Bardziej efektywne przenikanie ciepła i masy w mikroskalowych procesach gazowych
Finansowany przez UE projekt MIGRATE poświęcony był aktualnym czynnikom utrudniającym europejskiemu przemysłowi tworzenie innowacji w zakresie przenikania ciepła i masy w mikroskalowych procesach gazowych. Zakres badań obejmował modelowanie procesów przenikania ciepła, jak i urządzeń powiązanych z tymi procesami oraz stworzenie i opracowanie charakterystyk czujników i systemów do pomiaru przenikania ciepła w przepływach gazów, a także termicznych miniaturowych separatorów gazowych pozwalających na skuteczniejsze odzyskiwanie ciepła. Opracowanie miniaturowych analizatorów gazowych wymaga dokładnego zrozumienia niestabilnego zachowania termicznego przepływu gazu przy niepomijalnym wpływie ściskania, jak również efektów związanych z adsorpcją/desorpcją oraz wzdłużnym i poprzecznym przenikaniem ciepła. Potrzebne są także zintegrowane czujniki zapewniające szybkie pętle sprzężenia zwrotnego w celu optymalnego sterowania procesami, co prowadzi do wyższej sprawności cieplnej i mniejszego zapotrzebowania na zasoby.
Nowe podejścia do modelowania
Naukowcy stworzyli kilka nowych metod modelowania i precyzyjnych opisów przenikania ciepła w przepływie gazu o skali mikro w zminiaturyzowanych urządzeniach, w tym w zakresie kontaktu gaz-ciecz i przejścia fazowego. Zaprojektowali także kilka metod pomiarowych oraz zminiaturyzowany bezprzewodowy czujnik ciśnienia o zwiększonym zakresie oraz zminiaturyzowany czujnik temperatury i strumienia ciepła dla przepływów gazów opartych na cząstkach termochromowych. Zakres bezprzewodowego czujnika ciśnienia sięga od wysokiego podciśnienia do wysokiego ciśnienia, co zwykle jest możliwe tylko w przypadku połączenia kilku czujników. Ponadto w projekcie MIGRATE zbudowano różne rodzaje optycznych czujników ultrafioletowych do szacowania ilości lotnych związków organicznych. Opracowano i przetestowano kilka systemów czujników lotnych związków organicznych wykorzystujących zjawiska fotoelektryczne, efekty fotojonizacji w cieczach i kontakt gaz-ciecz. „To ważne rozwiązanie, które umożliwi prowadzenie analiz środowiskowych w przyszłości, w związku z tym, że UE radykalnie obniża dopuszczalne wartości graniczne w próbkach pobranych do badań jakości powietrza”, mówi koordynator projektu Jürgen Brandner. Ponadto w ramach projektu stworzono lub udoskonalono modele matematyczne do opisu przenikania ciepła, kontaktu gaz-ciecz oraz przejścia fazowego. Można już z nich korzystać. „Opracowano i z powodzeniem zastosowano model o zredukowanym rzędzie opisujący usprawnienie przenikania ciepła i zaburzenia przepływu w wysokosprawnych gazowych wymiennikach ciepła. Zbudowano i przetestowano odpowiednie urządzenia do wymiany ciepła dla wysokotemperaturowych turbin gazowych, które mogą być przydatne w przyszłych zastosowaniach energetycznych”, wyjaśnia Brandner.
Poszerzenie wiedzy
Projekt MIGRATE umożliwił dokładniejsze zrozumienie efektywności przenikania ciepła w mikroskali, a jego uczestnicy opracowali i scharakteryzowali wysokosprawne wymienniki ciepła typu gaz-gaz do zastosowania między innymi w zdecentralizowanym wytwarzaniu energii i urządzeniach do pozyskiwania energii z ciepła odpadowego. Ponadto naukowcy będą mogli skorzystać z ulepszonych kodów do modelowania i symulacji oraz nowych konstrukcji systemów i urządzeń mikroprzepływowych. Zastosowanie czujników środowiskowych opracowanych w projekcie MIGRATE pomoże również w monitorowaniu lotnych związków organicznych, co będzie oznaczało korzyści dla całego społeczeństwa. „Miniaturowe urządzenia będą odgrywały kluczową rolę w przyszłych zastosowaniach przemysłowych i systemach transportowych, jak również w unowocześnieniu istniejących procesów, począwszy od technologii przemysłowych, a skończywszy na urządzeniach osobistych”, podkreśla Brandner. Połączenie badań prowadzonych przez uczelnie, MŚP i wiodące globalne firmy przemysłowe przyczyni się do znaczącego poszerzenia wiedzy na temat problemów związanych z przenikaniem ciepła w przepływach gazów w skali mikro oraz przemysłowych zastosowań wysokosprawnych zminiaturyzowanych urządzeń. Badanie przeprowadzono dzięki wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie”.
Słowa kluczowe
MIGRATE, przenikanie ciepła, miniaturyzacja, przenikanie masy, lotne związki organiczne, czujnik ciśnienia, termochromowy, miniaturowy analizator gazów
