بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
بررسی عددی انتقال حرارت در آبگرمکن های مخزنی طرح جدید
چکیده
هدف از این تحقیق بررسی انتقال حرارت در آبگرمکن های مخزنی با طراحی جدید در مقایسه با آبگرمکن های مخزنی مرسوم است . گازهای گرم به جای گذر از یک لوله مدور که در میانه آبگرمکن های مرسوم وجود دارد از درون یک کانال حلقوی (کانال میانی دو استوانه هم مرکز) که بوسیله تعدادی پره محوری به کانالهای قطاعی تقسیم شده عبور می کند . میزان انتقال حرارت و افت فشار در این کانالها بستگی به نسبت قطر دو استوانه و زاویه پره های محوری و همچنین دمای گاز گرم ورودی و میزان شدت جریان جرمی گاز دارد . در هر شدت جریان مساوی گاز . آبگرمکن های جدید از ضریب کارائی بالاتری برخوردارند .
واژه های کلیدی : انتقال حرارت , کانال حلقوی , آبگرمکن .
مقدمه
استفاده بهینه از سوخت هم اکنون در دستور اکثر کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه قرار دارد . پایان پذیر بودن منابع سوخت فسیلی , که در جهان امروز سهم عمده ای در گردش چرخهای صنایع را به عهده دارد و ایجاب می کند که علاوه بر تلاش در راه جایگزین نمودن منابع دیگر انرژی و همچون انرژی های تجدید پذیر و بازنگری ویژه ای بر چگونگی مصرف در سیستم های مصرف کننده صورت گیرد. از آنجا که قسمت عمده ای از کل انرژی مصرفی جهان به بخش مصارف خانگی اختصاص دارد لازم است که به منظور بهینه سازی مصارف در این زمینه به دو طریق زیر عمل کرد :
-1 شناخت سیستم ها و فرآیندهای حرارتی که از سالیان پیش درخدمت بشر بوده و بدون توجه به بهینه سازی مصرف سوخت , طراحی , تهیه و تولید شده اند . این امر منجر به بکــارگـیری روش های موثر برای کاهش ضایعات حرارتی و کوشش برای بازیافت حرارت و فراهــم آوردن زمینـه برای استفاده های جنبی از تلفات غیر قابل اجتناب و در نتیجه افزایش بازده کلی حرارتی می گردد.
این زمینه عمدتاً بهینه سازی در مصرف انرژی صنایع و ساختمانهای قدیمی را شامل می شود .
-2 طراحی سیستم های جدید بر اساس عملکرد فرآیندهای حرارتــی و اسـتفاده از مـواد و مصالح موثر به منظور بالا بردن کیفیت احتراق و افزایش ضریب انتقال حـرارت و اسـتفاده مجـدد از تلفات غیر قابل اجتناب در فرایندهای مقدماتی مربوط به خـود سیسـتم . طراحـی وسـایل حرارتـی خانگی جدید مانند آبگرمکن ها , شوفاژها و ..... و همچنین طراحی صنایع و ســاختمانهای جدیـد و استفاده از مواد و مصالح ساختمانی پیشرفته در این دسته بندی می گنجد .
در میان لوازم حرارتی خانگی آبگرمکن های مخزنی یکی از رایج ترین و در عیــن حـال پـر مصرف ترین دستگاههای حرارتی می باشند . ساده بودن تکنولوژی ساخت و نسبتا ارزان بودن ایــن نوع وسائل باعث شده که مسئله بهینه سازی مصرف سوخت در آنها مورد بی توجهی قــرار گرفتـه و سازندگان بسیاری که عمدتا در مسائل سوخت و احتراق و انتقال حرارت تخصصی ندارند به ســاخت و تولید انبوه اقدام نمایند . لزوم بازنگری در مصرف سوخت و بازده حرارتی این وسائل امروزه یکی از ضروریات است .
پژوهش حاضر تلاشی در جهت شناخت فرآیند انتقال حــرارت در آبگرمکـن هـای مخزنـی موجود و ارائه طرحی جدید به منظور افزایش بازده حرارتی آبگرمکن ها است .
طرح مسئله
آبگرمکن های مخزنی خانگی از یک مخزن استوانه ای , که در میان آن و در راستای محـور یک لوله به منظور عبور گازهای گرم حاصل از احتراق تعبیه شده است , تشکیل می گردد . مشــعل در پائین ترین قسمت و در زیر آبگرمکن قرار گرفتـه و بطـور طبیعـی و بـدون اسـتفاده از هـرگونـه دمندهای انرژی حرارتی جهت گرمایش آبگرمکن را تامین می نماید . مخلوط شدن هوای محیـط بـا گازهای گرم احتراق در مدخل لوله در پائین آوردن دمای گاز ورودی به لوله داخلی آبگرمکن نقــش عمده ای را ایفا می کند . از طرف دیگر گازهای گرم در حین عبور از لوله میانی به علت کــم بـودن وسعت سطح انتقال حرارت , تنها قسمتی از انرژی حرارتی خود را به مخزن داده و با دمــای نسـبتاً بالا از آبگرمکن خارج می شوند. راندمان حرارتی این دستگاهها عمدتا پائین است . افزایش قطر لولـه داخلی اگر چه سطح تماس را افزایش می دهد , به علت کاهش عدد رنولدز , موجــب کـاهش قـابل توجه ضریب انتقال حرارت می گردد .
