مقاله بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری نانوسیال در جریان آرام داخل لوله با دمای ثابت دیواره

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسي انتقال حرارت جابجايي اجباري نانوسيال در جريان آرام داخل لوله با دماي ثابت ديواره

چکیده :
يکي از مسايلي که در بسياري از صنايع و کارهاي تحقيقاتي با آن مواجه مي شويم نياز به انتقال حرارت در زمان کوتاه و با شدت حرارتي بالا مي باشد. مفهوم نانوسيال ، سوسپانسيونهاي حاوي ذرات نانو، مواد فلزي و غيرفلزي را شامل مي شود که به عنوان محيط هاي انتقال حرارت استفاده مي شوند. چنين سيالاتي پتانسيل زيادي براي افزايش نرخ انتقال حرارت از خود نشان مي دهند. در اين مقاله انتقال حرارت جابجايي اجباري نانوسيال در جريان آرام داخل لوله با دماي ثابت ديواره به صورت تجربي بررسي شده است و تغييرات عدد Nu و ضريب انتقال حرارت متوسط بر حسب عدد
Pe در غلظتهاي مختلف ذرات نانومورد بررسي قرار گرفته است .در اين بررسي ها درصد افزايش ضريب انتقال حرارت نانوسيال نسبت به آب به صورت تجربي تعيين شده است و در مورد دلايل مغايرت نتايج تجربي با مقادير تئوري بحث گرديده است .
کلمات کليدي
نانوسيال ؛جريان آرام ؛ انتقال حرارت جابجايي ؛ سوسپانسيون

