بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تاثیر سه نوع مختلف زائده تولید گردابه - VG - ، شامل زائدههاي: چهار وجهی گوهاي شکل؛ مستطیلی بلوکی شکل؛ مثلثی بالهاي شکل، روي یک مبدل حرارتی پره لولهاي و با استفاده از تحلیل اگزرژي و به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. در این آزمایش براي به جریان در آوردن هوا در محدوده ي دبی بین 0/054 kg/s تا 0/069 kg/s از روي مبدل حرارت پره لولهاي، از یک سیستم تونل باد استفاده شده است.
آب گرم نیز با دبی ثابت 240 lit/h و محدودهي تغییرات دماي ورودي بین 317 تا 341 درجه کلوین 44 - تا 68 درجه سانتیگراد - و در حالت پایا درون لولهها به گردش در میآید. این آزمایش براي چهار حالت مختلف شامل حالتی که مبدل حرارتی بدون زائده است و نیز حالتهایی که انواع مختلف VGها روي پرههاي مبدل حرارت نصب شدهاند انجام شده است. نتایج نشان میدهد که استفاده از این زائدهها نسبت بازگشت ناپذیري سمت هوا به نرخ انتقال حرارت - ASIHR - را کاهش میدهد که این کاهش در مورد VGهاي بلوکی شکل بیشتر از دو نوع دیگر آزمایش شده است. دلیل این موضوع میتواند کاهش بازگشت
ناپذیري سمت هوا به دلیل کاهش اختلاف دماي میانگین بین آب و هواي مبدل حرارتی و در عین حال بهبود شرایط انتقال حرارت باشد. براي آشکار شدن تاثیرات انواع زائدهها روي عملکرد مبدل حرارتی براساس کاهش ASIHR، از کمیت جدید دیگري به نام کارآیی زائده تولید گردابه - PVG - ، استفاده شده است. نتایج نشان میدهد که مقادیر PVG
در محدوده ي کمتر از 5 درصد براي VGهاي گوهاي شکل تا بیش از 35 درصد براي زائده هاي بلوکی شکل است که نشان دهندهي تاثیر مثبت انواع زائدهها به خصوص زائدههاي بلوکی شکل روي عملکرد مبدل حرارتی است.
-1مقدمه
مبدلهاي حرارتی پره لوله اي بطور وسیعی در زمینه هاي مختلف از قبیل تولید نیرو، تبرید، سیستم هاي تهویه، خودروها و صنایع شیمیایی کاربرد دارند. در این نوع مبدل ها مقاومت حرارتی سمت هوا بخش مهمی از مقاومت حرارتی کلی را شامل می شود
بنابراین براي بهبود کارآیی این نوع مبدلهاي حرارتی، بهبود دادن انتقال حرارت از روي سطح پره ها ضروري است. روشی که براي بهبود شرایط انتقال حرارت سمت هوا در مبدلهاي پره اي مورد توجه قرار گرفته است، به کار بردن انواع مختلف زائده هاي تولید گردابه بر روي سطح پره ها در مسیر اصلی جریان است. تولید کننده هاي گردابه به شکل برجستگی هاي کوچکی هستند که به طرق مختلف مانند قالب گیري، پانچ کردن و یا عملیات مختلف نصب کردن روي سطح پره ها در مسیر جریان قرار میگیرند.
این زائده ها گردابه هایی طولی که داراي محوري موازي با جهت اصلی جریان هستند، را ایجاد می کنند که موجب چرخش جریان اولیه شده و میزان اختلاط را در نواحی پایین دست جریان افزایش می دهند. علاوه بر این، نبها الگوي جریان ثانویه را نیز تعیین میکنند. بدین ترتیب در این زائده ها بهبود شرایط انتقال حرارت با افزایش نسبتا کم میزان افت فشار همراه است.
بیسواس و همکاران ب2م، تحقیقات عددي خود را براي بهبود انتقال حرارت در یک کانال با لوله هاي دایروي ساخته شده در آن، و با حضور زائده هاي باله اي شکل، ارائه کردند. آنها نشان دادند که به دلیل تولید گردابه هاي طولی در ناحیه ویک پشت لوله ها، انتقال حرارت می تواند تا %240 افزایش داشته باشد که این موضوع می تواند کمک بزرگی براي کاهش اندازه مبدل حرارتی باشد.
