بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش مبدل حرارتی یکراهه با شرط مرزي شار ثابت گرما، با مبدل حرارتی دوراهه با شار ثابت گرما با نظام جریان آرام در هندسههاي مختلف و همچنین شرایط مختلف جریان در دبیهاي مختلف، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتهاند. این پژوهش به روش عددي و توسط نرم افزار ANSYS Fluent انجام گرفته است. این مساله در هندسههاي مختلف یعنی مکان نسبی قرار گرفتن صفحهي جدا کننده و براي اعداد گراتز مختلف مورد بررسی قرار گرفته، و نتایج با هم مقایسه شدهاند.
آثار ناحیه انتهایی و جدایش جریان در این قسمت، بر انتقال حرارت و هیدرودینامیک جریان مورد بررسی قرار گرفته و بهبود انتقال حرارت و افزایش افت فشار در مبدل دوراهه با حالت یکراهه مقایسه شده است. از مقایسه ي این نتایج دیده میشود که گرچه مبدل دوراهه همواره افت فشار بیشتري ایجاد میکند، اما در اعداد گراتز بزرگ و دبیهاي جریان زیاد مجراي دوراهه عملکرد بهتري در انتقال حرارت دارد. در حالی که در اعداد گراتز پایین و دبیهاي کم جریان، مبدل حرارتی یکراهه عملکرد بهتري در انتقال حرارت دارد.
این رفتار به دلیل نقش برجسته انتقال حرارت از صفحهي جدا کننده در دبیهاي پایین رخ داده و عملکرد مبدل را تحت تاثیر قرار میدهد. لذا استفاده از مبدلهاي دوراهه در دبیهاي بالاي جریان و استفاده از مبدل-هاي یکراهه در دبیهاي پایین مناسبتر و مقرون به صرفهتر است. از طرفی در مبدل دوراهه مکان صفحهي جدا کننده بر عملکرد مبدل تاثیر زیادي دارد. استفاده از صفحه جدا کننده نزدیک به مجراي ورودي باعث کاهش بیشینه و میانگین دماي سطوح انتقال حرارت شده و هنگامی که هدف کاهش دماي سطوح انتقال حرارت و افزایش ضریب انتقال حرارت است، می-توان از این خاصیت استفاده کرد.
- 1 مقدمه
- 1-1 مساله گراتز و پیشینهاي از تحقیقات انجام شده در مورد مساله گراتز:
یک سیستم مانند مجراي یکراهه نشان داده شده در شکل 1 را در نظر بگیرید. چنین مجرایی با جریان لایهاي - laminar - پایا و با رسانش محوري قابل اغماض در هندسهي استوانهاي یا صفحهاي موازي، به مساله کلاسیک گراتز مشهور است 1] تا .[3 مساله کلاسیک گراتز در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. از جمله میشلسن و ویلاوسن [4]، پاپوتساکیس و دیگران [5]، ویگاند[6]، و بیلیر [7] اثر رسانش محوري را در جریان لایهاي داخل کانال مساله ي گراتز بررسی کرده اند.
همچنین پایوتاسکیس و رامکریشنا 8] و [9، امین و خان [10] و پن و باو [11]، مساله گراتز را براي 2 یا چند فاز بررسی کردهاند. هو ، چانگ و تو [12] مساله گراتز را با شرط نویمن - شار ثابت - روي صفحات موازي، با قراردادن صفحه نازك جداکنندة در کانال اصلی و تبدیل کانال به دو زیر کانال و البته با صرف نظر از اثر انتها بررسی کردهاند که در آن اثر ناحیه انتهایی مبدل نادیده انگاشته شده است. و سیال در هنگام ورود به زیر کانال دوم با پروفیل توسعه یافتهاي که از زیر کانال اول خارج میشده، وارد میشود.
شکل - 1 مجراي یکراهه انتقال حرارت
در این تحقیق مساله کلاسیک گراتز با افزودن یک صفحه تقسیم کننده - صفحه میانی - به کانال در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گرفته است، در این تحقیق بر خلاف مدلسازيهاي قبل که اثر انحناي مسیر برگشتی انتهایی مبدل دوراهه در نظر گرفته نشده است، با اضافه کردن مسیر نیم دایره انتهایی تاثیرات آن بر انتقال حرارت و همچنین شرایط هیدرودینامیکی جریان بررسی شده است. شکل 2 شماتیک مبدل دو راهه را نشان میدهد.
بررسی آنکه اثر افزودن صفحه مقسم بر انتقال حرارت و افت فشار چگونه است، بسیار اهمیت دارد. چرا که در این روش بدون صرف هزینه قابل توجه و بدون تغییر در ابعاد خارجی مبدل و همچنین شرایط مرزي حرارتی - شار ثابت - امکان تبادل حرارت راحتتر و با گرادیان دماي کمتر وجود خواهد داشت و از این طریق میتواند دماي کارکرد قسمت تولید کننده شار حرارتی - مثلا قطعه الکترونیکی - و سطوح انتقال حرارت را کاهش داد. این عمل علاوه بر صرفه جویی اقتصادي، نیاز به مبدلهاي بزرگتر را کم میکند. و باعث کوچک شدن فضاي نصب مبدل که در کاربردهاي خاص از جمله صنایع فضایی و الکترونیکی از اهمیت ویژهاي برخوردار است، میشود. لذا به کارگیري چنین مبدلهاي حرارتی باعث بهرهوري بیشتر و عملکرد ایمنتر خواهد شد.
شکل - 2 مجراي دو راهه انتقال حرارت
- 2 تعاریف و روش حل مساله:
مجرایی مطابق شکل 1 را در نظر بگیرید. در این مجرا سیال از سمت چپ وارد شده و از سمت راست خارج میشود، در طرفین - بالا و پایین - ، سیال با دیواره مجرا تماس دارد که شار یکنواخت گرما را به سیال میدهند. این مجرا را مجراي یکراهه جریان مینامیم. حال فرض کنید صفحه اي بسیار نازك را به صورت طولی وارد مجرا میکنیم تا مجرا را به دو قسمت تقسیم کند و انتهاي آنرا توسط یک نیم دایره ببندیم تا جریان از کانال پایینی وارد و از طریق کانال بالایی در خلاف جهت قبل خارج شود. این قسمت از مجرا که در آن جریان سیال تغییر جهت میدهد را ناحیهي بازگشت مینامیم.