مقدمه
سرمايش و گرمايش سيالات براي بسياري از فرآيندهاي صنعتي شامل منابع حرارتي ، فرآيندهاي توليدي ، حمل و نقل و الکترونيک نقش مهمي دارد و منابع بسيار زيادي در مورد روش هاي افزايش نرخ انتقال حرارت در اين فرآيندها گزارش داده اند. بيشتر اين روشها بر مبناي تغييرات در ساختار تجهيزات ، نظير افزايش سطوح حرارتي (پره ها)، لرزش سطوح حرارتي ، تزريق يا مکش سيال و اعمال جريان الکتريکي يا مغناطيسي متمرکز مي باشند [۳-۱]. اين تکنيکها به سختي مي توانند از عهده تقاضاي روز افزون انتقال حرارت و فشرده سازي در تجهيزاتي شامل تراشه هاي الکترونيکي ، سيستمهاي ليزري و فرآينده هاي با انرژي بالا بر آيند. در اين ميان موضوعي که کمتر به آن توجه شده است ، تأثير ضريب انتقال حرارت سيالات در توسعه تجهيزات انتقال حرارت با بازدهي بالاست . محيطهاي انتقال حرارت معمولاٌ از سيالاتي نظير آب ، اتيلن گليکول يا روغن تشکيل شده اند. اين سيالات ضريب انتقال حرارت بسيار پاييني در مقايسه با فلزات و حتي اکسيدهاي فلزي دارند. بنابراين انتظار مي رود سيالاتي که شامل ذرات بسيار ريز اين ترکيبات باشند در مقايسه با سيالات خالص خواص حرارتي بهتري از خود نشان دهند. به خاطر مشکلات تکنولوژيکي مطالعات انجام گرفته در اين زمينه بيشتر بر روي سوسپانسيونهايي متمرکز بوده که شامل ذرات جامد معلق در حد ميلي متر يا حداکثر ميکرومتر هستند. ذرات در اين مقياس مشکلات جدي در تجهيزات انتقال حرارت ايجاد مي کنند. به طوري که اين ذرات به سرعت در سيستم ته نشين مي شوند و در صورتيکه کانال از قطر کمتري برخوردار باشد مشکل جدي تر خواهد بود. بطور مثال در هنگام عبور از ميکروکانالها کلوخه شده و باعث گرفتگي مسير مي گردند که در نتيجه افت فشار زيادي ايجاد مي کنند، به علاوه برخورد اين ذرات با يکديگرو همچنين با ديواره سيستم و تجهيزات ايجاد سايش مي کند[۵و۴].
بدون شک پيشرفتهاي اخير در توليد ذرات نانو را مي توان يک تحول در روش هاي افزايش انتقال حرارت دانست زيرا اندازه کوچک ذرات و کسر حجمي پايين مورد استفاده مسائلي نظير کلوخه شدن و افت فشار را حل مي کند. علاوه بر اين سطح نسبي بزرگ ذرات نانو، پايداري ذرات را افزايش داده و مسئله ته نشيني را کاهش مي دهد و هزينه هاي لازم براي نگهداري و انتقال سيالات را کم مي کند. همچنين به صورت تئوريک مشخص است هرچه قدر ذرات ريزتر باشند سطح نسبي انتقال حرارت آنها بيشتر مي شود ودر نتيجه بازده حرارتي ذرات معلق که تابعي از سطوح انتقال حرارت مي باشد با کاهش اندازه ذرات افزايش مي يابد.
چوي(۱۹۹۵) [۶] اولين کسي بود که در آزمايشگاه ملي آرگونه در ايالات متحده سوسپانسيون حاوي ذرات نانو در سيال پايه را نانوسيال ناميد و افزايش فوق العاده در ضريب انتقال حرارت اين سيالات را نشان داد.
چوي و لي [۷] گزارش کرده اند که سوسپانسيون ۴% حجمي ذرات ۳۵ نانومتري CuO در اتيلن کليگول افزايش ۲۰ درصدي در ضريب هدايت حرارتي را نشان مي دهد.چوي و لاک وود [۸] اشاره کرده اند که ضريب هدايت حرارتي روغن موتور حاوي ۱% حجمي ذرات نانوکربن افزايش ۶۰ درصدي را بيان مي کند. . يکي از آخرين بررسي هاي انجام گرفته توسط
کي داس مي باشد [۹] که تغييرات ضريب هدايت حرارتي نانو سيال را با دما نشان مي دهد. از مجموع مطالعات تجربي و تئوريک چنين مشخص مي شود که افزايش ضريب هدايت حرارتي سوسپانسيونهاي حاوي ذرات نانو بسيار بيشتر از پيش بيني هاي مدلهاي تئوريک نظير معادلات ماکسول ، هميلتون -کروسر و ... مي باشد [۱۲-۱۰] و نياز به بررسي هاي بيشتر در زمينه هدايت حرارتي نانوسيال مي باشد.
با وجود اين مهم است تأکيد کنيم که کاربرد نانوسيال بيشتر براي مقاصد سرمايش درشرايط انتقال حرارت جابجايي مي باشد بنابراين نياز به مطالعه و بررسي در زمينه انتقال حرارت جابجايي نانوسيال وجود دارد.
لي و ژوان [۱۳] طي آزمايشي که نانوسيال آب دي يونيزه . ذرات ۳۵ نانومتري Cu را در لوله با بار حرارتي ثابت ديواره جريان دادند نشان دادند که عدد ناسلت نانوسيال با۱%حجمي ذرات مس در مقايسه با آب خالص ۱۲% افزايش مي يابد و سپس نتيجه گيري کرده اند که نسبت عدد ناسلت براي نانوسيال در مقايسه با آب خالص با همان شدت جرمي از ۱.۰۵ تا ۱.۱۴ تغيير مي کند اگر کسر حجمي ذرات نانواز ۰.۵% تا ۱.۲% افزايش يابد.
روتزل ، ژوان و لي [۱۵و۱۴] دو حالت براي تعيين انتقال حرارت جابجايي سيالات نانو در نظر گرفته اند. در حالت اول نانوسيال را مشابه سيالات خالص بدون وجود ذرات نانو در نظر گرفته ولي ضرايب هدايت حرارتي ، ويسکوزيته و گرماي مخصوص را براي مخلوط دو فازي از روي روابط موجود استفاده نموده اند و در حالت دوم مدل پراکندگي را براي بيان رفتار پراکندگي حرارتي ناشي از جرکات بدون نظم ذرات بکار برده اند. . ژوان و لي [۱۶] طي بررسي که روي نانوسيال آب .Cu در جريان درهم با بار حرارتي ثابت ديواره انجام دادند افزايش انتقال حرارت جابجايي نانوسيال را ناشي از افزايش ضريب هدايت حرارتي نانوسيال و وجود حرکات تصادفي و پراکندگي در جريان نانوسيال عنوان کرده و روابط جديدي را بر مبناي مطالعات تجربي ارائه دادند. ون و دينگ [۱۷] در بررسي جريان نانوسيال آب . در شرايط جريان آرام با بار حرارتي ثابت ديواره ، افزايش ضريب انتقال حرارت جابجايي نانوسيال را با افزايش عدد Re و غلظت ذرات مخصوصاً در نواحي ورودي گزارش کرده اند و دليل اين مسئله را کاهش لايه مرزي حرارتي در اثر توزيع غير يکنواخت ويسکوزيته و ضريب هدايت حرارتي به علت حرکات براوني ذرات عنوان نموده اند. روي وگوين [۱۹و۱۸] در مطالعات عددي انتقال حرارت جابجايي نانوسيال آب . و اتيلن گليکول . در سيستمهاي جريان شعاعي افزايش قابل توجه انتقال حرارت را گزارش کرده اند. همچنين افزايش تنش برشي ديواره را با افزايش غلظت ذرات نانو نشان داده اند. يانگ و ژانگ [۲۰] در بررسي حرارت جابجايي نانوسيال Graphit.baseoil و Graphit.ATF در جريان آرام افزايش ضريب انتقال حرارت جابجايي نانوسيال را گزارش کرده اند. ولي نتايج حاصل کمتر از مقدار پيش بيني شده بوسيله معادلات مرسوم مي باشد. پوترا [۲۱] در بررسي انتقال حرارت جابجايي آزاد نانوسيال آب . و آب .CuO کاهش انتقال حرارت جابجايي توسط نانوسيال را مشاهده کرد و اين مسئله را ناشي از عواملي چون ته نشيني و اختلاف سرعت ذرات و سيال را بيان کرد.
بررسي جوشش يا حالات تغيير فاز توسط روتزل ، پوترا و داس [۲۳و۲۲] انجام گرفته است که به تعويق افتادن فرآيند جوشش با افزودن ذرات نانورا مشاهده کرده و علت اين مسئله را تأثير ذرات نانو روي زبري سطح عنوان کرده اند. ون ودينگ [۲۴] تأثير مهاجرت ذرات نانو به خاطر حرکات براوني را در جريان نانوسيال به صورت تئوريک بررسي کرده و افزايش انتقال حرارت را در جريان نانوسيال گزارش کرده اند.
هدف از اين مطالعه بررسي انتقال حرارت جابجايي نانوسيال در جريان آرام تحت شرايط مرزي دماي ثابت ديواره است . در اين تحقيق غلظتهاي مختلف نانوسيال آب . تهيه شده و تأثير افزايش غلظت و جريان روي انتقال حرارت جابجايي بررسي شده است و با پيش بيني هاي تئوريک در مورد انتقال حرارت سيالات خالص مقايسه گرديده است و در مورد نتايج حاصل و عوامل مؤثر بحث شده است .
سيستم آزمايشي
در طي اين آزمايش براي بررسي انتقال حرارت جابجايي تحت شرايط مرزي دماي ثابت ديواره يک سيستم آزمايشي مطابق شکل (۱) ساخته شده است . سيستم آزمايشي شامل يک مدار براي جريان نانوسيال مي باشد که داراي بخش هاي گرمايش با جريان بخار، سرمايش با آب سرد، سيستمهاي اندازه گيري دما، فشار و تنظيم جريان سيال است . يک مخزن شيشه اي با حجم ۲ ليتر مجهز به يک شير تخليه به عنوان مخزن ذخيره سيال بکار مي رود. به منظور تنظيم دبي جريان عبوري از يک خط برگشتي جريان به مخزن استفاده مي گردد و با تنظيم شير موجود بر روي خط برگشتي ، دبي مورد نظر به بخش آزمايش ارسال مي گردد. بخش آزمايش شامل يک لوله تودرتوست که لوله داخلي از جنس مس با قطر داخلي mm٦ و ضخامت mm٠٥و طول mm١ است و پوسته از جنس فولاد ضدزنگ با قطر mm٣٢ و طول m١ مي باشد. در داخل لوله نانوسيال در جريان بوده و در قسمت پوسته بخار در حال کندانس در جريان است که دماي ثابت ديواره را تشکيل مي دهد. اطراف سيستم عايق کاري شده است .۱۰ عدد ترموکوپل (K-tye) بر روي بدنه لوله داخلي با فواصل Cm١٠ به منظور اطمينان از ثابت بودن دماي ديواره و اندازه گيري دماي بدنه داخلي لوله نصب شده اند. ۲ عدد
ترموکوپل (K-tye) نيز در بخش ورودي و خروجي جريان سيال نصب شده اند تا دماي
بالک را اندازه گيري نمايند.

