مقاله بررسی ضریب انتقال حرارت در محلولهای الکترولیت

بخشی از مقاله

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

بررسی ضریب انتقال حرارت در محلولهاي الکترولیت

چکیده

بطور اختصاصی در این پایان نامه؛ هدف طراحی وسیله آزمایشگاهی و ارائه دستورالعملهاي لازم براي انجام آزمایشاتی براي اندازه گیري آزمایشگاهی ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد از یک استوانه به محیط متشکل از محلول هاي الکترولیت مختلف با غلظت هاي متفاوت است. بدین منظور ابتدا وسیله

آزمایشگاهی ویژهاي طراحی، کالیبره و ساخته می شود. سپس آزمایشات با محلول الکترولیت سدیم کلراید در آب در پنج غلظت متفاوت 0، 20، 40، 60، 80 و 100 درصد جرمی در شارهاي حرارتی

متفاوت انجام میگردد و در هر مورد نمودار اعداد بدون بعد ناسلت را بر حسب رایلی رسم کرده و نمودارهاي تجربی بدست آمده را با نتایج تجربی بدست آمده توسط آقاي چرچیل-چو و ناسلت مقایسه کرده که نتایج حاصل تقریب بسیار خوبی را نشان می دهند. در نهایت یک رابطه جدید براي پیش بینی ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد اطراف استوانه ها براي محلولهاي الکترولیت پیشنهاد خواهد گردید.

واژه هاي کلیدي: الکترولیت-ناسلت-ضریب انتقال حرارت -محلول

1

-1 معرفی

انتقال حرارت جابجایی آزاد از سطوح استوانهاي طی 45 سال گزشته مورد تحقیق و بررسیهاي فراوانی قرار گرفته است.
آقاي کونیگسبرگر و همکارانش در سال 2008 میلادي مطالعه اي را بر روي دانسیته و ویسکوزیته محلولهاي نمکی کلرید منیزیوم و کلرید نیکل انجام دادند. آنها نشان دادند که دانسیته با افزایش غلظت به صورت خطی افزایش می یابد و ویسکوزیته نیز از 25 درجه سانتیگراد تا زیر 90

درجه سانتیگراد افزایش پیدا می کند. آنها ابراز داشتند که ظرفیت حرارتی این محلولها با افزایش غلظت، کاهش چشمگیري پسدا می کنند.
آقاي اختر و همکارانش در سال 2011 میلادي پژوهشی را بر روي برخی از محلولهاي الکترولیتی انجام دادند. آنها نشان دادند که خواص حرارتی این محلولها با افزودن نانوذرات به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

آقاي وانگ و همکارانش در سال 2011 میلادي مطالعه اي را بر روي برخی از محلولهاي الکترولیت که حاوي یونهاي قلیایی بود انجام دادند. آنها بیان داشتند که با افزایش یونهاي قلیایی، خواص حرارتی محلول افزایش و ساختار کریستالی آنها بهبود می یابد.

آقاي ژانگ و همکارانش در سال 2011 میلادي مطالعه اي را بر روي کمپلکس هاي الکترولیتی انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که غلظت یونهاي موجود در این محلولها به شدت بر روي بازدهی آنها مؤثر بوده، به گونه اي که می توان از برخی از آنها در نقش کاتالیزور بهره جست.

آقاي ملدونادو و همکارانش در سال 2012 میلادي پژوهشی را بر روي ضریب انتقال حرارت هدایتی و ضریب نفوذ محلولهاي الکترولیتی انجام دادند. آنها ابراز داشتند که فاز بخار تشکیل شده بر روي فاز مایع، به شدت بر روي دما و سایر خواص حرارتی محلول مؤثر می باشد.
مطالب ارائه شده در اینجا شامل بخشی از مراحل طراحی، ساخت و کالیبراسیون یک وسیله آزمایشگاهی براي اندازه گیري آزمایشگاهی ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد از یک استوانه به محیط متشکل از محلولهاي غیر الکترولیت مختلف با غلظت هاي متفاوت است. بطور اختصاصی در این بررسی ها هدف طراحی وسیله آزمایشگاهی و ارائه دستورالعمل هاي لازم براي انجام آزمایشات میباشد. در این آزمایشات مهمترین مسأله روش اندازگیري دما میباشد. در طراحی اولیه دماي سطح استوانه، با قرار دادن ترموکوپل هایی در سطح آن اندازه گیري شد که منجر به نتایج غیر واقعی شد که با انجام یک سري اصلاحات در نحوه قرار گرفتن ترموکوپل ها به یک طرح قابل قبول که در قسمتهاي بعدي بطور مفصل شرح داده خواهد شد رسیدیم. در انتها پیشنهادهایی در راستاي نتایج بهتر ارائه می شود.

2

-2 متدولوژي

-1-2 دستگاه ساخته شده براي انجام آزمایش

شکل 1 تصویر دستگاه طراحی شده جهت انجام این آزمایش را نمایش می دهد.

