بخشی از مقاله
چکیده
در این بررسی با شبیه سازی محفظه سنسور ناوبری دریایی مورد استفاده در شناورها، که در آن سنسورهای حرارتی قرار دارند به راه های افزایش انتقال حرارت می پردازیم. سنسورهای ناوبری در مناطق دریایی و شرایط مرطوب با دمای 50 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار می گیرد و براساس نتایج حاصل از استفاده از این سنسورها در این مناطق، دمای محفظه به 62 درجه سانتی گراد رسیده و سبب اختلال در عملکرد سنسور ناوبری می گردد، لذا متناسب با این مناطق باید سیستم خنک کننده طراحی گردد. جهت طراحی سیستم خنک کننده با شبیه سازی وضعیت دمایی درون محفظه سنسور های ناوبری در نرم افزار 1COMSOLمناسب ترین روش خنک کاری انتخاب می گردد.
در این شبیه سازی در چهار دیواره اطراف و نیز سطح بالایی، انتقال حرارت جابجایی آزاد2 در نظر گرفته شده و سطح پایینی مجموعه عایق می باشد . همچنین میزان کل گرمای تولیدی در مجموعه سنسور ناوبری 60 وات و دمای محیط 50 درجه سانتیگراد قرار داده شده است. براساس نتایج به دست آمده برای این مسئله استفاده از سیال خنک ساز آب و اتیلن گلیکول و خمیر های انتقال حرارت در فضای میان محفظه داخلی و خارجی بهترین روش جهت خنک سازی محفظه سنسورها می باشند.
کلمات کلیدی: سنسور ناوبری دریایی، انتقال حرارت، شبیه سازی نرم افزاری، اغتشاش و نویز
مقدمه
کنترل دما از مباحث بسیار مهم در صنعت میباشد و به این منظور تکنولوژی های متنوعی برای تعیین دقیق تر دما ایجاد شده است. پارامترهای کلیدی مانند مشخصات مختلف عملکردی مواد، کارایی اجزا و بازدهی یک سیستم همگی تابعی از دما هستند. انتقال حرارت مناسب در هر سیستم از دیگر پارامترهایی است که بسیار مهم بوده و تخمین دقیق دما نقش مهمی در اصلاح آن دارد .دما پدیده های زیستی، فیزیکی و شیمیایی را از راه های گوناگونی تحت تأثیر قرار می دهد.[1] دما خواص فیزیکی مواد و نرخ انجام واکنش های شیمیایی را تغییر می دهد. اندازه گیری دما کاربردهای متنوعی دارد. کنترل پروسه های صنعتی، آزمایش های لابراتورها، کنترل محیط و ابزارآلات فرایندهای زیستی به طور بحرانی به دما وابسته هستند.
هر سیستمی به تغییرات دمایی حساس است و بایستی در محدوده مشخص دمایی به کار خود ادامه دهد، به طوری که خارج شدن از آن محدوده دمایی دستگاه مستهلک یا تخریب می شود. لذا در ماشین آلات همواره به سنسورهایی برای نمایش و کنترل دما نیاز است. سنسورهای دما به هر شکلی که باشند در نهایت سیگنال هایی را تولید می کنند که در یک سیستم کنترلی بسته یا باز مورد استفاده قرار می گیرند.[2] در بسیاری از سیستم ها علاوه بر اندازه گیری دقیق دما، سرعت نمایش تغییرات دما هم از اهمیت ویژه ای برخوردار است. لذا همواره پاسخ زمانی مؤلفه مهمی برای انتخاب سنسور دمای مناسب می باشد .
طی دهه های گذشته تحقیقات بسیاری برای ایجاد ابزارهای دقیق تر برای تعیین دما انجام شده است. در این راستا مواد مختلفی مورد آزمایش قرار گرفت تا تأثیر تغییر دما بر خواص آن ها - مانند مقاومت الکتریکی، نفوذ مغناطیسی و قابلیت انتقال الکترومغناطیسی - بررسی شود.[3]با پیشرفت سریع تکنیک اتوماسیون و پیچیده تر شدن پروسه های صنعتی و کاربرد روز افزون این شاخه از تکنیک نیاز شدیدی به کاربرد سنسورهای مختلف که اطلاعات مربوط به عملیات تولید را درک و براساس این اطلاعات مقتضی صادر گردد، احساس می شود. سنسورها به عنوان اعضای حسی یک سیستم، وظیفه جمع آوری و تبدیل اطلاعات را به صورتی که برای یک سیستم کنترل و اندازه گیری قابل تجزیه و تحلیل باشد به عهده دارند .
