بخشی از مقاله
چکیده
گردابه های طولی که با قرار دادن یک جفت مولد گردابه داخل لولههای گرد به وجود میآیند، انتقال حرارت از دیواره لولههای گرد را افزایش میدهند. با روش عددی میزان افت فشار و افزایش انتقال حرارت با استفاده از مولدهای گردابه در لوله گرد مطالعه شده است. در این تحلیل جریان سیال سهبعدی، غیرقابل تراکم، آشفته و در حالت دائم با خواص ترموفیزیکی ثابت فرض شده است و معادلات ناویر استوکس و انرژی به روش حجم محدود بهدستآمده است. تأثیر گامهای طولی و عرضی و نسبت ظرافت مولدهای گردابه برافزایش انتقال حرارت و افت فشار بررسیشده است و نتایج تحقیق نشان میدهد که با تغییر این پارامترها ضریب افت فشار تا 274 درصد و عدد نوسلت تا 412 درصد نسبت به لوله بدون مولدهای گردابه افزایش مییابد.
واژگان کلیدی: انتقال حرارت جابجایی، افت فشار، مولد گردابه ای، حل عددی، جریان توربولانسی
-1مقدمه
با توجه به کاربرد وسیع مبادلهکنهای حرارتی در بخشهای مختلف صنعت مثل صنعت نفت, پتروشیمی, سیستمهای سرمایشی و گرمایشی, نیروگاهها و غیره موضوع افزایش کارایی مبادلهکنهای حرارتی باهدف افزایش نرخ انتقال حرارت و کاهش افت فشار دغدغهی بسیاری از محققین میباشد . یکی از روشهای مورداستفاده برای تحقق این امر استفاده از مولدهای گردابه به عنوان روش پسیو - غیر فعال - است. مولدهای گردابه3 برجستگیهایی هستند که بر روی سطحی که انتقال حرارت از آن مهم است نصب میشوند و با افت فشار نامحسوس انتقال حرارت را بهتر میکنند. در حالت کلی مولد های گردابه با افزایش لایه مرزی روی هر طرف از مولد ها و با چرخش و ناپایدار کردن جریان برروی انتقال حرارت تاثیر می گذارند. - رضایی، - 1387 مولدهای
1 و -* نویسنده مسئول: درجه علمی، مقطع تحصیلی و رشته تخصصی، دانشکده و
دانشگاه محل تحصیل نویسنده اول 11 pt. B Nazanin، راست چی
-2 درجه علمی و رشته تخصصی - یا سمت کاری - ، دانشکده و دانشگاه محل تحصیل نویسنده دوم 11 pt. B Nazanin، راست
گردابه به دو صورت مولدهای طولی1 و عرضی2 هستند که بایستی از یکدیگر مجزا کرد - ویجایانتاو همکاران، - 2017 مولد گردابه های عرضی با تشکیل گردابه های عرضی نوسانی که محور گردابه ها عمود بر محور اصلی جریان است با عث ناپایدار شدن جریان می شوند و بر انتقال حرارت اثر میگذارند. مولد گردابه های طولی که محور گردابه ها موازی با محور جریان اصلی است با افزایش لایه مرزی روی سطوح مولد ها وچرخش و ناپایدار کردن جریان به انتقال حرارت کمک میکنند و همچنین گردابه های طولی تا مسافت بیشتری در جهت جریان ادامه مییابند .بنابراین مولد گردابه های طولی برای کاربردهای انتقال حرارت مناسبتر هستند.
هدف اصلی در کاربرد مولدهای گردابه از بین بردن لایهمرزی حرارتی میباشد که از طریق اختلاط شدید سیال نزدیک دیواره با سیال خنک دور از دیوارهها باعث افزایش انتقال حرارت میشوند. این کار به روشهای مختلفی صورت میگیرد که عبارتاند از: روش تجربی، روش تحلیلی و روش عددی. در سالهای اخیر با پیشرفت علوم کامپیوتر روشهای عددی رشد قابلتوجهی داشتهاند و به لحاظ صرف هزینه و زمان قابلقبول توجه اکثر محققین را به خود جلب نمودهاند. یکی از روشهای عددی که در سالهای اخیر استفاده زیادی داشته است ، روش دینامیک سیالات محاسباتی3 میباشد. این روش با تحلیل سیستمهای شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیدههای همراه نظیر واکنشهای شیمیایی بر اساس شبیهسازی کامپیوتری تعریفشده است که در این تحقیق از آن استفادهشده است. این روش با توجه به اینکه در آن شرایط و ابعاد و اندازهها در جریان بهراحتی تغییر میکند، روش بسیار توانایی است؛ بطوریکه طیف گستردهای از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را شامل میشود.
