بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله گزارشی از یک حل عددی در زمینه انتقال حرارت مبدل حرارتی دو لوله ای مخالف جهت و ویژگی های نانوسیال آب - اکسید آلومینیوم در محدوده غلظت حجمی 0 %7ارائه شده است. کاربرد نانوسیالات آب - اکسید آلومینیوم به عنوان سیال خنک کننده در یک مبدل حرارتی دو لوله ای تحت شرایط جریان آرام مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، روابط انتقال حرارت میان سیال گرم و نانو سیال به عنوان خنک کننده بررسی شده است. در مقاله حاضر، توزیع عدد ناسلت و مقدار آن، توزیع ضریب انتقال حرارت و مقدار آن و توزیع و مقدار ضریب اصطکاک بررسی شده است.
مقدمه
با توسعه سریع تکنولوژی مدرن در صنایع مختلف، افزایش حرارت، کاهش زمان انتقال حرارت، کوچک سازی اندازه مبدلهای حرارتی و در نهایت افزایش انرژی و راندمان سوختی یک نیاز جدی است. خنک کاری به عنوان یکی از مهمترین چالش های موجود در صرفه انرژی و افزایش بهره وری بسیاری از صنایع می باشد. اولین مانع جدی در فشرده سازی و کارآمد کردن دستگاه های انتقال حرارت، خواص ضعیف انتقال حرارت سیالات متداولی همچون آب و روغن می باشد.
در فرایندهای انتقال حرارت هدایتی و جابجایی یکی از مشخصه های موثر سیال ضریب هدایت حرارتی آن است. بالا بودن این مشخصه بیانگر بالا بودن نرخ انتقال حرارت می باشد. بنابراین ساخت سوسپانسیونی از ذرات ریز جامد در سیالات خالص راهکار جدید برای افزایش خواص انتقال حرارت سیالات حامل انرژی می باشد. اما سوسپانسیون ها با ذرات معلق - فلزی، غیر فلزی و پلیمری - در اندازه های میلیمتری و حتی میکرومتری مشکلاتی همچون ساییدگی ذرات، مسدود کردن کانال، افزایش افت ایجاد می کند. راهی که به کمک مهندسی سیالات آمد و به بهبود ویژگی های انتقال حرارت سیالات منتهی شد علم نانوتکنولوژی بود.
استفاده از ذرات با اندازه نانومتری در سیال خالص پایه برای اولین بار در آزمایشگاه ملی آرگون آمریکا توسط چوی [1] در سال 1995 مطرح شد و او این سوسپانسیون حاوی ذرات میکرومتری و میلیمتری، پایداری بهتری از خود نشان می دهند. در سالیان اخیر بسیاری از محققین خواص انتقال حرارت نانوسیالات گوناگون را در کاربردهای مختلف انتقال حرارت بررسی نموده اند.
به عنوان مثال، ژان و لی [5] نیز بصورت آزمایشگاهی به تحقیق در مورد انتقال حرارت جابجایی و خواص جریانی نانوسیال آب - مس جاری در یک لوله مستقیم با فلاکس حرارتی ثابت و تحت رژیم آرام و متلاطم پرداختند. نانوذرات مسی با قطر کمتر از 100 نانومتر در مطالعه آنها قرار گرفت. نتایج تحقیقات آنها نشان داد که نانوذرات معلق بطور قابل ملاحظه ای عملکرد انتقال حرارتی سیالات انتقال حرارتی رایج را بهبود می بخشد و ضریب اصطکاک این نانوسیالات تغییر زیادی نسبت با سیال پایه خالص پیدا نمی کند. بر این اساس ضریب انتقال حرارت جابجایی نانوسیال آب - مس با تراکم حجمی %2 افزایش حدود % 60 را نشان داد.
اضافه بر این آنها روابط جدیدی برای پیش بینی ضریب انتقال حرارت نانوسیالات را در دو رژیم جریان آرام و متلاطم ارائه نمودند. البته آنها مطالعه در مورد افت فشار نانوسیالاتی که به منظور سیالات حامل انرژی استفاده می شوند را نیز ضروری دانستند. بنابر نتایج تحقیقاتشان، افت فشار بیشتری برای نانوسیالات نسبت به سیالات پایه مشاهده نمی شود و نیاز به مصرف انرژی اضافه جهت پمپ نمی باشد.