کتیشوغلو و همکاران ب3م، به بررسی قانون دوم ترمودینامیک براي یک مبدل جریان متقاطع و در حضور نوع جدیدي از زائده هاي تولید گردابه بلوکی شکل پرداختند. آنها فهمیدند که افزایش سرعت جریان متقاطع، نرخ انتقال حرارت را بهبود می بخشد و بازگشت ناپذیري انتقال حرارت را کاهش میدهد و همچنین در اعداد رینولدز بالا این زائده ها میزان اختلاط را داخل کانال مبدل حرارت بهبود میدهند.
آنها افزایش 15 تا 30 درصدي براي انتقال حرارت و نیز افزایش افت فشار 20 تا 30 درصدي را براي مبدل حرارت با زائده ها و بدون زائده هاي تولید گردابه ثبت کردند.
وانگ و همکاران ، مشاهدات عینی خود را از یک مبدل حرارت پره لوله اي در غیاب زائده هاي تولید گردابه و نیز در حضور دو نوع زائده تولید گردابه که داراي آرایش پشت سرهم هستند ارائه نمودند. آنها دریافتند که با استفاده از زائده ها اختلاط بهتري در جریان صورت می گیرد و در عین حال اثرات اصطکاکی ناشی از به کار بردن زائده ها بین 25 تا 55 درصد نسبت به پره هایی با ساختار مسطح افزایش می یابد.
تیان و همکاران ب5م، انتقال حرارت سمت هوا را در مبدل هاي حرارتی پره لوله اي با پره هاي موج دار و با وجود زائده هاي تولید گردابه باله اي دلتا، در دو حالت آرایشی پشت سرهم و یک در میان بررسی کردند. آنها نشان دادند که گردابه هاي طولی نه تنها اندازه ناحیه ویک را کاهش می دهند بلکه سرعت جریان را در مناطق ویک افزایش نیز می دهند. آنها افزایش انتقال حرارتی حدود %80 را براي مبدل حرارتی داراي زائده هایی با آرایش یک در میان و حدود %95 را براي آرایش زائده اي پشت سرهم، نسبت به حالت بدون زائده ثبت کردند.
فیبیگ و والنسیا ، به کاربرد زائده هاي تولید گردابه باله ي دلتا و باله اي مستطیلی در یک مبدل حرارت پره لوله اي پرداختند. مطالعات آنها شامل بررسی پارامترهاي هندسی مختلف در مورد زائده ها مانند نسبت اضلاع زائده ها و زاویه حمله می باشد. آنها نشان دادند که نسبت انتقال حرارت به تلفات جریان، زمانی که از زائده هاي دلتا با زاویه حمله 30 درجه و نسبت اضلاع 2 استفاده می شود بیشتر است. در حالت آرایش پشت سرهم لوله ها، استفاده از زائده هاي تولید گردابه، انتقال حرارت را بین %55 تا %65 افزایش میدهد در حالیکه منجر به افزایش 20 تا %45 در فاکتور اصطکاك می گردد.
در این مقاله بررسی آزمایشگاهی تاثیر سه نوع مختلف زائده تولید گردابه شامل : -1 چهار وجهی گوه اي شکل ؛ -2
مستطیلی بلوکی شکل ؛ -3 مثلثی باله اي شکل، روي یک مبدل حرارت پره لوله اي، بوسیله ي تحلیل اگزرژي انجام می شود. زائده ها در سطوح پره ها در بالادست جریان هوا نصب شده اند. کارآیی گرمایی و کارآیی اگزرژي مبدل حرارتی در چهار حالت مختلف یعنی یک حالت بدون نصب نبها و سه حالت با نصب سه نوع مختلف نب، مقایسه شده است. براي آشکار شدن تاثیرات این زائده ها بر روي مبدل از نقطه نظر بازگشت ناپذیري، کاهش لدعحA را با کمیت نبب بیان می کنیم که درصد کاهش لدعحA در مبدل حرارت بهبود یافته با نصب انواع نبها نسبت به مبدل حرارتی اولیه می باشد.
-2 فراهم کردن بستر آزمایش
شکل - 1 - طرح شماتیک قسمتی از ابزار آزمایش مورد استفاده، T60D، را نشان می دهد. همانطور که در شکل می بینیم، این دستگاه شامل یک تونل باد می باشد که بواسطه یک فن با سرعت متغیر و قابل تنطیم که در انتهاي تونل تعبیه شده است، براي به جریان در آوردن هواي محیط در دبی هاي مختلف از روي پره هاي مبدل حرارتی استفاده می شود. مجراي ورودي هوا در تونل باد به شکل مستطیل و سطح مقطع لع 0,0317 میباشد. از مواردي که در مورد جریان هوا باید اندازه گیري شود، دبی جرمی جریان هوا و نیز افت فشار ایجاد شده در جریان هوا در حین عبور از مبدل حرارت است.
براي این منظور از دو میکرومانومتر تفاضلی که یکی براي اندازه گیري دبی جرمی هوا با استفاده از سیستم اوریفیس و دیگري براي ثبت افت فشار هوا، استفاده شده است. براي به جریان درآوردن آب گرم در مدار مربوط به آن نیز از یک پمپ گریز از مرکز استفاده می شود. این پمپ، آبی را که از شبکه ي توزیع گرفته شده و در یک مخزن آب داراي شیر شناور نگهداري می شود، به یک گرمکن الکتریکی فرستاده و در آنجا آب مورد نیاز حرارت می ببیند و گرم می شود. این عمل توسط یک ترموستات بخاري برقی الکترونیکی صورت می گیرد.
براي اندازه گیري دبی جرمی آب از یک روتامتر با دقت 5 L/h استفاده شده است در حالیکه براي تنظیم دبی آب و البته کنترل نوسانات آن از یک شیر اتصال کوتاه که در کنار پمپ است استفاده می شود. براي ثبت افت فشار آب در حین عبور از لوله هاي مبدل نیز از مانومتر جیوه اي س شکل با دقت 0.1cm Hg استفاده می شود.
براي بررسی میزان انتقال حرارت و تعیین بازگشت ناپذیریهاي مختلف نیاز به ثبت داده هاي دمایی براي جریان هاي هوا و آب در ورود و خروج به مبدل داریم. براي این منظور ترموکوپل هاي مقاومت گرمایی 100صژ بکار گرفته شده است. ترموکوپل هاي مقاومت گرمایی یک دقت عالی را در محدوده ي وسیعی از دماها در اختیار می گذارند. ترموکوپل هاي بکار رفته در دستگاه به یک سیستم دیجیتالی ثبت دما با دقت ه0 ,1 œ با دامنه تغییرات تا ه99,9œ متصل هستند.
در شکل - 2 - نیز شکل هندسی مبدل حرارتی نشان داده شده است. این مبدل حرارت شامل شش عدد پره صفحه مستطیلی مسطح با ضخامت عع1 و نیز شانزده عدد لوله ي مسی در دو ردیف با آرایش پشت سرهم بعنوان لوله هاي مبدل حرارتی می باشد. ضخامت هر یک از این لوله هاي مسی عع1 و قطر خارجی آنها نیز عع12,8 می باشد. همچنین سه کالکتور ساخته شده از جنس مس و با قطر خارجی عع28,7 در بالا و پایین مبدل حرارت محل عبور آب داغ می باشد. طول کل مبدل عع185 و عرض آن عع170 می باشد و فاصله هر دو پره متوالی عع20 است.
سرانجام در شکل - 3 - ، شکل هندسی زائده هاي بکار رفته براي تولید گردابه به همراه ابعاد آنها می باشد. VGها از چوب MDF که عایق حرارتی می باشد ساخته شده اند و بر روي سطح پره ها نصب شده اند. ابعاد آنها نیز بر اساس کارهاي پیشین و گزارشهاي در دسترس انتخاب شده است - تمامی ابعاد برحسب میلی متر هستند
