Monitoring internal heat fluxes on Pulsating Heat Pipes using Kalman filter – Numerical and experimental results
Creators
- 1. Universidade Federal do Rio de Janeiro
- 2. Universidade Federal do Espírito Santo
- 3. University of Parma
Description
The present study proposes an approach to monitor the wall-to-fluid internal heat flux on Pulsating Heat Pipes (PHP), which provides meaningful information about the efficiency and limiting operation conditions of such devices. In this sense, the current work adopts the Kalman Filter (KF) to estimate the heat flux between the working fluid and the internal tube wall along the adiabatic section of a PHP device by solving an inverse heat conduction problem. The KF is a well-known tracking technique, and therefore the current study is attractive due to the possibility of real-time evaluation of internal heat fluxes, a prospect that is extremely difficult to realize by standard whole domain inverse problem techniques. A high-speed and high-resolution infrared camera performs the temperature acquisition on the external wall of the PHP device. Two mathematical heat conduction models are considered: complete and thin-wall models. The complete model determines the temperature and heat flux evolution over time, and the thin-wall model is used to correct the random walk parameter on the KF formulation. Since the time step needed to the KF evolution model is smaller than the measurements acquisition interval, a matrix manipulation is used during the prediction step, reducing the number of mathematical operations. Hence, instead of predicting the states until reaching the measurement times, a proper mathematical manipulation reduces several mathematical operations to a single one. Then, the KF estimation capability is evaluated by considering synthetic data with different noise levels and different heat flux values. Subsequently, real experimental data are employed, and the results are compared with the ones obtained via a standard whole domain technique. The results obtained with the KF presented good visual agreement with the exact solution. Once the KF presents a delayed response, which is a characteristic of some filtering techniques, the errors with synthetic data were calculated offsetting the delay of the estimation in time in order to make a fair comparison, showing a maximum estimation error lower than 36 % considering the highest noise level. The synthetic data considered 20 s of time experiment, and the KF was able to estimate the PHP internal heat flux in less than 12 s, including the smoothing temperature step, showing fast and accurate results. For the real experimental data, the agreement between the KF and a whole domain technique is highly commendable, demonstrating a deviation of 25.5 % between both techniques. Moreover, the KF required significantly less computational time. The proposed methodology for heat flux estimation on PHPs is promising to evaluate their thermal behavior in real-time due to a low CPU time and computational memory required, as well as its simplicity to be implemented, possibly on embarked devices. Such information may therefore provide a thermal indicator of the correct functioning of PHPs in real time applications.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تقترح هذه الدراسة نهجًا لمراقبة التدفق الحراري الداخلي من الجدار إلى السائل على أنابيب الحرارة النابضة (PHP)، والذي يوفر معلومات ذات مغزى حول كفاءة وظروف التشغيل المحدودة لهذه الأجهزة. وبهذا المعنى، يعتمد العمل الحالي مرشح كالمان (KF) لتقدير تدفق الحرارة بين مائع العمل وجدار الأنبوب الداخلي على طول القسم الأديباتي لجهاز PHP من خلال حل مشكلة التوصيل الحراري العكسي. يعد KF تقنية تتبع معروفة جيدًا، وبالتالي فإن الدراسة الحالية جذابة نظرًا لإمكانية التقييم في الوقت الفعلي للتدفقات الحرارية الداخلية، وهو احتمال يصعب للغاية تحقيقه من خلال تقنيات المشكلة العكسية للمجال الكامل القياسية. تقوم كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية السرعة وعالية الدقة باكتساب درجة الحرارة على الجدار الخارجي لجهاز PHP. يتم النظر في نموذجين للتوصيل الحراري الرياضي: نماذج كاملة وجدران رقيقة. يحدد النموذج الكامل درجة الحرارة وتطور تدفق الحرارة بمرور الوقت، ويستخدم نموذج الجدار الرقيق لتصحيح معلمة المشي العشوائي في تركيبة KF. نظرًا لأن الخطوة الزمنية اللازمة لنموذج تطور KF أصغر من الفاصل الزمني لاكتساب القياسات، يتم استخدام معالجة المصفوفة أثناء خطوة التنبؤ، مما يقلل من عدد العمليات الرياضية. وبالتالي، بدلاً من التنبؤ بالحالات حتى الوصول إلى أوقات القياس، يؤدي التلاعب الرياضي الصحيح إلى تقليل العديد من العمليات الرياضية إلى عملية واحدة. بعد ذلك، يتم تقييم قدرة تقدير KF من خلال النظر في البيانات الاصطناعية ذات مستويات الضوضاء المختلفة وقيم التدفق الحراري المختلفة. بعد ذلك، يتم استخدام البيانات التجريبية الحقيقية، وتتم مقارنة النتائج مع تلك التي تم الحصول عليها من خلال تقنية المجال الكامل القياسية. قدمت النتائج التي تم الحصول عليها من مرفق الكويت موافقة بصرية جيدة مع الحل الدقيق. بمجرد أن يقدم KF استجابة متأخرة، وهي سمة من سمات بعض تقنيات التصفية، تم حساب الأخطاء مع البيانات الاصطناعية لتعويض تأخير التقدير في الوقت المناسب من أجل إجراء مقارنة عادلة، مما يدل على خطأ تقدير أقصى أقل من 36 ٪ مع الأخذ في الاعتبار أعلى مستوى للضوضاء. أخذت البيانات الاصطناعية في الاعتبار 20 ثانية من تجربة الوقت، وتمكن KF من تقدير تدفق الحرارة الداخلي PHP في أقل من 12 ثانية، بما في ذلك خطوة درجة حرارة التنعيم، مما أظهر نتائج سريعة ودقيقة. بالنسبة للبيانات التجريبية الحقيقية، فإن الاتفاق بين KF وتقنية المجال بأكملها جدير بالثناء للغاية، مما يدل على انحراف بنسبة 25.5 ٪ بين كلتا التقنيتين. علاوة على ذلك، تطلب KF وقتًا حسابيًا أقل بكثير. تعد المنهجية المقترحة لتقدير التدفق الحراري على PHPs بتقييم سلوكها الحراري في الوقت الفعلي بسبب انخفاض وقت وحدة المعالجة المركزية والذاكرة الحسابية المطلوبة، بالإضافة إلى بساطتها التي سيتم تنفيذها، ربما على الأجهزة التي يتم تشغيلها. لذلك قد توفر هذه المعلومات مؤشرًا حراريًا للأداء الصحيح لـ PHPs في التطبيقات في الوقت الفعلي.Translated Description (French)
La présente étude propose une approche pour surveiller le flux de chaleur interne paroi-fluide sur les caloducs pulsatoires (PHP), qui fournit des informations significatives sur l'efficacité et les conditions de fonctionnement limitantes de ces dispositifs. En ce sens, le travail actuel adopte le filtre de Kalman (KF) pour estimer le flux de chaleur entre le fluide de travail et la paroi interne du tube le long de la section adiabatique d'un dispositif PHP en résolvant un problème de conduction thermique inverse. Le KF est une technique de suivi bien connue, et donc l'étude actuelle est attrayante en raison de la possibilité d'évaluation en temps réel des flux de chaleur internes, une perspective qui est extrêmement difficile à réaliser par des techniques standard de problème inverse dans tout le domaine. Une caméra infrarouge haute vitesse et haute résolution effectue l'acquisition de la température sur la paroi externe de l'appareil PHP. Deux modèles mathématiques de conduction thermique sont considérés : des modèles complets et à paroi mince. Le modèle complet détermine l'évolution de la température et du flux de chaleur au fil du temps, et le modèle à paroi mince est utilisé pour corriger le paramètre de marche aléatoire sur la formulation KF. Étant donné que le pas de temps nécessaire au modèle d'évolution KF est inférieur à l'intervalle d'acquisition des mesures, une manipulation matricielle est utilisée pendant l'étape de prédiction, réduisant le nombre d'opérations mathématiques. Par conséquent, au lieu de prédire les états jusqu'à atteindre les temps de mesure, une manipulation mathématique appropriée réduit plusieurs opérations mathématiques à une seule. Ensuite, la capacité d'estimation KF est évaluée en considérant des données synthétiques avec différents niveaux de bruit et différentes valeurs de flux de chaleur. Par la suite, des données expérimentales réelles sont utilisées, et les résultats sont comparés à ceux obtenus via une technique standard de domaine entier. Les résultats obtenus avec le KF présentaient un bon accord visuel avec la solution exacte. Une fois que le KF présente une réponse retardée, ce qui est une caractéristique de certaines techniques de filtrage, les erreurs avec des données synthétiques ont été calculées en décalant le retard de l'estimation dans le temps afin de faire une comparaison équitable, montrant une erreur d'estimation maximale inférieure à 36 % compte tenu du niveau de bruit le plus élevé. Les données synthétiques ont considéré une expérience de 20 s de temps, et le KF a pu estimer le flux de chaleur interne de PHP en moins de 12 s, y compris l'étape de température de lissage, montrant des résultats rapides et précis. Pour les données expérimentales réelles, l'accord entre la KF et une technique de domaine entier est très louable, démontrant un écart de 25,5 % entre les deux techniques. De plus, le KF nécessitait beaucoup moins de temps de calcul. La méthodologie proposée pour l'estimation du flux de chaleur sur les PHP promet d'évaluer leur comportement thermique en temps réel en raison du faible temps CPU et de la mémoire de calcul nécessaire, ainsi que de sa simplicité à mettre en œuvre, éventuellement sur des appareils embarqués. Ces informations peuvent donc fournir un indicateur thermique du bon fonctionnement des PHP dans les applications en temps réel.Translated Description (Spanish)
El presente estudio propone un enfoque para monitorear el flujo de calor interno de la pared al fluido en tuberías de calor pulsante (PHP), que proporciona información significativa sobre la eficiencia y las condiciones de operación limitantes de dichos dispositivos. En este sentido, el trabajo actual adopta el Filtro de Kalman (KF) para estimar el flujo de calor entre el fluido de trabajo y la pared interna del tubo a lo largo de la sección adiabática de un dispositivo PHP resolviendo un problema de conducción de calor inversa. El KF es una técnica de seguimiento bien conocida y, por lo tanto, el estudio actual es atractivo debido a la posibilidad de evaluación en tiempo real de los flujos de calor internos, una perspectiva que es extremadamente difícil de realizar mediante técnicas estándar de problemas inversos de dominio completo. Una cámara infrarroja de alta velocidad y alta resolución realiza la adquisición de temperatura en la pared externa del dispositivo PHP. Se consideran dos modelos matemáticos de conducción de calor: modelos completos y de pared delgada. El modelo completo determina la evolución de la temperatura y el flujo de calor a lo largo del tiempo, y el modelo de pared delgada se utiliza para corregir el parámetro de paseo aleatorio en la formulación de KF. Dado que el paso de tiempo necesario para el modelo de evolución de KF es menor que el intervalo de adquisición de mediciones, se utiliza una manipulación de matriz durante el paso de predicción, reduciendo el número de operaciones matemáticas. Por lo tanto, en lugar de predecir los estados hasta alcanzar los tiempos de medición, una manipulación matemática adecuada reduce varias operaciones matemáticas a una sola. Luego, la capacidad de estimación de KF se evalúa considerando datos sintéticos con diferentes niveles de ruido y diferentes valores de flujo de calor. Posteriormente, se emplean datos experimentales reales y los resultados se comparan con los obtenidos a través de una técnica estándar de dominio completo. Los resultados obtenidos con el KF presentaron buena concordancia visual con la solución exacta. Una vez que el KF presenta una respuesta retardada, que es una característica de algunas técnicas de filtrado, se calcularon los errores con datos sintéticos compensando el retraso de la estimación en el tiempo con el fin de hacer una comparación justa, mostrando un error de estimación máximo inferior al 36% considerando el nivel de ruido más alto. Los datos sintéticos consideraron 20 s de experimento de tiempo, y el KF fue capaz de estimar el flujo de calor interno de PHP en menos de 12 s, incluyendo el paso de temperatura de suavizado, mostrando resultados rápidos y precisos. Para los datos experimentales reales, el acuerdo entre el KF y una técnica de dominio completo es muy recomendable, demostrando una desviación del 25,5% entre ambas técnicas. Además, el KF requería significativamente menos tiempo de cálculo. La metodología propuesta para la estimación del flujo de calor en PHP es prometedora para evaluar su comportamiento térmico en tiempo real debido a un bajo tiempo de CPU y memoria computacional requerida, así como su simplicidad para ser implementada, posiblemente en dispositivos embarcados. Por lo tanto, dicha información puede proporcionar un indicador térmico del correcto funcionamiento de los PHP en aplicaciones en tiempo real.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- مراقبة تدفقات الحرارة الداخلية على أنابيب الحرارة النابضة باستخدام مرشح كالمان – النتائج العددية والتجريبية
- Translated title (French)
- Surveillance des flux de chaleur internes sur les caloducs pulsés à l'aide du filtre de Kalman – Résultats numériques et expérimentaux
- Translated title (Spanish)
- Monitoreo de flujos de calor internos en tuberías de calor pulsante utilizando el filtro Kalman – Resultados numéricos y experimentales
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4392130525
- DOI
- 10.1016/j.applthermaleng.2024.122801
References
- https://openalex.org/W104184089
- https://openalex.org/W1489767088
- https://openalex.org/W1513008779
- https://openalex.org/W1531455566
- https://openalex.org/W1574584754
- https://openalex.org/W1976295622
- https://openalex.org/W1978199578
- https://openalex.org/W1984680170
- https://openalex.org/W2007600156
- https://openalex.org/W2011161612
- https://openalex.org/W2013639201
- https://openalex.org/W2026505709
- https://openalex.org/W2028813160
- https://openalex.org/W2048952775
- https://openalex.org/W2142137425
- https://openalex.org/W2162302271
- https://openalex.org/W2163942910
- https://openalex.org/W2164711791
- https://openalex.org/W2275816650
- https://openalex.org/W2758023321
- https://openalex.org/W2777844203
- https://openalex.org/W2806836313
- https://openalex.org/W2907937715
- https://openalex.org/W2917147897
- https://openalex.org/W2941585434
- https://openalex.org/W3125400447
- https://openalex.org/W3173068467
- https://openalex.org/W4200485155
- https://openalex.org/W4285791950
- https://openalex.org/W4311514079
- https://openalex.org/W4312058927
- https://openalex.org/W600037982