ون و دینگ [6] به طور آزمایشگاهی به بررسی انتقال حرارت جابجایی نانوسیال آب و اکسید آلومینیوم تحت شرایط جریان آرام پرداختند و نتایج نشان داد استفاده از نانوسیال آب اکسید آلومینیوم افزایش قابل ملاحظه ای در انتقال حرارت جابجایی آرام ایجاد می کند. این افزایش با بالا رفتن عدد Re و همچنین افزودن تراکم حجمی ذرات متناسب است. آنها همچنان نشان دادند که:
-1 این افزایش انتقال حرارتی در ناحیه ورودی بیشتر و با فاصله گرفتن محوری کاهش می یابد.
-2 طول توسعه یافتگی گرمایی نانوسیالات از سیال پایه خالص بیشتر است. آنها این افزایش انتقال حرارت جابجایی را به پدیده مهاجرت ذرات منسوب کرده و اشاره کردند که نتایج ممکن است بخاطر توزیع غیر یکنواخت هدایت گرمایی و گرانروی سیال باشد که موجب کاهش ضخامت لایه مرزی گرمایی می شود.
هی و همکاران [7] بصورت آزمایشگاهی روی رفتار جریانی و انتقال حرارتی نانوسیالات آب - اکسید تیتانیومی جاری در یک لوله مستقیم عمودی تحت شرایط رژیم جریان آرام و متلاطم به مطالعه و تحقیق پرداختند. مشاهدات آنها نشان داد برای عدد Re و سایز ذره ثابت ضریب انتقال جریان آرام و متلاطم افزایش می یابد. آنها همچنین در تحقیقاتشان تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی را با تغییرات سایز ذره نیز مورد بررسی قرار دادند. افت فشار اندازه گیری شده نانوسیال توسط آنها در حالت عدد Re ثابت بسیار به سیال خالص نزدیک بود.
اخیرا دانگ و ونگ وایز [8] برای اولین بار خواص جریانی و انتقال حرارتی نانوسیال حاوی نانوذرات اکسید تیتانیوم با تراکم حجمی % 0/02 جاری در مبدل حرارتی دو لوله ای را مورد آزمایش قرار دادند. نتایج آنها نشان داد که ضریب انتقال حرارت جابجایی نانوسیال تنها کمی بیشتر از سیال پایه - حدود %6 تا - %11 می باشد. مقدار بسیار کمی اضافه افت فشار نسبت به حالت سیال پایه خالص نیز مشاهده شد. در این مقاله از نانوسیالات آب - اکسید آلومینیوم به عنوان سیال خنک کننده در مبدل حرارتی دو لوله ای برای بهینه سازی استفاده شده است. از مهم ترین دلایل انتخاب نانوذرات اکسید آلومینیوم در این تحقیق می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-1 نانوسیالات حاوی اکسید آلومینیوم دارای ضریب انتقال حرارت بالایی هستند.
-2 اکسید آلومینیم برای انسان و حیوان ضرر زیادی ندارد به طوری که از این اکسید در محصولات آرایشی و در گندزدایی آب استفاده می شود.
-3 نانوسیالات حاوی نانو ذرات اکسید آلومینیوم دارای پایداری بسیار عالی هستند - بدون استفاده از هر نوع افزودنی به سوسپانسیون -
معرفی مساله همانطور که اشاره شد در این تحقیق از سه نوع نانوذرات اکسید آلومینیوم و سیال پایه آب و روغن استفاده شده است. این سه نمونه اکسید آلومینیوم AF,AK,AR از لحاظ خواص فیزیکی، سطح، شکل و اندازه با هم تفاوت دارند. جداول 1و 2 خواص پایه این نانوذرات و سیال پایه آب و روغن را نشان می دهند. در ابتدا با توجه به این جداول در غلظت های حجمی 0 7 خواص ترموفیزیکی نانو سیالات همچون چگالی، گرمای ویژه و چسبندگی طبق روابط زیر محاسبه می شوند:
در رابطه 3، چسبندگی سیال پایه میباشد و a عدد ثابتی است. به عنوان مثال انیشتین مقدار a را برابر 2/5 در نظر گرفت، اما به طور کلی این مقدار برای نانوسیالات بیشتر است که به معنی آن است که نانوذرات حجم موثری بیشتری درسوسپانسیون در مقایسه با میکروذرات دارند. کانگ و همکارانش در سال [10] 2006 با در نظر گرفتن حجم موثر ذرات در سوسپانسیون، فرمولی تئوری برای پیش بینی هدایت حرارتی نانوسیالات به صورت زیر بیان نمودند:
جدول:1 خواص فیزیکی سیال پایه - آب و روغن -
جدول :2 خواص فیزیکی نانوذرات اکسید آلومینیوم
در این مقاله، مقدار a برای سوسپانسیون حاوی نانوذرات اکسیدآلومینیوم AF,AK,AR با استفاده از مقادیر آزمایشگاهی چان و همکارانش [11] محاسبه شده است. با توجه به نتایج آزمایشگاهی و رابطه 3، مقدار a برای سه نوع نانوذرات AF,AK,AR به ترتیب 3/5574، 4/9407 و 15/4150 محاسبه شده است.