به منظور تعيين افت فشار جريان در بخش آزمايش از يک مانومتر استفاده شده است که افت فشار را در طول لوله براي شدت جريان هاي مختلف اندازه گيري مي کند. جريان خروجي از بخش آزمايش در يک مبدل حرارتي در جريان آب سرد، خنک شده و سپس وارد ناحيه اندازه گيري دبي مي شود. به منظور تعيين دبي جريان سيال از يک محفظه شيشه اي به حجم که در قسمت پايين آن جهت تخليه شيري قرار دارد استفاده مي گردد. سيستم اندازه گيري دبي قبل از مخزن ذخيره قرار دارد.

تهيه نانوسيال
در طي اين آزمايش نانوسيال آب مورد بررسي قرار گرفته است . ابعاد ذرات مورد استفاده nm٢٠ مي باشد که در داخل آب پراکنده شده اند. به منظور عدم تغيير خواص سيستم از هيچ عامل پايدارساز يا پراکنده سازي استفاده نشده است و فقط از سيستم همزن اولتراسيونيک به منظور پراکنده سازي مناسب ذرات در داخل مايع استفاده گرديده است . در اين آزمايش غلظتهاي ۰.۲%، ۰.۵%، ۱.۰%، ۱.۵%، ۲.۰% و ۲.۵% حجمي ذرات مورد بررسي قرار گرفته است . با توجه به اين که خواص حرارتي و فيزيکي يک سوسپانسيون بستگي زيادي به فرآيند و کيفيت پراکنده سازي ذرات جامد در داخل مايع دارد. به منظور تهيه سوسپانسيون ابتدا وزن مناسب از پودر نانو از روي دانسيته واقعي تعيين و با آب مقطر مخلوط شده و سپس در سيستم همزن اولتراسونيک (مدل ParsonicS٣٦٠٠) به مدت ۱۶-۸ قرار داده مي شود. بعد از اين مدت هيچ گونه ته نشيني براي سوسپانسيون هاي ۲.۵%-۰.۲% در مدت ۲۴ ساعت مشاهده نگرديد.
نحوه محاسبات
به منظور تعيين ضريب انتقال حرارت و عدد ناسلت متوسط نانوسيال در داخل لوله از روابط زير استفاده مي کنيم :