شکل -1 نمایی از دستگاه طراحی شده

نکات مورد نظر در طراحی دستگاه مذکور از لحاظ مکانیکی و حرارتی به شرح زیر میباشند:

-1 شار حرارتی باید حتی الامکان بطور یکنواخت از تمام سطح المنت استوانهاي پخش شود تا گرادیان حرارتی در راستاي محور المنت به حداقل برسد.

-2 المنت حرارتی باید حتی الامکان ازدوطرف عایق شود و افت حرارت از طرفین به کمترین مقدار ممکن کاهش یابد.
-3 پایه ها باید از موادي با ظریب هدایت حرارتی پایین انتخاب شوند تا افت حرارتی کمتري داشته باشیم.

در اینجا از پایه هاي شیشهاي استفاده شده است.

-4 در انتخاب سنسورهانهاي حرارتی، نحوه نصب آ و دامنه دمایی قابل اندازگیري دقت کافی شود.

-5 ساخت دستگاه کم هزینه باشد ونصب و جابجایی آن راحت باشد.

-1-2-1المنت حرارتی

3

بمنظور ایجاد شرایط مرزي با شار ثابت حرارتی از یک استوانه از جنس فولاد ضد زنگ2 با طول 40 سانتیمتر و قطر 12.7 میلیمتر که درراستاي محور آن یک مقاومت الکتریکی قرار گرفته شده، استفاده شده است. اطـراف استوانه به منظور جلوگیري از تماس مقاومت الکتریکی با بدنه استوانه وهمچنین توزیع یکنواخت شار حرارتی، با پودر سنگ کاملا نرم و همگن شده پر شده استضمناً. بمنظور کاهش افت انرژي حرارتی در دو قسمت انتهـایی المنت کـه در تـمـاس بـا دیواره اکواریوم (استخر آزمایش) میباشد طرفین المنت، در محـل اتـصال بـه جــدار شـیشـهاي اسـتـخـربـه طول 2 سانتیمتر با پشم شیشه که ضریب هدایت حرارتـی پـایینی در حـدود 0/038

وات بر متر کلوین دارد کاملا عایقبندي شده است. نمایی از المنت حرارتی در شکل 2 آمده است.

هـمـانـطـور که میبینیم، مقاومت در دامنه 355-367 متغیر است که دلیل آن تابعیت مقاومت از درجه حرارت میباشد. براي اندازه گیري دماي سطح لوله استوانهاي با در نظر گرفتن دامنه تغییرات درجه حرارت و دقت مورد نیاز از ترموکوپل از نوع J استفاده شد. در این راستا تعداد 4 عدد ترموکوپل را در فواصل مساوي از یکدیگر در سطح مقطع میانی لوله توسط یک گیره بسته شدند. سطح مقطع میانی لوله از این جهت انتخاب شد که شیب درجه حرارت نسبت به طول لوله با در نظر گرفتن افت جزئی انرژي حرارتی در دو انتهاي عایق شده صفر میباشد.

شکل -3 نمایی از گیره هاي طراحی شده به همراه طرح شماتیک محل نصب ترموکوپلها(سمت چپ شماتیک و سمت راست عکس)

یک ترموکوپل در قسمت انتهایی لوله در محل اتصال لوله به جداره استخر آزمایش ( قسمت عایق شده)

نصب شده و دماي انتهاي لوله (Tb) را که در محاسبات افت انرژي حرارتی ( ( QL کاربرد دارد را اندازه گیري میکند.

-2-2 مدت زمان انجام آزمایشات

از آنجا که دراین آزمایشات روابط تجربی موردنظر را براي حالت پایا میخواهیم؛ زمان مشخصی باید سپري شود تا در هر مقدار انرژي حرارتی؛ دماي سطح نسبت به زمان به مقداري ثابت برسد که این زمان بستگی به نوع سیال؛ حجم سیال وابعاد المنت حرارتی متفاوت است. دراین آزمایشات بطورتجربی زمان لازم براي رسیدن به حالت پایا (دماي ثابت سطح ) در مقادیر متفاوت انرژي حرارتی بطور متوسط حدود 80 دقیقه به دست آمد.

-3-2 دستورالعمل انجام آزمایشات

-1 دستگاه آزمایش را درمحلی مناسب طوري تعبیه میکنیم که جریان هوا در راستاهاي متفاوت به حداقل مقدار ممکن برسد.

-2 المنت حرارتی را به منبع متغیر ولتاژ ( دیمر ) که یک واتمتر – جهت قرائت مقادیر متفاوت انرژي حرارتی ( ( QT بین المنت و دیمر نصب شده است متصل میکنیم و آزمایش را با انرژي حرارتی برابر با 60

وات شروع کرده و با تغییرات دیمر در مقادیر متفاوت ( ( QT برابر با 60، 80، 95، 110 و 125 وات تکرار مـی کـنـیم. بـدیهی اسـت که در هر مورد در حدود یک ساعت صبر کرده تا شرایط آزمایش به حالت پایا (دماي ثابت درسطح) برسد.