طی تحقیقات مکانیزم افزایش انتقال حرارت توسط مولدهای گردابه بهطور تجربی مطالعه شده است وگردابه های تولیدشده با قرار دادن بالکهای4 مثلثی شکل روی صفحه ایجاد شده که این کار باعث افزایش بهتر انتقال حرارت شده است
اندازهگیری ضریب انتقال حرارت در مبدلهای فین-تیوب با استفاده از بالکهای مثلثی انجامگرفته است که منجر به تعیین بهترین موقعیت نصب موانع در اطراف تیوبها شده است و بهترین موقعیت در فاصله نیم برابری قطر تیوب از مرکز تیوب و در پشت تیوب قرار دارد، نتایج نشان داده است که با استفاده از این نوع مولد گردابه در رینولدز 5522 انتقال حرارت میانگین %46 وافت فشار %18 افزایش مییابد
افزایش انتقال گرما در یک لوله گرد با استفاده از مولدهای گردابه مثلثی شکل تحقیقشده است.14 نو ع مولد گردابه با ترتیب روبهجلو ساختهشده است. نتایج افت فشار و انتقال گرما برای لولههای گرد ولولههای مسطح مقایسه شده است. و.نتایج تجربی نشان داده است که استفاده از مولد گردابه در لولههای گرد ضریب انتقال گرما و افت فشار را بیشتر از لولههای مسطح افزایش داد و این افزایش با اضافه کردن تعداد مولد های گردابه ای مثلثی شکل بیشتر شد
تأثیر مولد گردابه بر روی انتقال گرما و افت فشار در یک مبدل گرمایی با رینولدزهای 600-2600 و زاویه حمله 5-10 درجه و نسبت ظرافت1 -4 5 به روش عددی بررسیشده است. نتایج عددی برحسب کاهش گرادیان سرعت و دما برای افزایش انتقال حرارت بهدستآمده است و نشان میدهد که بالکهای مثلثی با زاویه حمله 20 درجه و نسبت ظرافت 2 بهترین بالک هستند که میتوانند ضریب جی کلبورن6 را تا %45 و ضریب اصطکاک را تا %34 افزایش دهد.
انتقال حرارت از میان یک نوار مستقیم با بالکهای مثلثی دوطرفه بهطور تجربی آزمایششده است. بالکهای مثلثی با آرایش پسرو و پیشرو بر روی نواری قرارگرفتهاند که بهعنوان مبدل گردابه برای افزایش انتقال حرارت بهوسیلهی آشفته کردن جریان به کار میروند . آزمایشها نشان میدهد که آرایش پیشرو انتقال حرارت %7 بیشتری نسبت به پسرو دارد و باعث افزایش عدد نوسلت تا %165 میشود.
مطالعات تجربی در مورد بالکهای مثلثی دوطرفه با پارامترهای هندسی شامل زاویه حمله 30 و 60 و 90 درجه و ترتیب گام 25 و 50 و 75 میلیمتر نشان میدهد که با زاویه حمله 30 درجه و گام 25 میلیمتر میتوان بیشترین افزایش عدد نوسلت را ایجاد کرد.
در این تحقیق یک لوله گرد در نظر گرفتهشده است که بالکهای مثلثی با گامهای طولی1 و نسبت ظرافت مشخص بر روی نوار افقی نازک داخل لوله قرارگرفتهاند، نتایج این تحقیق افزایش در انتقال حرارت را نشان میدهد، بااینحال افت فشار نیز در جریان سیال به وجود میآید. در چنین شرایطی بحث بهینهسازی مطرح میشود یعنی افزایش انتقال حرارت تا حدی مطلوب است که افت فشار زیادی در مسیر جریان سیال وجود نداشته باشدکه این امر مزیت این تحقیق محسوب میشود.
-2 هندسه مسئله، شبکه و شرایط مرزی
در این تحقیق تأثیر مولدهای گردابه روی انتقال حرارت و افت فشار در لوله گرد با مولدهای گردابه ای مثلثی شکل بررسیشده است. نحوه قرار گیری مولدهای گردابه مشابه مدل ارایه شده توسط یاکوت و همکاران،2005 می باشد که در شکل ا-الف و شکل -1ب نشان داده شده است.
لوله گرد نشان دادهشده در شکل -1الف با قطر 47 میلیمتر و باضخامت 1/5 میلیمتر از جنس آلومینیوم است که مولدهای گردابه با زاویه حمله 30 درجه و ارتفاع 8 میلیمتر باگام های طولی - فاصله بالکها از هم در امتداد طول لوله - و گامهای عرضی - فاصله بالکها از هم در امتداد عرضی - و نسبت ظرافت - ارتفاع بالک تقسیمبر دو برابر قاعده - مشخص بر روی نواری نازک از جنس آلومینیوم قرارگرفتهاند.
- ب - شکل - .1الف - . نمایی از تک لوله دایرهای به همراه تولیدکنندههای گردابه - ب - . آرایش مولدهای گردابه
