بخشی از مقاله
چکیده
بهکارگیري نانو سیالات براي افزایش راندمان مبدلهاي حرارتی، دانشی نوبنیاد بوده و روزبهروز بیشتر مورد توجه قرار میگیرد. در این مقاله به بررسی تأثیر دبی نانو سیال بر راندمان یک مبدل حرارتی دو لولهاي پرداختهشده است. در این زمینه ابتدا نانو سیال اکسید مس/آب با کسر حجمی 0/05 درصد سنتز شده و در چهار دبی مختلف 2، 3، 4 و 5 - لیتر بر دقیقه - بهطور تجربی، در یک مبدل حرارتی دو لولهاي موردبررسی قرار گرفت.
نتایج حاصل نشان داد که در همه دبیها نرخ انتقال حرارت در مبدل حرارتی با نانو سیال بیشتر از آب خالص است که بیشترین افزایش مربوط به دبی 4 لیتر بر دقیقه و به میزان 27 درصد افزایش بود. شیب افزایش انتقال حرارت در نانو سیال نسبت به آب از دبی 2 تا دبی 4 در حال افزایش است که این بهواسطه تشدید حرکتهاي برونی ذرات و پخش بیشتر گرما است. در دبی 5 لیتر بر دقیقه این روند تا حدي کاهش داشته است که ناشی از کم بودن زمان ماند نانوسیال در مبدل میباشد.
-1 مقدمه
در صنایع اغلب با حرکت سیالات حامل انرژي در مجاري انتقال نظیر لولهها و مبدلهاي حرارتی، انرژي به نقاط مورد نظر منتقل میشود، در این حالت آنچه براي مهندسین اهمیت دارد برآورد میزان انتقال انرژي بهواسطه جابجایی سیال است.[1] مبدل گرمایی دو لولهاي یا سنجاقی یکی از انواع مختلف مبدلهاي حرارتی است . یک مبدل حرارتی دولوله اي از دو لوله هممرکز تشکیلشده است .
یکی از سیالات،مثلاً سیال گرم، در داخل لوله درونی و سیال دوم در داخل مجراي حلقوي جریان دارد و به علت وجود اختلاف دما بین دو سیال، گرما منتقل میشود .براي این مبدل دو پیکربندي جریان وجود دارد :جریان همسو و جریان ناهمسو .سیستم ابن تبادلگر تا هنگامیکه شرایط تغییر نکند در حالت پایدار باقی میماند، منظور از تغییر شرایط، تغییر دبی جریان، تغییر دماهاي ورودي و غیره است . براثر این تغییرات توزیع دما تا به وجود آمدن یک حالت پایدار جدید، تغییر میکند .
در یک تبادلگرگرمایی در حال کار، سرعت جریان سیالات، دماهاي ورودي و خروجی و همچنین خواص فیزیکی - قطر و غیره - مشخص و یا قابلاندازهگیري است. یکی از روشهاي افزایش انتقال حرارت سیالات متداول، اضافه کردن ذرات فلزي یا غیرفلزي به سیال مبنا است که هدایت حرارتی بالاتري نسبت به سیال مبنا دارند .این ایده اولین بار توسط ماکسول بیان شد.
همراه با پیشرفت علم و تولید نانو ذرات، نوع جدیدي از سیالات انتقال حرارت به جهان معرفی شد که میتوانست بر مشکلات استفاده از ذرات درشتتر غلبه کند .این اتفاق اولین بار توسط چوي در سال 1955 انجام شد[3] و مفهوم نانوسیال توسط وي پیشنهاد شد. نانوسیال ها مخلوطی از ذرات نانو در یک سیال پایه میباشند که باعث افزایش انتقال حرارت سیال میشوند. انواع متعددي از این ذرات، ازجمله فلزي، غیرفلزي و پلیمري میتوانند به سیال پایه اضافه شوند. ذرات نانو موجود در سیال پایه باعث افزایش چشمگیري در هدایت حرارتی میشوند و همچنین ذرات نانو نسبت به ذراتی به ابعاد میکرومتر و میلیمتر افت فشار کمتري ایجاد میکنند.
