بخشی از مقاله
خلاصه
در طول سالهای اخیر در مورد روشهای افزایش انتقال حرارت، تحقیقات وسیعی صورت گرفته استراهبُرد. جدیدی که برای بهبود خواص انتقال حرارت سیالات استفاده میشود، اضافه کردن ذرههای جامد با اندازه کمتر از 100 نانومتر هست. در این تحقیق عملکرد مبدل حرارتی دولولهای با جریان مخالف که حاوی نانوسیال آبAl2O3/ است، تحت شرایط جریان آرام و با دمای دیواره ثابت موردبررسی قرار گرفت. روش مورداستفاده، روش عددی بوده و نرمافزار گمبیت جهت شبیهسازی هندسه مبدل حرارتی و نرمافزار فلوئنت جهت حل معادلات حاکم مورداستفاده قرارگرفتهاند. تأثیرات دما و کسر حجمی و عدد رینولدز نانوسیال ورودی روی میزان انتقال حرارت بررسی شد. نتایج بهدستآمده نشان میدهد با کاهش دمای نانوسیال و با افزایش کسر حجمی و عدد رینولدز، میزان انتقال حرارت افزایش پیدا میکند.
کلمات کلیدی: نانوسیال، مبدل حرارتی دولولهای، عدد ناسلت
1. مقدمه
یکی از چالشهای علمی مهم در حوزه صنعت خنک کاری است که در موارد مختلف ازجمله میکروالکترونیک حملونقل و تولید موردتوجه قرار میگیرد. پیشرفتهای تکنولوژیک مانند دستگاههای میکروالکترونیک که با سرعتهای بالا کار میکنند موتورهای باقدرت بالا و دستگاههای نوری باعث افزایش بارهای حرارتی میشوند[1]
سیالات مرسوم که برای افزایش انتقال حرارت استفاده میشوند مانند اتیلن گلیکول، آب، پروپیلن گلیکول و روغنموتورذاتاً ظرفیت حرارتی پایینی دارند. خاصیت ترمودینامیکی ضعیف مایعات باعث میشود که از ذرات جامد معلق برای افزایش خواص حرارتی و بهبود مشخصات انتقال حرارت سیالات استفاده شود چراکه ذرات جامد هدایت حرارتی بیشتری نسبت به مایعات دارند [4-2]
در سال 1995 فردی به نام چوی3 سوسپانسیون رقیقی از ذرات بسیار ریز در مایعات معمولی را نانوسیال نامید. نانو سیال مخلوط دوفازی هست که ترکیبی از یک سیال پیوسته و نانوذرههای منتشرشده در سوسپانسیون است .[6 ,5 ,1] نانوذرهها میتوانند فلزی، اکسید فلزی، پلیمر، سیلیکا و یا حتی نانولولههای کربنی با حداقل طول کمتر از 100 نانومتر باشند .[6] هی4 و همکاران بهصورت تجربی رفتار انتقال حرارت نانوسیال آبTiO2/ را در داخل لوله مستقیم عمودی در هر دو رژیم جریان آرام و آشفته موردمطالعه قراردادند. بررسیهای آنها نشان داد که اضافه کردن نانوذرههای TiO2 در آب هدایت حرارتی را افزایش میدهد و میزان افزایش با اضافه شدن کسر حجمی و کاهش اندازه ذره بیشتر میشود. آنها نتیجه گرفتند با افزایش کسر حجمی نانوذره ضریب انتقال حرارت جابهجایی در هر دو رژیم جریان آرام و آشفته افزایش مییابد .[7] مارشد5 و همکاران هدایت حرارتی و ویسکوزیته سوسپانسیون نانوذرههای TiO2 و Al2O3 را در سیال پایه آب دیونیزه و اتیلن گلیکول اندازهگیری کردند. نتایج آنها نشان داد که ویسکوزیته و هدایت حرارتی مؤثر نانوسیالات بهطور قابلتوجهی با کسر حجمی نانوذره افزایش مییابد. آنها مشاهده کردند که علاوه بر کسر حجمی، اندازه و شکل ذره و همچنین لایه میان سطحی و دما نیز هدایت حرارتی نانوسیال را تحت تأثیر قرار میدهد .[8]
کیم1 و همکاران انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال آب/ آلومینا و آب/آمورفوس کربنیک را در یک لوله مدور مستقیم با شار حرارتی ثابت تحت رژیم جریان آرام و آشفته بهصورت تجربی موردبررسی قراردادند. بررسیهای آنها نشان داد که در دمای 22 درجه سانتیگراد هدایت حرارتی نانوسیال %3 حجمی آلو مینا %8 افزایش یافت و ضریب انتقال حرارت جابهجایی در جریان آرام و آشفته به ترتیب %15 و %20 افزایش یافت اما برای نانوسیال آمورفوس کربنیک با کسر حجمی %3,5 هدایت حرارتی مشابه آب خالص است و افزایش ضریب انتقال حرارت جابهجایی در جریان آرام فقط به %8 رسید درحالیکه در جریان آشفته هیچ افزایش انتقال گرما مشاهده نشد .[9] زمزمیان و همکاران تأثیر نانوسیال اتیلن گلیکولAl2O3/ اتیلن گلیکولTiO2/ را روی ضریب انتقال حرارت جابهجایی اجباری در داخل مبدلهای حرارتی دولوله ای و صفحهای تحت شرایط جریان آشفته موردمطالعه قراردادند. آنها افزایش 50 درصدی در ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال را در مقایسه با سیال پایه مشاهده کردند. علاوه بر این مطالعات آنها نشان داده با افزایش غلظت نانوذرهها و دمای نانوسیال ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانوسیال افزایش مییابد .[10]
عباسیان و امانی افت فشار و انتقال حرارت جریان آشفته نانوسیال آبTiO2/ برای کسر حجمیهای بین - 0,2-2 - % و اعداد رینولدز بین - 8000 -50000 - را در داخل مبدل حرارتی دولولهای موردمطالعه قراردادند. نتایج آنها نشان داد که عدد ناسلت نانوسیال با افزایش عدد رینولدز و کسر حجمی نانوذرهها افزایش مییابد .[11] آنها همچنین بیان کردند که کاهش قطر نانوذره تأثیر قابلملاحظهای روی عدد ناسلت ندارد درحالیکه افت فشار را بهشدت کاهش میدهد. نتایج آنها نشان داد که بین ذرههای با قطر 10 20 30 50 نانومتری بهترین عملکرد حرارتی مربوط به ذرههای 20 نانومتری هست .[12]
در تحقیق حاضر به مطالعه عددی تأثیر افزایش کسر حجمی و دمای نانوسیال آبAl2O3/ بهعنوان سیال عملیاتی روی عملکرد مبدل حرارتی دولولهای پرداختهشده است. شبیهسازی تحت شرایط جریان آرام و در حالت سهبعدی صورت گرفته است. دمای سیال گرم در حال جریان در لوله بیرونی، 55 درجه سانتیگراد و دمای نانوسیال در حال جریان در لوله داخلی، 30،25 و 35 درجه سانتیگراد هست. نانوسیال آلومینا در کسر حجمیهای %2 و %3 موردبررسی قرار گرفت.
2. مدلسازی ریاضی
در حالت پایدار و سهبعدی، معادلات بقای جرم و انرژی و معادلات ناویر استوکس بهصورت زیر نوشته میشود: - 1 -
بهطورکلی، عملکرد انتقال حرارت جابهجایی نانوسیالات با استفاده از دو روش تک فازی و دوفازی مدل میشود. مدل دوفازی، امکان فهم عملکرد هر دو فاز مایع و جامد را در فرآیند انتقال حرارت فراهم میآورد. مدل تک فازی فرض میکند که هر دو فاز جامد و مایع در تعادل حرارتی هستند و با سرعت مشابهی حرکت میکنند، این روش سادهتر است و به زمان محاسباتی کمتری نیاز دارد[13] [13][13][13]؛ بنابراین در این تحقیق رویکرد تک فازی به کار گرفتهشده است.
خواص ترموفیزیکی آب با اضافه کردن نانوذرههای آلومینا دچار تغییر میشود که مقادیر آنها توسط روابط زیر محاسبه میشود: چگالی نانوسیال آلومینا بر طبق مطالعات خانافر و همکاران از رابطه زیر محاسبه شد :[14]
که کسر حجمی نانوسیال و دمای نانوسیال برحسب درجه سانتیگراد است. گرمای ویژه با استفاده از رابطه ژان و روتزل1 محاسبه شد:
که در آن چگالی سیال پایه، گرمای ویژه سیال پایه، چگالی نانوذره، گرمای ویژه نانوذره و چگالی نانوسیال است. .[14] ویسکوزیته و هدایت حرارتی با استفاده از رابطه ریا2 و همکاران بهصورت زیر محاسبه شد:
که هدایت حرارتی سیال پایه و هدایت حرارتی نانوسیال است .[15] ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت با استفاده از روابط زیر محاسبه میشود: - 10 -
که q سرعت انتقال حرارت کلی، قطر هیدرولیکی، دمای دیواره، دمای میانگین توده سیال و هدایت حرارتی سیال است.
3. مشخصات سیستم
مبدل حرارتی دولوله ای مطابق رفرنس [16] به طول 1 متر است. قطر لوله داخلی 0,008 متر و از جنس مس و قطر لوله بیرونی 0,016 متراست و برای جلوگیری از اتلاف حرارت از پشمشیشه بهعنوان عایق استفادهشده است. هیچ ضخامتی برای لولهها در نظر گرفته نشده است. سیالی که بهعنوان خنککننده در لوله داخلی جریان دارد، مخلوطی از آب و نانوذرههای Al2O3 هست که در سه دمای متفاوت و با دبی - 0,1 -1 - معادل - 0,1 -1 - *1,7* 10-5 وارد مبدل حرارتی میشود. سیال گرمی که در لوله بیرونی جریان دارد آب خالص و در دمای 55 درجه سانتیگراد هست. دبی سیال گرم ورودی 1 معادل 1,7*10-5 است. خواص ترموفیزیکی نانوذرههای مورداستفاده و خواص پشمشیشه مطابق جدول 1 هست.
جدول -1 خواص ترموفیزیکی مواد
