-raffreddamento, ad uno scambiatore di calore a cambiamento di fase per cui non sono disponibili dati sperimentali. Nello specifico, il sistema preso come riferimento è un prototipo di torre evaporativa sviluppato da Drexel University. Una singola fila di tubi e, successivamente, una coppia di file di tubi è sottoposta ad analisi: le propietà termo-fluidodinamiche del sistema sono estratte da un’unità rappresentativa dello stesso. La legge Darcy-Forchheimer, unitamente alla condizione di non- equilibrio termico locale, sono impiegate per la caratterizzazione del mezzo poroso. Il calore latente del materiale a cambiamento di fase è modellizzato come una fonte volumetrica di calore. I risultati mostrano che, mentre la metodologia proposta è adatta alla rappresentazione di una singola fila di tubi, essa non può essere estesa a più file. Per quest’ultimo caso è proposta una metodologia alternativa, basata su una serie di mezzi porosi non omogenei tra loro.