محققان زیادي تأثیر افزودن نانو ذرات را بر انتقال حرارت و ویژگیهاي هیدرودینامیکی نانو سیالات بررسی کردهاند. چوي[5]، وانگ و چوي[6]، لی و همکاران[7] و داس و همکاران[8]هدایت حرارتی نانوسیال محتوي CuO را اندازهگیري نموده و اثر سیال مبنا را بر هدایت حرارتی نانوسیال بررسی کردند.
لی و همکارانش[9]جهت افزایش هدایت حرارتی نانوسیال مس/ آب در کاربردهاي عملی، کنترل همزمان دو عامل PH و سورفکتانت را ارائه دادند .ژوان و لی[10] انتقال حرارت جابهجایی و مشخصههاي جریان نانوسیال مس/آب در درون لولههاي مستقیم با شار حرارتی ثابت در دو نوع جریان آرام و آشفته را موردمطالعه قراردادند.
نتایج به دست آمده از تحقیق ماسودا و همکارانش[11]بیان میکند که با افزایش عدد رینولدز و غلظت حجمی نانوذره، عدد ناسلت نانوسیال افزایش مییابد .تریساکسري و وانگ وایسز[12] خلاصههاي از تلاشهاي صورت گرفته درزمینه انتقال حرارت و مشخصههاي جریان نانو سیالات در چند دهه اخیر ارائه نمودند.
هدف این کار، مطالعه تأثیرات دبی نانوسیال مس/آب سنتز شده، در افزایش راندمان مبادلهکن حرارتی دو لوله اي است.
-2 تجهیزات و روش آزمایش
آزمایشهاي تجربی توسط دستگاه مبدل حرارتی دو لولهاي که مجهز به گرمکن برقی جهت تأمین آب گرم است انجامشده است، شکل – 1 الف شماتیک کلی حرکت سیال در مبدل حرارتی دو لوله را نمایش میدهد .این سیستم بهطورکلی شامل دو حلقه جریان - آب - میباشد .همانگونه که در شکل – 1 ب مشاهده میشود مبادلهکن حرارتی دو لولهاي از جنس فولاد ضدزنگ بوده و نانوسیال گرم از درون یک پمپ وارد سیستم میشود - لوله داخلی - این سیستم داراي یک گرمکن 2 کیلوواتی و سیستم کنترل ترموستات است که بهوسیله آن میتوان دماي موردنیاز آزمایش را کنترل کرد .نانوسیال گرم موردنیاز توسط یک پمپ با توان 0/05 اسب بخار به سیستم تزریق میشود و پس از فرایند در خروجی مبدل دومرتبه به مخزن برگشت داده میشود و بهطورکلی سیستم گردش نانوسیال گرم بهصورت سیکل بسته است. در این تحقیق براي پخش شدن هرچه بهتر نانو ذرات در سیال پایه از یک همزن مکانیکی در دور 2000 دور بر دقیقه درون مخزن نانوسیال مبادلهکن استفادهشده است.
شکل :1 الف - شماتیک کلی حرکت سیال در مبدل ب - مبدل گرمایی دو لوله اي
آب سرد مورد نیاز فرایند توسط جریان آبلولهکشی شده آزمایشگاه تأمین میشود و در انتهاي فرایند وارد مخزن آب سرد آزمایشگاه میشود. دماسنجهاي دیجیتال، در چهار نقطه دماي سیال گرم ورودي و خروجی و همچنین دماي سیال سرد ورودي و خروجی به مبدل را اندازهگیري میکنند .
دستگاه قابلیت دو حالت متفاوت آرایش جریان بهصورت همسو و ناهمسو را دارا است .تعویض جهت جریان را میتوان با عوض کردن شلنگ آب سرد ورودي و خروجی انجام داد .دبی سیال گرم و سیال سرد ورودي به مبدل، توسط دو عدد روتامتر اندازهگیري میشود و همچنین دبی سیال سرد و گرم توسط دو عدد شیر قابل تنظیم است .تجهیزات دیگري همچون مخزن گرمایشی6 لیتري و یک مخزن 500 لیتري که براي تأمین آب سرد فرایند در این سیستم استفادهشده است.
-2-1روش آزمایش
2-1-1 مواد:
نانو ذرات از شرکت US Reaserch Nanomaterials, Inc. تهیه گردید . تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوري نمونه در شکل -2الف آورده شده است. این تصویر نشان میدهد که قطر متوسط ذرات 40 نانومتر بوده و ذرات توزیع بسیار همگنی دارند