در سالهای اخیر سنسورها به صورت یک عنصر قابل تفکیک سیستم های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و پیشرفت سریعی در جهت جوابگویی به تقاضاهای صنعت در این شاخه از علم الکترونیک انجام پذیرفته است. سنسورها جهت تبدیل عوامل فیزیکی مانند حرارت ، فشار ، نیرو ، طول، زاویه چرخش، دبی و غیره به سیگنال های الکتریکی بکار برده می شوند و به همین منظور سنسورهای مختلفی که قابلیت تبدیل این عوامل را به جریان برق دارا می باشند، ساخته شده اند4]و.[5سنسورهای ناوبری جهت موقعیت یابی شناورها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به سنسورهای موجود هرگونه نویز و اغتشاش می تواند مانعی بر عملکرد سنسورهای ناوبری دریایی باشد.
از طرفی به علتی که این سنسورها بر روی شناورها در شرایط دریایی مرطوب مورد استفاده قرار می گیرند و دمای این مناطق در شرایط بحرانی در محدوده 50 درجه سانتی گراد می باشد، مسئله تحلیل حرارتی بسیار کاربردی می باشد، چرا که دمای محفظه سنسورها در محدوده دمایی 62 درجه قرار گرفته است و سبب تخریب سنسورها و برد های الکتریکی می گردد. لذا در این پژوهش ما به دنبال روشی جهت خنک کاری محفظه بدون اعمال نویز یا عوامل اغتشاشی اضافی به مجموعه هستیم.
تعریف مسئله:
در محفظه سنسور ناوبری به علت کارکرد سنسورها و مدار های الکتریکی گرمایی تولید می گردد که در کارکرد مجموعه سیستم اثر گذاشته و باعث کاهش راندمان سیستم می گردد. سنسور ناوبری مورد استفاده در منطقه دریایی با دمای 50 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار گرفته و دمای مجموعه به 62 درجه سانتی گراد رسیده و سبب از کار افتادن مجموعه شده و طراحی سیستم خنک کننده برای این مجموعه بسیار مهم می باشد. این سیستم از دو محفظه ی آلومینیومی تو در تو تشکیل شده که شکاف هوایی مابین آن باعث کاهش انتقال حرارت از محفظه ی داخل به محفظه ی خارجی می گردد و اختلاف دمایی حدود 12 درجه سانتی گرادی را از محفظه ی داخلی با دمای محیط خارج را باعث می شود.
از طرفی به دلیل حساس بودن سنسورها به ارتعاش و نویز از سیستم های خنک کاری معمول نمی توان استفاده کرد. لذا تحلیل حرارتی محفظه در این شرایط الزامی بوده و طراحی سیستم خنک کننده را می طلبد. شایان ذکر است که بازه ی عملکرد دمایی محفظه ما بین 0 تا 50 درجه سانتی گراد بوده و مجموعه در محیطی مرطوب قرار دارد. در این مسئله تنها ابزار جهت کنترل دمای محفظه سنسورها وجود فاصله هوایی میان پوسته داخلی و خارجی می باشد که با کم و زیاد کردن آن یا با استفاده از سیالی جایگزین هوا بتوانیم دمای محفظه را کنترل کرده و شرایط کاری مناسب سنسورها را فراهم کنیم.
مدل سازی مسئله:
در این تحقیق برای شبیه سازی سنسور ناوبری معرفی شده از برنامه ی شبیه سازی COMSOL Multiphysics استفاده شده است. جهت شبیه سازی حرارتی از معادلات دیفرانسیل و حل مشتق های جزئی به روش اجزاء محدود - FEM - در فضاهای سه بعدی استفاده شده است. این نرمافزار میتواند در حضور چالش هایی نظیر میدانهای الکترومغناطیسی، کشش، دینامیک سیالات و دینامیک گاز به خوبی راهگشا باشد. COMSOL همچنین فرصتی برای حل مشکل به عنوان یک فرمول ریاضی - در فرم معادلات - و فیزیکی - انتخاب مدل فیزیکی، به عنوان مثال مدل فرایند انتشار - را به کاربر میدهد. بدیهی است، در هر مورد سیستم معادلات حل خواهد شد، تفاوت فقط در امکان استفاده از سیستمهای فیزیکی و جسمی و واحدها نهفته است.[6]
به اصطلاح حالت فیزیکی، میتوان از معادلات پیش تعریف شده برای اکثر پدیده های انجام گرفته در علوم و فناوری استفاده کرد، مانند انواع روشهای انتقال حرارت و برق، تئوری الاستیسیته، نفوذ مولکولی و انتقال جرم و انتشار، انتشار موج و جریان سیال.برای شبیه سازی انتقال حرارت در این مسئله از ماژول Conjugate Heat Transfer استفاده شده است که امکان شبیه سازی هم زمان انتقال حرارت هدایتی در جامدات و سیالات و نیز انتقال حرارت جابجایی در سیالات را فراهم می سازد. در این شبیه سازی در چهار دیواره اطراف و نیز سطح بالایی، انتقال حرارت جابجایی در نظر گرفته شده و سطح پایینی مجموعه عایق می باشد.[7] همچنین میزان گرمای تولیدی در هر سنسور 20 وات و دما محیط سنسور 50 درجه سانتیگراد قرار داده شده است.به منظور حل این مسأله معادلات زیر به صورت همزمان حل می شوند.