با محاسبه خواص ترموفیزیکی نانوسیالات در غلظت های حجمی مختلف، اکنون میزان کاهش سطح انتقال حرارت با کاربرد نانوسیال به عنوان خنک کننده بررسی می شود و به بررسی تغییر مقدار عدد ناسلت، دمای خروجی سیال، افت فشار و... می پردازیم.
ضریب انتقال حرارت سیال تحت رژیم جریان آرام از رابطه - Re<2100 - جریان دارد طبق رابطه زیر محاسبه می گردد:
این رابطه علاوه بر لوله داخلی برای فضای حلقوی به شرط استفاده از قطر معادل می توان استفاده کرد.
در این رابطه:
: L طول انتقال حرارت
: Deq قطر معادل
همچنین در این بررسی ضریب اصطکاک fn، افت فشار و توان پمپاژ برای نانوسیالات استفاده شده در مبدل حرارتی دو لوله ای به عنوان سیال خنک کننده طبق روابط زیر محاسبه می شود
نتایج هدایت حرارتی نانو سیالات آب حاوی نانوذرات اکسید
آلومینیوم AK,AR و AF در غلظت های حجمی 0 7 محاسبه شده و در شکل 3 نمایش داده شده است. با توجه به نتایج مشاهده می شود که افزایش هدایت حرارتی نانوسیال حاوی اکسید آلومینیوم AK در مقایسه با نانوسیال AR بیشتر بوده است. با توجه به جدول 2 اکسیدهای آلومینیوم AR و AK شکل و اندازه تقریبا یکسانی دارند و مهمترین تفاوت بین آنها خواص آب دوستی سطحی آنهاست. به طوری که سطح اکسید آلومینیوم AR آب دوست و AK آب گریز است.
این تفاوت روی پایداری و توزیع ذرات در سیال پایه تاثیرگذار می باشد. همچنین بیشترین افزایش هدایت حرارتی در نانوسیال حاوی اکسید آلومینیوم AF مشاهده می شود. همانطور که در جدول 2 بیان شد شکل نانو ذرات اکسید آلومینیوم AF میله ای است و افزایش هدایت حرارتی سیال پایه با ذرات استوانه ای شکل به علت کشیدگی این ذرات و افزایش سطح انتقال حرارت در مقایسه با ذرات کروی بیشتر می باشد. اما استفاده از ذرات کروی به دلیل تولید آسان تر آنها متداول تر است. همچنین با افزایش غلظت حجمی نانوذرات در سیال پایه چسبندگی نانو سیال افزایش می یابد
شکل:1 ضریب هدایت گرمایی نانوسیال بر حسب غلظت حجمی نانوذرات
شکل:2 چسبندگی نانوسیال بر حسب غلظت حجمی نانوذرات
افزودن نانوذرات به سیال پایه و افزایش غلظت حجمی نانوذرات به دلیل افزایش عدد پرانتل و بهبود خواص ترموفیزیکی نانوسیال نسبت به سیال پایه باعث افزایش عدد ناسلت شده است شکل .3 هر چند که به علت تاثیرگذاری چسبندگی و بیشتر بودن چسبندگی نانوسیال حاوی ذرات AF نسبت به دو گونه دیگر در غلظت حجمی برابر مقدار عدد ناسلت کمتر از دو گونه دیگر می باشد.
شکل:3 ناسلت در لوله داخلی بر حسب غلظت حجمی نانوذرات
