Transport and mixing enhancement in fluid-thermal microsystems

En esta tesis se investiga de forma experimental el transporte pasivo de magnitudes físicas en micro-sistemas con carácter de inmediata aplicación industrial, usando métodos innovadores para mejorar la eficiencia de los mismos optimizando parámetros críticos del diseño o encontrar nuevos destinos de posible aplicación. Parte de los resultados obtenidos en estos experimentos han sido publicados en revistas con un índice de impacto tal que pertenecen al primer cuarto del JCR. Primero de todo se ha analizado el efecto que produce en un intercambiador de calor basado en micro-canales el hecho de dejar un espacio entre canales y tapa superior para la interconexión de los mismos. Esto genera efectos tridimensionales que mejoran la exracción de calor del intercambiador y reducen la caída de presión que aparece por el transcurso del fluido a través de los micro-canales, lo que tiene un gran impacto en la potencia que ha de suministrar la bomba de refrigerante. Se ha analizado también la mejora producida en términos de calor disipado de un micro-procesador refrigerado con un ampliamente usado plato de aletas al implementar en éste una cámara de vapor que almacena un fluido bifásico. Se ha desarrollado de forma paralela un modelo numérico para optimizar las nuevas dimensiones del plato de aletas modificado compatibles con una serie de requerimientos de diseño en el que tanto las dimensiones como el peso juegan un papel esencial. Por otro lado, se han estudiado los fenomenos fluido-dinámicos que aparecen aguas abajo de un cuerpo romo en el seno de un fluido fluyendo por un canal con una alta relación de bloqueo. Los resultados de este estudio confirman, de forma experimental, la existencia de un régimen intermedio, caracterizado por el desarrollo de una burbuja de recirculación oscilante entre los regímenes, bien diferenciados, de burbuja de recirculación estacionaria y calle de torbellinos de Karman, como función del número de Reynolds del flujo incidente. Para la obtención, análisis y post-proceso de los datos, se ha contado con la ayuda de un sistema de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV). Finalmente y como adición a este último punto, se ha estudiado las vibraciones de un cuerpo romo producidas por el desprendimiento de torbellinos en un canal de alta relación de bloqueo con la base obtenida del estudio anterior. El prisma se mueve con un movimiento armónico simple para un intervalo de números de Reynolds y este movimiento se transforma en vibración alrededor de su eje a partir de un ciero número de Reynolds. En relación al fluido, el régimen de desprendimiento de torbellinos se alcanza a menores números de Reynolds que en el caso de tener el cuerpo romo fijo. Uniendo estos dos registros de movimientos y variando la relación de masas entre prisma y fluido se obtiene un mapa con diferentes estados globales del sistema. Esto no solo tiene aplicación como método para promover el mezclado sino también como método para obtener energía a partir del movimiento del cuerpo en el seno del fluido. Abstract In this thesis, experimental research focused on passive scalar transport is performed in micro-systems with marked sense of industrial application, using innovative methods in order to obtain better performances optimizing critical design parameters or finding new utilities. Part of the results obtained in these experiments have been published into high impact factor journals belonged to the first quarter of the Journal Citation Reports (JCR). First of all the effect of tip clearance in a micro-channel based heat sink is analyzed. Leaving a gap between channels and top cover, letting the channels communicate each other causes three-dimensional effects which improve the heat transfer between fluid and heat sink and also reducing the pressure drop caused by the fluid passing through the micro-channels which has a great impact on the total cooling pumping power needed. It is also analyzed the enhancement produced in terms of dissipated heat in a micro-processor cooling system by improving the predominantly used fin plate with a vapour chamber based heat spreader which contains a two-phase fluid inside. It has also been developed at the same time a numerical model to optimize the new fin plate dimensions compatible with a series of design requirements in which both size and wight plays a very restrictive role. On the other hand, fluid-dynamics phenomena that appears downstream of a bluff body in the bosom of a fluid flow with high blockage ratio has been studied. This research experimentally confirms the existence of an intermediate regime characterized by an oscillating closed recirculation bubble intermediate regime between the steady closed recirculation bubble regime and the vortex shedding regime (Karman street like regime) as a function of the incoming flow Reynolds number. A particle image velocimetry technique (PIV) has been used in order to obtain, analyze and post-process the fluid-dynamic data. Finally and as an addition to the last point, a study on the vortexinduced vibrations (VIV) of a bluff body inside a high blockage ratio channel has been carried out taking advantage of the results obtained with the fixed square prism. The prism moves with simple harmonic motion for a Reynolds number interval and this movement becomes vibrational around its axial axis after overcoming at definite Reynolds number. Regarding the fluid, vortex shedding regime is reached at Reynolds numbers lower than the previous critical ones. Merging both movement spectra and varying the square prism to fluid mass ratio, a map with different global states is reached. This is not only applicable as a mixing enhancement technique but as an energy harvesting method.