در طرح جدید دود گرم بجای گذر از یک لوله مدور , از کانال حلقوی میان دو استوانه هــم مرکز می گذرد (شکل . (1 تعدای پره بصورت محوری سطح مقطع کانال را به کانــال هـای قطـاعی تقسیم می کند .
با توجه به اندازه نسبت قطر دو استوانه , زوایه بین پره هـا , طـول کانـال , سـرعت گـاز در محل ورود به کانال و دمای آن , میزان انتقال حــرارت و افـت فشـار متغـیر خواهـد بـود . شـناخت چگونگی انتقال حرارت در این کانال ها از دیر باز مورد توجه محققان بوده است . [3-1]
در پژوهش حاضر فرص بر این است که ضخامت استوانه خــارجی و داخلـی نـاچـیز اسـت .
دیگر ابعاد کانال عبارتند از : ارتفاع کانـال , 1m قطـر اسـتوانه داخلـی 20cm و ضخـامت هـر پـره 2mm می باشد . پره ها از جنس آهن بوده و تنها به بدنه استوانه خارجی متصل می باشد .
وجود پره های محوری می تواند موجب افزایش انتقــال حـرارت در کانـال گـردد . مقایسـه انتقال حرارت در درون لوله مدور و در درون کانال حلقوی می تواند راه را برای بهینه کردن مصــرف انرژی هموا نماید . بدین منظور با استفاده از روش محاسبات عددی مسئله حرکــت سـیال و انتقـال حرارت در هر دو نوع کانال مورد مطالعه قرار گرفته است . فضای فیزیکی مســئله همانگونـه کـه در شکل 2 نشان داده شده قسمتی از کانال حلقوی است که بین دوپره محصور گردیده است . به علـت وجود تقارن در کانال کافی است تا معادلات حاکم تنها ب رای نصف کانال حــل شـوند . بدیـن منظور تنها نصف ضخامت یک پره در هندسه مورد مطالعه منظور گردیده است .
حل معادلات حاکم
معادلات حاکم بر حرکت سیال و انتقال حرارت جابجائی در درون کانال حلقوی , بــا فـرض آرام و پایدار بودن حرکت سیال بصورت زیر نوشته می شود :
کهVr , ,Vθ Vz به ترتیب مولفه هــای سـرعت در جـهت محـود , زاویـه ای و شـعاعی هسـتند و ρچگالی سیال است .
معادلات بقا اندازه حرکت در جهت ﳏور
که در رابطه بالا τ تنش برشی در سیال است .
در جهت شعاع
در جهت زاویه
معادله انرژى
Kضریب حرارتی سیال و Tدما است .
شرایط مرزی به قرار زیر است :
-1 سرعت سیال بر روی تمامی سطوح جامد صفر است .
-2 سرعت و دمای سیال و در نتیجه عدد رینولد در ورودی کانال معلوم است .
-3 دمای دیواره استوانه خارجی ثابت و برابر با 310K درجه کلوین است .
-4فشار سیال در خروجی از کانال ثابت و برابر با یک اتمسفر است .
-5 شعله مشعل در ورودی کانال بصورت سطح مقطعی از کانال که دمای آن دمای ســیال ورودی و ضریب صدور آن یک است مدل شده است ( تابش از این سطح به دیواره های کانال منظور گردیــده است .)
-6 ضریب صدور برای دیواره استوانه داخلی (0/9) و برای دیواره خارجی (0/3) منظور گردیده است.
-7 سطح بیرونی نیم پره به علت تقارن آدیاباتیک فرض شده است .
-8 شرایط مرزی در سطح میانی کانال متقارن می باشد .
-9 انتقال حرارت هدایت محوری در پوسته داخلی ناچیز فرض شده است .
-10دیواره بیرونی پوسته داخلی آدیاباتیک است .
همچنین شرایط مرزی برای حل معادلات حرکت در لوله مدور با فــرض مغشـوش و پـایدار بودن جریان بودن بصورت زیر می باشد :
-1 دمای دیواره لوله ثابت و برابر با 310k می باشد .
-2 سرعت و دمای ورودی سیال به لوله معلوم است .
-3 فشار سیال در خروجی از کانال قابت و برابر با یک اتمسفر .
روش حل معادلات
معادلات حاکم به همراه مرزی توسط یــک نـرم افـزار دینـامیک سـیالات محاسـباتی حـل شدهاند . برای این کار ابتدا فضای فضای فیزیکی مورد نظر در راستای طول , (z) شعاع (r)و زاویــه θ شبکه بندی شد و معادلات حاکم در فضای شبکه بندی حل گردید . برای حصول اطمینــان از صحت عملکرد نرم افزار ابتدا چند مسئله حل شده 4]و[5 در زمینه انتقـال حـرارت در کانـال هـای حلقوی تکرار شد و مطابقت بسیار خوبی مشاهده گردید .[6]
سپس حل معادلات حاکم در هندسه مورد نظر صــورت گرفـت . پـس از اطمینـان از عـدم تغییر نتایج نسبت به تعداد شبکه , اطلاعات لازم جمع آوری گردید . علاوه بر دمای سیال خروجــی از کانال اختلاف فشار دو سر کانال و میزان با توجه به تغیــیرات پارامترهـای دمـا و عـدد رینولدز سیال ورودی و نسبت قطر و زاویه میان پره ها که گسترده تغییرات آنها در جــدول 1 آمـده است , بدست آمد [6].