که در روابط دماي بالک ورودي : دماي بالک خروجي ، دماي بالک متوسط در طول مسير، دماي ديواره لوله قطر لوله ،L: طول لوله ، A: سطح مقطع لوله ، سرعت متوسط جريان ، دانستينه نانوسيال ، گرماي مخصوص نانوسيال ، ضريب انتقال حرارت جابجايي متوسط نانوسيال ، ضريب هدايت حرارتي نانوسيال و عدد ناسلت متوسط تجربي نانوسيال مي باشد.
نتايج تجربي حاصل از معادلات بالا با پيش بيني روابط موجود براي جريان سيال تک فازي داخل لوله با دماي ثابت ديواره (معادله Seidr-Tate) مقايسه مي گردد[۲۵]. در اين رابطه افزايش انتقال حرارت جابجايي نانوسيال فقط ناشي از افزايش ضريب هدايت حرارتي نانوسيال مي باشد.

دراين رابطه ويسکوزيته سيال ، ويسکوزيته نانوسيال در دماي ديواره ،
به ترتيب عدد رينولدزو پرانتل براي نانوسيال مي باشند که به شکل زير تعريف مي گردند:

خواص فيزيکي مورد استفاده براي نانوسيال شامل دانسيته ، ويسکوزيته ، گرماي مخصوص و ضريب هدايت حرارتي از روابط زير با توجه خواص آب و ذرات نانو دردماي متوسط بالک تعيين مي شوند.

که :کسر حجمي ذرات نانو، دانسيته ذرات نانوو دانسيته آب مي باشد.

در اين رابطه دانسيته آب بوده و رابطه بالا (Einstenequation) در غلظت کمتر از ۲%حجمي براي ذرات کروي قابل استفاده است [۲۶].

در رابطه (۸) Cpw: گرماي مخصوص آب و Cps: گرماي مخصوص ذرات نانواست . در غياب داده هاي تجربي براي تعيين ضريب هدايت حرارتي نانوسيال از رابطه هميلتون -کروسر[۲۷] به شکل زير استفاده مي گردد:

در رابطه بالا kw: ضريب هدايت حرارتي آب و ks: ضريب هدايت حرارتي ذرات نانو مي باشد.
در طي آزمايش با اندازه گيري دماي ورودي و خروجي نانوسيال ، دماي بدنه لوله ، دبي جرمي سيال عبوري و محاسبات خواص رئولوژيکي و فيزيکي جريان نانو سيال مي توان عدد ناسلت
و ضريب انتقال حرارت جابجايي را براي نانوسيال در غلظت هاي مختلف تعيين نمود.

تعيين دقت سيستم آزمايشي
به منظور بررسي جريان سيال ، افت فشار جريان آب در داخل لوله اندازه گيري شده و با مقادير حاصل از روابط تئوريک مقايسه گرديده است . نتايج حاصل از افت فشار آب بر حسب عدد Re در شکل (۲) ارائه شده است .

مقادير تطابق خوبي با هم دارند و حداکثر اختلاف بين مقادير قابل مشاهده است .به منظور توانايي سيستم در تعيين دقيق و صحيح ضريب انتقال حرارت جابجايي نانوسيال آزمايش هايي با آب مقطر به عنوان سيال عامل انجام گرفته است . نتايج تجربي بدست آمده با مقادير حاصل از رابطه (Seidr-Tate) معادله (۳) براي جريان آرام با شرايط مرزي دماي ثابت ديواره مقايسه گرديده است .
شکل (۳) نشان دهنده مقادير عدد ناسلت بر حسب عدد Pe براي جريان آرام آب در داخل لوله با دماي ثابت ديواره مي باشد. همانطوري که از شکل مشخص است تطابق خوبي بين نتايج تجربي حاصل و نتايج تئوريک محاسبه شده از معادله وجود دارد و حداکثر اختلاف بين نتايج موجود است . همچنين شکل (۴) ضريب انتقال حرارت جابجايي تجربي و محاسباتي آب را بر حسب عدد Pe نشان مي دهد