-3 بعد از اینکه دماي قرائت شده توسط ترموکوپلها در مقدار ( ( QT داده شده به حالت پایا رسید آنها را و همچنین مقدار ( ( QT را یادداشت میکنیم.

5

-4جهت لحاظ قراردادن انرژي حرارتی تابشی رد و بدل شده اندازه گیري دماي محیط در نقاطی دور از دستگاه آزمایش (دیواره اتاق) و دماي دیوارههاي استخر آزمایش ضروري است که دراینجا با توجه به حجم سیال موجود در استخر آزمایش و اختلاف دمایی ناچیز بین دیواره استخر و دیوارههاي اتاق از این بخش صرفنظر میشود وصرفاً دماي سیال داخل استخر در مجاورت دیواره استخر اندازه گیري میشود.

-5داده هاي بدست آمده را ثبت وبا توجه به روابط بیسیک انتقال حرارت در جهت حصول رابطه مناسب آنالیز میکنیم.

-4-2 کالیبراسیون و معرفی رابطه انتقال حرارت جابجایی آزاد براي استوانه با شار ثابت حرارتـی در

هوا

پس از طراحی وساخت دستگاه آزمایش به منظور کالیبره کردن آن آزمایشاتی براي انتقال حرارت جابجایی آزاد در هوا انجام داده و نتایج تجربی بدست امده را با مشاهدات تجربی صورت گرفته توسط آقایان چرچیل-چو و آقاي ناسلت کـه آزمـایـشـاتـی را براي استوانه با نسبت طول به قطر نامحدود ( ( L/D=∞ انجام داده و همچنین آقاي سانچز3 که آزمایشاتی را براي استوانه با نسبت طول به قطر محدود در شرایطی نزدیک به شرایط آزمایش ما انجام داده است، مقایسه کرده و در قالب جداول و محاسبات به تفصیل ارایه میشوند.

جدول -2 درجه حرارت تجربی بدست آمده توسط دستگاه آزمایش، براي انتقال حرارت جابجایی آزاد در هوا

درجدول2 مقادیر دماهاي اندازه گیري شده در توانهاي متفاوت ودردماي محیط ارائـه شـدهاسـت.درایـن بخـش دماهاي تجربی بدست آمده را با مقادیر تجربی بدست آمده از روابط تجربی ناسلت، چو-چرچیل و سانچز مقایسه میکنیم که براي استفاده از روابط مذکور ابتدا باید مقدار افت انرژي حرارتی از طریـق تـابش از سـطح اسـتوانه المنت وهمچنین افت ناشی از جابجایی در قسمتهاي انتهایی محاسبه شده و پس از کسر کردن از توان، مقـدار

6

حقیقی انتقال حرارت جابجایی را بدست آورده وضمن جایگذاري در روابط با یکسري محاسبات سعی و خطـایی دماي مذکور را بدست آوریم. نتایج حاصل از محاسبات مذکور در شکل 4 آمده است.

از انجاکــه اکثــر روابــط مربــوط بــه ناســلت تجربــی بــصورت توابــع تــوانی از عــدد بــدون بعــد رایلــی

( Nu  CRa n ) میباشند در اینجا نیز اعداد ناسلت توسط روش کمترین مربعات به تابع توانی بـرازش شده که نتیجه آن بـعـنوان رابطه انتقال حرارت جابجایی آزاد براي استوانه با شار ثابت حرارتـی در هـوا معرفـی میشود:

شکل -4 مقایسه دماهاي تجربی بدست آمده توسط دستگاه آزمایش با نتایج آزمایشگاهی سانچز که از روي گرافهاي مربوطه بدست آمده اند و نتایج حاصل از محاسبات سعی وخطا در روابط ناسلت، چو-چرچیل براي انتقال حرارت جابجایی آزاد در هوا .

7

شکل -5 مقایسه ناسلت تجربی بدست آمده توسط دستگاه آزمایش با ناسلت حاصل از روابط ناسلت، سانچز و چو-چرچیل براي انتقال

حرارت جابجایی آزاد در هوا.

-5-2 آزمایشات انجام شده

در این پژوهش از محلول الکترولیت سدیم کلراید درپنج غلظت متفاوت 0، 20، 40، 60، 80 و 100 در

صد جـرمی اسـتفاده شده است که نتایج به دست آمده در هر مورد به تفصیل در قالب جداول و نمودارهایی ارائه

میشوند .

شکل -6 شماتیک دستگاه مورد استفاده

8

شکل -7 مقایسه ناسلت تجربی بدست آمده توسط دستگاه آزمایش با Nu حاصل از رابطه ناسلت براي انتقال حرارت جابجایی آزاد درآب.

جدول -3 افت انرژي حرارتی در شارهاي متفاوت حرارتی؛ براي انتقال حرارت جابجایی آزاد در محلول % NaCL20 درآب