بخشی از مقاله
خلاصه
در پژوهش حاضر انتقال حرارت نانو سیال آب CdO در یک مبدل دو لولهای با جریانی از نانوسیال مورد واکاوی و تحلیل عددی و آزمایشگاهی قرار گرفت. بدین منظور انتقال حرارت نانوسیال مورد نظر با فرض توزیع و پراکندگی یکنواخت نانوذرات کادمیوم اکسید در سیال پایه - آب - به صورت تکفازی بهوسیله ی نرم افزار ANSYS FLUENT شبیه سازی شده است و تأثیر درصد حجمی نانوذرات، دمای ورودی نانوسیال و دبی آن بر انتقال حرارت در مبدل دو لولهای مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان می دهد که با افزایش درصد حجمی نانوذرات، دمای ورودی و دبی نانو سیال، ضریب کلی انتقال حرارت و به تبع آن انتقال حرارت در این تجهیز افزایش می یابد.
1. مقدمه
با توجه به پیشرفت های اخیر در فناوری نانو، یکی از روش های نوین بهبود راندمان مبدل های حرارتی، استفاده از نانو سیالات می باشد که در دهه ی گذشته مطالعات تجربی و نظری فراوانی پیرامون آن در مراجع علمی صورت گرفته است. بیشتر سیالات مرسوم در انتقال حرارت مانند آب، اتیلن گلیکول و روغن موتور، قابلیت های محدودی به لحاظ خواص گرمایی دارند که به نوبه خود ممکن است محدودیت های شدیدی را در بسیاری از کاربردهای گرمایی اعمال کنند.
علی رغم تحقیقات و تلاش های قابل توجه، نیاز روشن و فوری به توسعه استراتژی های جدید برای بهبود رفتارهای گرمایی مؤثر این سیالات وجود دارد. از سوی دیگر، بیشتر جامدات به ویژه فلزات رسانندگی های گرمایی بالاتری در مقایسه با مایعات دارند. بنابراین، می توان انتظار داشت که خواص گرمایی سیال حاوی ذرات جامد به طور قابل توجهی افزایش یابد. در همین راستا استفاده از نانوسیالات می تواند پیشرفت خوبی در زمینه ی انتقال حرارت در تجهیزات مختلف ایجاد کند. اصطلاح »نانوسیال« به مخلوط دوفازی متشکل از فاز پیوسته مانند آب و فاز پراکنده متشکل از ذرات فلزی فوق العاده ریز با اندازه زیر 40 نانومتر به نام نانوذرات، اشاره دارد
. بعضی از داده های تجربی موجود نشان داده اند که با بارگذاری نسبتاً پایین ذرات،مثلاً 1تا 5 درصد در حجم، رسانش گرمایی مخلوط حاصل %20 در مقایسه با رسانندگی گرمایی مایع پایه افزایش می یابد. بنابراین، به نظر می رسد که نانوسیالات مورد بسیار جالبی برای کاربردهای گرمایی پیشرفته به ویژه انتقال گرمای در مقیاس میکرو و نانو باشند. علی رغم پتانسیل های بالای این نوع سیالات در مباحث انتقال حرارت، هنوز هم خلأ هایی در توسعه ی این سیالاتنسبتاً ویژه وجود دارد.
با این وجود تاکنون کارهای تحقیقاتی مختلفی بر روی رفتار نانوسیالها صورت گرفته است. تحلیلهای عددی در این زمینه با دو رویکرد صورت می گیرند. در اولین رویکرد، پیوستگی و تکفاز بودن نانوسیال در صورتی که نانو ذرات به صورت یکنواخت معلق و پراکنده شده باشند به عنوان فرض اصلی قلمداد می شود
محققان زیادی همچون روی و همکارن، مایگا و همکاران رویکرد تکفازی را برای تحلیل عددی انتقال حرارت نانوسیال مورد استفاده قرار دادند. در رویکرد دوم یک مدل دو فازی سیال –جامد جهت بررسی انتقال حرارت در نانوسیالات به کار گرفته می شود
به طور کلی در دهه ی اخیر، مطالعات آزمایشگاهی و عددی متعددی در مبحث انتقال حرارت نانوسیالات در انواع مختلف مبدل های حرارتی صورت پذیرفته است.[11-7] در این همین راستا و در ادامه ی کار دیگر پژوهشگران، در پژوهش حاضر انتقال حرارت نانو سیال آب CdO در یک مبدل دو لوله ای با جریانی از نانوسیال در لوله ی داخلی مورد واکاوی و تحلیل عددی و آزمایشگاهی قرار گرفت.