Understanding and improving the chemical vapor deposition process for solar grade silicon production

Esta Tesis Doctoral se centra en la investigación del proceso de producción de polisilicio para aplicaciones fotovoltaicas (FV) por la vía química; mediante procesos de depósito en fase vapor (CVD). El polisilicio para la industria FV recibe el nombre de silicio de grado solar (SoG Si). Por un lado, el proceso que domina hoy en día la producción de SoG Si está basado en la síntesis, destilación y descomposición de triclorosilano (TCS) en un reactor CVD -denominado reactor Siemens-. El material obtenido mediante este proceso es de muy alta pureza, pero a costa de un elevado consumo energético. Así, para alcanzar los dos principales objetivos de la industria FV basada en silicio, bajos costes de producción y bajo tiempo de retorno de la energía invertida en su fabricación, es esencial disminuir el consumo energético de los reactores Siemens. Por otro lado, una alternativa al proceso Siemens considera la descomposición de monosilano (MS) en un reactor de lecho fluidizado (FBR). Este proceso alternativo tiene un consumo energético mucho menor que el de un reactor Siemens, si bien la calidad del material resultante es también menor; pero ésta puede ser suficiente para la industria FV. A día de hoy los FBR deben aún abordar una serie de retos para que su menor consumo energético sea una ventaja suficiente comparada con otras desventajas de estos reactores. En resumen, la investigación desarrollada se centra en el proceso de depósito de polysilicio por CVD a partir de TCS -reactor Siemens-; pero también se investiga el proceso de producción de SoG Si en los FBR exponiendo las fortalezas y debilidades de esta alternativa. Para poder profundizar en el conocimiento del proceso CVD para la producción de polisilicio es clave el conocimiento de las reacciones químicas fundamentales y cómo éstas influencian la calidad del producto resultante, al mismo tiempo que comprender los fenómenos responsables del consumo energético. Por medio de un reactor Siemens de laboratorio en el que se llevan a cabo un elevado número de experimentos de depósito de polisilicio de forma satisfactoria se adquiere el conocimiento previamente descrito. Se pone de manifiesto la complejidad de los reactores CVD y de los problemas asociados a la pérdidas de calor de estos procesos. Se identifican las contribuciones a las pérdidas de calor de los reactores CVD, éstas pérdidas de calor son debidas principalmente a los fenómenos de radiación y, conducción y convección vía gases. En el caso de los reactores Siemens el fenómeno que contribuye en mayor medida al alto consumo energético son las pérdidas de calor por radiación, mientras que en los FBRs tanto la radiación como el calor transferido por transporte másico contribuyen de forma importante. Se desarrolla un modelo teórico integral para el cálculo de las pérdidas de calor en reactores Siemens. Este modelo está formado a su vez por un modelo para la evaluación de las pérdidas de calor por radiación y modelos para la evaluación de las pérdidas de calor por conducción y convección vía gases. Se ponen de manifiesto una serie de limitaciones del modelo de pérdidas de calor por radiación, y se desarrollan una serie de modificaciones que mejoran el modelo previo. El modelo integral se valida por medio un reactor Siemens de laboratorio, y una vez validado se presenta su extrapolación a la escala industrial. El proceso de conversión de TCS y MS a polisilicio se investiga mediante modelos de fluidodinámica computacional (CFD). Se desarrollan modelados CFD para un reactor Siemens de laboratorio y para un prototipo FBR. Los resultados obtenidos mediante simulación son comparados, en ambos casos, con resultados experimentales. Los modelos desarrollados se convierten en herramientas para la identificación de aquellos parámetros que tienen mayor influencia en los procesos CVD. En el caso del reactor Siemens, ambos modelos -el modelo integral y el modelado CFD permiten el estudio de los parámetros que afectan en mayor medida al elevado consumo energético, y mediante su análisis se sugieren modificaciones para este tipo de reactores que se traducirían en un menor número de kilovatios-hora consumidos por kilogramo de silicio producido. Para el caso del FBR, el modelado CFD permite analizar el efecto de una serie