که در این روابط، U سرعت سیال، چگالی سیال، T دمای سیال، k ضریب هدایت گرمایی، L طول مشخصه، Q حرارت تولیدی و ظرفیت حرارتی در فشار ثابت می باشد. در این بخش به بررسی محفظه سنسور ناوبری دریایی که 3 سنسور درون آن قرار دارد پرداخته می شود. هرکدام از سنسورها معادل 20 وات انرژی حرارتی تولید می کنند. جنس محفظه سنسور ها از آلومینیوم گروه 5000 - آلومینیوم دریایی - بوده و محفظه به صورت 2 پوسته ای ساخته شده است. این مسئله به این علت است که چون رطوبت محیط کاری زیاد است بایستی محفظه داخلی و محیط بیرون آب بند باشد، هم چنین این سنسور ها در حین کار احتیاج به نوسان دارند و حتما باید فضایی برای نوسان آن ها در نظر گرفته شود - شکل . - 1
در شرایط کاری که سنسورها قرار دارند نسبت به نویز و ارتعاش حساس بوده و دمای محیط کاری که سنسور در آن به کار برده می شوند در شرایط بحرانی حدود 50 درجه سانتی گراد می باشد.به دلیل حساسیت سنسورها به ارتعاش و نویز طراحی یک سیستم خنک کننده مبتنی بر پمپ و رادیاتور امکان پذیر نمی باشد. زیرا در حین گردش سیال خنک کننده در محفظه، ارتعاش و نویز ایجاد شده و عملکرد سنسورها تحت تاثیر قرار خواهد داد. از طرفی عدم وجود سیستم خنک کننده برای سنسور ها سبب افزایش دمای محفظه تا 64 درجه شده و سبب اختلال در کارکرد سنسورها می گردد، لذا تنها ابزار برای خنک سازی محفظه سنسورها استفاده از فضای خالی میان دو پوسته ی محفظه ی سنسورها می باشد که بتوانیم دما را در محفظه تحت کنترل داشته باشیم.
در ابتدای شبیه سازی این مسئله در نرم افزار با کم و زیاد کردن فاصله میان دو پوسته در حالی که سیال هوا در آن قرار دارد سعی در کنترل دمای شد، تغییر فاصله هوایی میان دو پوسته سبب تغییر دمای محفظه بین 62 تا 64 درجه سانتی گراد گردید که این دما سبب اختلال در کار سنسورها می گردید. در ابتدا فاصله محفظه بیرونی و داخلی 5 میلی متر بود که بین 3 تا 10 میلی متر آن را تغییر دادیم و دما نهایتا 2 درجه کاهش پیدا کرد. به علت محدودیت ارتعاشی سنسورها این فاصله کمتر از 3 میلی متر نمی تواند باشد چرا که سبب اختلال در عملکرد سنسورها می گردد.
علت این افزایش دما مقاومت هوا در برابر انتقال حرارت و پایین بودن ضریب هدایت گرمایی هوا می باشد که بین دو محفظه به عنوان عایق عمل کرده و افزایش دما در محفظه سنسورها می گردد.براساس اطلاعات حاصل از شبیه سازی مسئله که در آن انتقال حرارت به صورت جابجایی آزاد در نظر گرفته می شود دما تا در حالتی که فاصله هوایی مقدار 5 میلی متر را دارا بود حدود 62 درجه سانتی گراد است و این به معنای عدم کارکرد این روش می باشد.
راه کار های ارائه شده:
مقاومت عمده در برابر انتقال حرارت، هوای موجود در فضای داخل و نیز وجود فضای پر شده از هوا میان محفظه داخلی و خارجی سیستم سنسور ناوبری می باشد. هم چنین ساکن بودن هوای احاطه کننده ی سنسور باعث کاهش انتقال حرارت جابجایی در خارج از مجموعه سنسور می شود. لذا افزایش انتقال حرارت در این مجموعه از طریق کاهش این مقاومت ها انجام می شود. به علت کوچک بودن محفظه درونی مجموعه، هوای درونی توانایی انتقال حرارت کافی از طریق جابجایی را نداشته و عمده انتقال حرارت از طریق هدایت درون گاز انجام می گیرد. در این مطالعه، روش های مختلف جهت افزایش انتقال حرارت از طریق کاهش مقاومت گرمایی ایجاد شده به وسیله ی هوای بین دو پوسته، ارائه و بررسی شده است:
