بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق عملکرد مبدل حرارتی دولوله ای با استفاده از نانوسیال %2 حجمی آبAl2o3/ به صورت عددی با کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی تحت شرایط جریان آرام و با دمای دیواره ثابت مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور تاثیر دما و عدد رینولدز نانوسیال وروردی روی میزان شار انتقال حرارت و عدد ناسلت بررسی شد. نتایج نشان دادکه با کاهش دمای نانوسیال و با افزایش عدد رینولدز میران انتقال حرارت افزایش پیدا می کند.
1. مقدمه
یکی از چالش های علمی مهم در حوزه صنعت، خنک کاری است که در موارد مختلف از جمله میکروالکترونیک، حمل و نقل و تولید مورد توجه قرار میگیرد. پیشرفت های تکنولوژیک مانند دستگاه های میکرو الکترونیک که با سرعت های بالا کار می کنند، موتورهای با قدرت بالا و دستگاه های نوری باعث افزایش بارهای حرارتی میشوند
سیالات مرسوم که برای افزایش انتقال حرارت استفاده میشوند مانند اتیلن گلیکول، آب، پروپیلن گلیکول و روغن موتور،ذاتاً 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 چرا که ذرات جامد، هدایت حرارتی بیشتری نسبت به مایعات دارند
در سال 1995 چوی 3سوسپانسیون رقیقی از ذرات بسیار ریز در مایعات معمولی را نانوسیال نامید. نانوسیال مخلوط دوفازی می باشد که ترکیبی از یک سیال پیوسته و نانو ذرههای منتشر شده در سوسپانسیون است . [6 ,5 ,1] نانو ذرهها میتوانند فلزی، اکسید فلزی، پلیمر، سیلیکا و یا حتی نانو لولههای کربنی با حداقل طول کمتر از100 نانومتر باشند .
هی و همکارانش به صورت تجربی، رفتار انتقال حرارت نانوسیال آبTiO2/ را در داخل لوله مستقیم عمودی در هر دو رژیم جریان آرام و آشفته مورد مطالعه قرار دادند. بررسی های آنها نشان داد که اضافه کردن نانوذره های 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 جابه جایی در هر دو رژیم جریان آرام و آشفته افزایش می یابد .
مارشد و همکارانش، هدایت حرارتی و ویسکوزیته سوسپانسیون نانوذره های Tio2 و Al2o3 را در سیال پایه آب دیونیزه و اتیلن گلیکول اندازهگیری کردند. نتایج آنها نشان داد که ویسکوزیته و هدایت حرارتی موثر نانو سیالات به طور قابلتوجهی با کسر حجمی نانو ذره 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 تاثیر قرار می دهد .
کیم و همکارانش، انتقال حرارت جابه جایی نانوسیال آب/ آلومینا و آب/آمورفوس کربنیک را در یک لوله مدور مستقیم با شار حرارتی ثابت، تحت رژیم جربان آرام و آشفته به صورت تجربی مورد بررسی قرار دادند. بررسی های آنها نشان داد که در دمای 22 درجه سانتیگراد، هدایت حرارتی نانوسیال%3 حجمی آلومینا، %8 افزایش یافت و ضریب انتقال حرارت جابه جایی 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 جابه جایی در جریان آرام فقط به %8 رسید در حالیکه در جریان آشفته هیچ افزایش انتقال گرما مشاهده نشد .
زمزمیان و همکارانش تاثیر نانوسیال اتیلن گلیکولAL2O3/ واتیلن گلیکولTiO2/ را روی ضریب انتقال حرارت جابه جایی اجباری در داخل مبدلهای حرارتی دو لوله ای و صفحه ای تحت شرایط جریان آشفته مورد مطالعه قرار دادند. آنها افزایش 50 درصدی در ضریب انتقال حرارت جابه جایی نانوسیال را در مقایسه با سیال پایه مشاهده کردند. علاوه بر این، مطالعات آنها نشان دادکه با افزایش غلظت نانوذره ها و دمای نانوسیال، ضریب انتقال حرارت جابه جایی نانوسیال افزایش می یابد .
عباسیان و امانی، افت فشار و انتقال حرارت جریان آشفته نانوسیال آبTiO2/ برای کسر حجمی های بین % 0,2-2 و اعداد رینولدز بین 8000-50000 را در داخل مبدل حرارتی دولوله ای مورد مطالعه قرار دادند. نتایج آنها نشان داد که عدد ناسلت نانوسیال با افزایش عدد رینولدز و کسر حجمی نانوذره ها، افزایش می یابد .[11] آنها همچنین بیان کردند که کاهش قطر نانوذره، تاثیر قابل ملاحظه ای روی عدد ناسلت ندارد در حالیکه افت فشار را به شدت کاهش میدهد. نتایج آنها نشان داد که بین ذره های با قطر 50،30،20،10 نانومتری، بهترین عملکرد حرارتی مربوط به ذره های 20 نانومتری می باشد
در تحقیق حاضر به مطالعه عددی تاثیر افزایش دمای نانوسیال آبAl2O3/ به عنوان سیال عملیاتی روی عملکرد مبدل حرارتی دولوله ای پرداخته شده است. شبیه سازی تحت شرایط جریان آرام و برای دبی های بین 0,1 -1 لیتر بر دقیقه برای نانوسیال و دبی 1 لیتر بر دقیقه برای سیال گرم - آب - صورت گرفته است. دمای سیال گرم که در داخل پوسته جریان دارد 55 درجه سانتیگراد و دمای نانوسیال که در داخل لوله در جریان است 30،25 و 35 درجه سانتیگراد می باشد.
2. مدلسازی ریاضی
معادلات بقای جرم - 1 - ، ممنتوم - 2-4 - و انرژی - 5 - در حالت سه بعدی به صورت زیر بیان می شوند:
عملکرد انتقال حرارت جابه جایی نانوسیالات با استفاده از روش تک فازی و دو فازی مدل میشود. مدل دوفازی، امکان فهم عملکرد هر دو فاز سیال 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 .
خواص ترموفیزیکی آب با اضافه کردن نانوذره های آلومینا دچار تغییر میشود که مقادیر آنها توسط روابط زیر محاسبه می شود: چگالی نانوسیال آلومینا بر طبق مطالعات خانافر و همکارانش از رابطه زیر محاسبه شد :[14]
ویسکوزیته و هدایت حرارتی با استفاده از رابطه ریا2 و همکارانش به صورت زیر محاسبه شد:
3. مشخصات سیستم
مبدل حرارتی دو لوله ای به قطر درونی0,008 متر از جنس مس و قطر بیرونی 0,016 متر در نظر گرفته شد. برای جلوگیری از اتلاف حرارت از پشم شیشه به عنوان عایق استفاده شد. سیالی که به عنوان خنک کننده در داخل لوله درونی استفاده شد مخلوطی از آب و نانوذره های Al2O3 با کسر حجمی %2 می باشد که در سه دمای متفاوت وارد مبدل حرارتی میشود. خواص ترموفیزیکی نانوذره های مورد استفاده و خواص ترموفیزیکی پشم شیشه مطابق جدول 1 می باشد. سیال گرم مصرفی آب خالص است که در دمای 55 درجه سانتیگراد وارد پوسته مبدل حرارتی میشود.
جدول -1 خواص ترموفیزیکی مواد
4. بررسی استقلال از مش
هندسه مورد نظر ابتدا در نرم فزار گمبیت رسم شد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، به دلیل متقارن بودن هندسه، یک چهارم مبدل حرارتی شبیه سازی شد و مراحل استقلال از مش برای هندسه مورد نظر بررسی شد. از مشهای شش وجهی برای حجم سیستم استفاده شد. شکل 1 شماتیک مبدل را نشان می دهد.