de parámetros sobre la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado; y dicha distribución de temperaturas está directamente relacionada con los principales retos de este tipo de reactores. Por último, existen nuevos conceptos de depósito de polisilicio; éstos se aprovechan de la ventaja teórica de un mayor volumen depositado por unidad de tiempo -cuando una mayor superficie de depósito está disponible- con el objetivo de reducir la energía consumida por los reactores Siemens. Estos conceptos se exploran mediante cálculos teóricos y pruebas en el reactor Siemens de laboratorio. ABSTRACT This Doctoral Thesis comprises research on polysilicon production for photovoltaic (PV) applications through the chemical route: chemical vapor deposition (CVD) process. PV polysilicon is named solar grade silicon (SoG Si). On the one hand, the besetting CVD process for SoG Si production is based on the synthesis, distillation, and decomposition of thriclorosilane (TCS) in the so called Siemens reactor; high purity silicon is obtained at the expense of high energy consumption. Thus, lowering the energy consumption of the Siemens process is essential to achieve the two wider objectives for silicon-based PV technology: low production cost and low energy payback time. On the other hand, a valuable variation of this process considers the use of monosilane (MS) in a fluidized bed reactor (FBR); lower output material quality is obtained but it may fulfil the requirements for the PV industry. FBRs demand lower energy consumption than Siemens reactors but further research is necessary to address the actual challenges of these reactors. In short, this work is centered in polysilicon CVD process from TCS -Siemens reactor-; but it also offers insights on the strengths and weaknesses of the FBR for SoG Si production. In order to aid further development in polysilicon CVD is key the understanding of the fundamental reactions and how they influence the product quality, at the same time as to comprehend the phenomena responsible for the energy consumption. Experiments conducted in a laboratory Siemens reactor prove the satisfactory operation of the prototype reactor, and allow to acquire the knowledge that has been described. Complexity of the CVD reactors is stated and the heat loss problem associated with polysilicon CVD is addressed. All contributions to the energy consumption of Siemens reactors and FBRs are put forward; these phenomena are radiation and, conduction and convection via gases heat loss. In a Siemens reactor the major contributor to the energy consumption is radiation heat loss; in case of FBRs radiation and heat transfer due to mass transport are both important contributors. Theoretical models for radiation, conduction and convection heat loss in a Siemens reactor are developed; shaping a comprehensive theoretical model for heat loss in Siemens reactors. Limitations of the radiation heat loss model are put forward, and a novel contribution to the existing model is developed. The comprehensive model for heat loss is validated through a laboratory Siemens reactor, and results are scaled to industrial reactors. The process of conversion of TCS and MS gases to solid polysilicon is investigated by means of computational fluid-dynamics models. CFD models for a laboratory Siemens reactor and a FBR prototype are developed. Simulated results for both CVD prototypes are compared with experimental data. The developed models are used as a tool to investigate the parameters that more strongly influence both processes. For the Siemens reactors, both, the comprehensive theoretical model and the CFD model allow to identify the parameters responsible for the great power consumption, and thus, suggest some modifications that could decrease the ratio kilowatts-hour per kilogram of silicon produced. For the FBR, the CFD model allows to explore the effect of a number of parameters on the thermal distribution of the fluidized bed; that is the main actual challenge of these type of reactors. Finally, there exist new deposition surface concepts that take advantage of higher volume deposited per time unit -when higher deposition area is available- trying to reduce the high energy consumption of the Siemens reactors. These novel concepts are explored by means of theoretical calculations and tests in the laboratory Siemens prototype.