skip to Main Content
Stabiliseren van vloeistofkoeling – voorkom cavitatie met inserts

Doel: Een vloeistof-koelsysteem wordt vaak gebruikt wanneer gedurende lange tijd een hoge warmtebelasting aanwezig is op een belangrijk onderdeel van een systeem. Om schade door de hitte te voorkomen, moet het koelmiddel continu alle warmte opnemen, waarbij een kleine fout tot aanzienlijke schade kan leiden. Het is daarom belangrijk maatregelen te nemen tegen mogelijke effecten die de doorstroming beperken of het koelproces kan verstoren.

Het geobserveerde systeem is een abstracte weergave van een vertrouwelijke toepassing. In dit systeem stroomt het koelmiddel met hoge snelheid rond of door sleutelcomponent ‘X’, aangegeven met de grijze rechthoek. Het grootste risico is cavitatie, dat is de spontane overgang van een vloeistof naar de gasfase, omdat de druk onder de dampdruk daalt. Stroomafwaarts van X is dit een aanzienlijk risico wat kan leiden tot schade en beperkingen in de stroomsnelheid, ook wel ‘choked flow’ genoemd.

Onder het risicogebied wordt een inzetstuk geplaatst om cavitatie te voorkomen en de koeling te kunnen blijven garanderen.

Aanpak: Het ontwerp van een dergelijke ‘insert’ is niet triviaal: het moet cavitatie nabij gebied X voorkomen, het mag zelf geen cavitatie veroorzaken, het mag de koelstroom niet te veel limiteren en het moet (relatief) gemakkelijk te produceren zijn.

Cavitatie kan voorkomen worden door de druk stroomafwaarts van het systeem te verhogen. Een goed ontworpen convergerende insert verhoogt de druk stroomopwaarts van de insert, waardoor het risico op cavitatie nabij de belangrijke delen van het systeem wordt weggenomen. Om te voorkomen dat de insert zelf cavitatie of een chocked flow veroorzaakt, mag het ontwerp geen drukverlagingen bij de wand hebben, maar in de vloeistoflaag. Dit zorgt voor een circulatie van de koelvloeistof, waardoor een lokale drukverlaging wordt voorkomen. De rode cirkels in de afbeelding markeren het risicogebied in het slecht ontworpen inzetstuk, waar het punt met de laagste statische druk zich dicht bij de wand bevindt. Als dit punt zich in de vloeistof achter het mondstuk bevindt, kan de lage druk door middel van circulatie van de vloeistof worden voorkomen.

Om dit concept te valideren, zijn er twee ontwerpen bekeken en zowel numeriek als experimenteel met elkaar vergeleken.

Het eerste ontwerp veroorzaakt snel cavitatie en kan dienen als een dummy-geometrie (links). Het tweede ontwerp voorkomt cavitatie zoals beschreven (rechts). Voor beide ontwerpen werd een CFD-simulatie opgezet en de resultaten vergeleken met een experiment.

De numerieke resultaten tonen cavitatie in de vloeistofstroom voor een drukverschil van 3 bar wanneer alleen insert 1 wordt gebruikt. Er trad geen cavitatie op wanneer insert 2 onder insert 1 werd toegevoegd bij hetzelfde drukverschil. De kleuren tonen de volumefractie van de gasfase, waarbij het rode gebied alleen gas is en het blauwe gebied alleen koelmiddel.

blank
blank

Resultaat: Op het moment dat cavitatie optreedt, wordt het debiet onafhankelijk van de stroomafwaartse druk. Dus het verder verlagen van de stroomafwaartse druk resulteert in een constant debiet.

De grafiek toont de resultaten van het experiment en de resultaten van het numerieke model. Hier toont insert 1 cavitatie bij een laag drukverschil, en inzetstuk 2 voorkomt cavitatie wanneer het onder inzetstuk 1 wordt toegevoegd, tot een hoog drukverschil. Het verschil in maximale stroomsnelheid tussen het experiment en de simulaties wordt verklaard door de experimentele onvolkomenheden die niet in de simulatie zijn opgenomen.

In een systeem waar de stroomafwaartse druk wordt beperkt door andere vereisten, kan het toevoegen van convergerende inzetstukken nuttig zijn om cavitatie te voorkomen. Een ‘choked flow’ conditie lijkt onvermijdelijk bij extreme drukverschillen, zelfs met een dergelijk ontwerp. Het is daarom belangrijk om de juiste stroomopwaartse en stroomafwaartse druk te kiezen.

Back To Top