بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، میزان افت فشار در اثر افزودن نانولوله کربنی چند دیواره به روغن انتقال حرارت ، به صورت عددی در شرایط دما ثابت و در لولههایی با مقاطع هندسی متفاوت مورد بررسی قرار میگیرد. روغن انتقال حرارت بهران HT-B به همراه نانوسیال روغن انتقال حرارت-MWCNT با غلظتهای جرمی 0/1 و 0/2 درصد به عنوان سیالات کاری در نظر گرفته شدند. نتایج بیانگر این است که مقطع هندسی لوله اثر مشابهی با افزایش لزجت توسط افزودن نانولولههای کربنی بر افت فشار دارد.
-1 مقدمه
خنککاری جزیی ناگزیر برای ثابت نگه داشتن عملکرد مورد نظر و مطمئن محدوده وسیعی از محصولات همانند کامپیوترها، موتور خودروها است. با افزایش شارهای حرارتی که در اثر تولید قدرت بیشتر و یا اندازههای کوچکتر بوجود آمدهاست، خنککاری به یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی صنایع پیشرفتهای چون میکروالکترونیک، حمل و نقل، ساخت و دفاع تبدیل شده است. اگرچه خنککاری با هوا معمولترین سیستم خنککاری تاکنون است، اما برخی محصولات احتیاج به سیالات خنککنندهای با قابلیتهای بالاتر دارند.
راههای مرسوم در بهبود انتقال حرارت در سیستمهای حرارتی عبارت از افزایش سطح تماس و تغییر مشخصات جریان میباشند، اما روشهای دیگری نیاز است که پاسخگوی کامل درخواست صنایع در خنککاری باشد. تکنولوژی نانوسیال پتانسیل بالایی را برای توسعه سیستمهای خنککاری با عملکرد بالا، در حجم کوچک و با صرفه اقتصادی ارائه میدهد. اما مسئلهای که در استفاده از نانو سیال میبایست مد نظر قرار گیرد، این هست که استفاده از نانو سیالات بر میزان افت فشار تاثیر زیادی می گذارد که نبایستی ار این عامل چشم پوشی کرد.
با توجه به بررسیهای انجام شده، بهنظر میرسد که تاکنون مطالعات کمی برای سنجش تأثیر بکارگیری همزمان نانوسیال و هندسههای افزایشی ویژه انتقال حرارت صورت گرفته است، ضمن اینکه نانوسیالات تهیه شده با سیالات پایه و یا نانوذرات متفاوت خواص غیریکسانی دارند و نمیتوان رابطهای یکسان برای آنها در نظر گرفت.
دلیل اصلی برای فراهم ساختن نانوسیال روغن انتقال حرارت- نانو لوله های کربنی این است که نانو لولههای کربنی به عنوان افزودنی به روغن موتور به منظور کاهش حرارت قسمتهای بسیار داغ موتور می تواند استفاده شوند. همچنین این ذرات به دلیل شکل استوانه خود دارای خواص ضد سایش نیز میباشند. برای بررسی بهتر رفتار نانو لوله های کربنی، از روغن انتقال حرارت بدون افزودنی بهران - HT-B - استفاده شده است.
لذا در این مطالعه به بررسی تأثیر همزمان استفاده از نانوسیال روغن انتقال حرارت- نانولولههای کربنی و جایگزین کردن لولههای دایروی با لولههای غیر دایروی - با مقطع مستطیلی شکل - بر میزان افت فشار میپردازیم.
-2 پیشینه تحقیق
افزودن نانو ذرات به سیالات برای افزایش انتقال حرارت مشکلاتی از جمله تجمع ذرات درون سیال، تهنشینی ذرات و از همه مهمتر افزایش افت فشار را دارا است. به هر حال تحقیقات کمی در زمینه افت فشار نانوسیالات موجود است که افزایش افت فشار را در کنار افزایش انتقال حرارت بررسی کردهاند که در زیر برخی از آنها آورده شده است.
کو و همکاران[1]1 یک تحقیق تجربی برای بررسی افت فشار نانوسیال شامل نانولولههای کربنی در لوله افقی را فراهم آوردند. آنها مقادیر مختلف ویسکوزیته برحسب نرخ برش را بدست آوردند و مشاهده کردند که با افزایش نرخ برش ویسکوزیته کاهش می یابد. بنابراین، آنها گزارش کردند که افت فشار برای این نانوسیالات به طور قابل توجهی در جریان آرام افزایش می یابد. به هر حال، زمانی که دبی جریان افزایش یابد افت فشار نانوسیال به سیال پایه نزدیک میشود.
رازی و اخوان [2] افت فشار و انتقال حرارت نانوسیال روغن پایه- اکسید مس در داخل لوله تخت با شرایط مرزی شار ثابت برای جریان آرام بررسی کردهاند. غلظت جرمی نانوسیال کمتر از 2 درصد بود. آنها مشاهده کردند که افت فشار جریان با افزایش غلظت نانوذرات افزایش می یابد. آنها همچنین نتیجه گرفتند تخت کردن لوله روش موثری در افزایش انتقال حرارت نسبت به اضافه کردن نانوذرات به روغن پایه میباشد.
نقوی و همکاران[3]2 در پژوهش تجربی خود به بررسی افت فشار نانو سیال روغن انتقال حرارت-MWCNT در لولههای تخت و دایرهای پرداختند. آنها به این نتایج رسیدند که تغییرات پارامتر افت فشار با عدد رینولدز برای تمامی نانوسیالات تقریبا یکسان است. در مورد لولههای مستطیلی نیز تغییرات پارامتر افت فشار به همین منوال است و برای تمامی سیالات مورد مطالعه نسبتاً یکسان به دست میآید همچنین، آنها نشان دادند که پارامتر افت فشار در لوله های مختلف با افزایش نسبت ابعادی لوله به شدت افزایش مییابد.
اخوان بهابادی و همکاران[4]3 در یک تحقیق تجربی به مطالعه انتقال حرارت و افت فشار جریان آشفته نانوسیال - آب- - MWCNT در یک لوله مسی که داخل آن سیم مارپیچ - لوله کویل دار - میباشد، تحت شار حرارتی ثابت پرداختند. مشاهدات آنها نشان می دهد که در بالاترین عدد رینولدز و در داخل لوله کویل دار با بالاترین قطر سیم، به طور متوسط 85 درصد افزایش در ضریب انتقال حرارت و 475 درصد افت فشار وجود خواهد داشت.
-3 مشخصات روغن و نانو ذره
-1-3 مشخصات روغن
مشخصات فنی ارائه شده از طرف کارخانه برای این روغن در جدول 1 آمده است.
جدول-1 مشخصات فنی روغن انتقال حرارت شرکت بهران.
-2-3مشخصات نانو ذره
خواص MWCNT که توسط تولید کنندهی آن اندازهگیری شده است به قرار زیر میباشد.
مساحت سطح ویژه 270 m2 /gr : - BET -
طول : - میکرومتر - 10 ʽm
قطر : 10-30 nm
هدایت حرارتی : 1500 W/mK
-4 معادلات حاکم
معادلات حاکم بر مسئله شامل معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی میباشد که با توجه به فراگیر بودن آنها، ذکر نشده است. اما با توجه به نوع مسئله ، خصوصیات نانو سیال به صورت udf در فلوئنت وارد شده است که از فرمول های زیر برای نوشتن udf استفاده شده است.
-1-4چگالی نانو سیال
چگالی نانوسیال معمولا از طریق رابطه پاک و چو[5] 1 بدست میآید:
که در آن درصد جرمی نانوذرات، p چگالی نانوذرات و f چگالی سیال پایه است.