2. سیستم آزمایشگاهی
در پژوهش حا ضر برای برر سی انتقال حرارت نانو سیال در مبدل دو لولهای، یک سی ستم آزمای شگاهی ایجاد گردید. که شماتیک آن در شکل های 1 و 2 قابل مشاهده است. سیستم مذکور شامل یک مبدل که از دو لوله متحدالمرکز که به صورت افقی قرار گرفته است ساخته شده است. مخزن آب گرم به حجم تقریبی 15 لیتر که مجهز به گرمکن برقی جهت تأمین آب گرم مورد نیاز آزمایش میباشد، در این سیستم تعبیه شده است که آب گرم از درون آن توسط یک پمپ وارد سیستم میگردد.
این مخزن مجهز به ترموستات میباشد که فرد میتواند با چرخاندن عقربه ترموستات و قرار دادن آن بر روی دمای دلخواه آب مخزن را در دمای مطلوب مورد نیاز آزمایش کنترل کند. آب گرم مورد نیاز پس از فرایند در خروجی مبدل دو مرتبه به مخزن برگشت داده میدهد و به طور کلی سیستم گردش آب گرم به صورت سیکل بسته است. آب سرد مورد نیاز فرایند توسط جریان آب لوله کشی شده ساختمان آزمایشگاه تأمین میشود و در انتهای فرایند از سیستم خارج و به فاضلاب هدایت میگردد. دستگاه قابلیت دو حالت متفاوت آرایش جریان را به صورت همسو و ناهمسو را دارا میباشد که این امر را میتوان با استفاده از عوض کردن شلنگ آب سرد در ورودی و خروجی تنظیم کرد.
مشخصات دیگر و ابعاد دستگاه به صورت زیر است:
· طول تبادل حرارتی بین سیال گرم و سرد 120 سانتی متر میباشد.
· لوله داخلی دارای قطر داخلی 6 میلی متر و قطر خارجی 8 میلی متر میباشد
· لوله خارجی دارای قطر داخلی 14 میلی متر و قطر خارجی 16 میلی متر میباشد.
· ضخامت عایق پیچیده شده بر روی لوله خارجی 17میلی متر میباشد.
· نوع جریان همسو و متلاطم می باشد و جنس مبدل استیل 316 می باشد .
شکل -1 شماتیک سیستم آزمایشگاهی
شکل -2 تصویر سیستم آزمایشگاهی
3. شبیه سازی عددی
در این پژوهش، ما با فرض توزیع و پراکندگی یکنواخت ذرات فلز در سیال پایه، رویکرد »سیال تک فازی« را برای مطالعه رفتارهای گرمایی نانوسیالات اتخاذ کرده ایم. همچنین فرض شده است که نانوسیالات با خواص فیزیکی ثابت تراکم ناپذیر هستند و تراکم و اتلاف ویسکوز در معادله انرژی جزئی در نظر گرفته می شوند. در چنین شرایطی، معادلات حاکم بر این پدیده در حالت برداری به صورت زیر هستند:
در معادلات بالا، V، P و T به ترتیب بردار سرعت سیال، فشار و دما هستند. همه خواص سیال در دمای مرجع که دمای درونی سیال T0 است، ارزیابی می شوند.
خواص فیزیکی مؤثر نانوسیال مورد مطالعه، با فرض این که نانوذرات در سیال پایه به صورت یکنواخت پراکنده شده باشد و با آگاهی از خواص اجزای تشکیل دهنده و نیز درصد حجمی های مربوط به هرکدام، با استفاده از فرمول های کلاسیکی که برای سیالات دوفازی به کار برده می شوند، ارزیابی شده اند. خلاصه ی این روابط برای نانوسیال آب CdO در جدول 1 قابل مشاهده است.
جدول -1 خلاصه ی روابط استفاده شده برای تعیین خواص فیزیکی
در روابط فوق ρ ، CP ، K و µ ، φ به ترتیب چگالی، ظرفیت گرمایی، ضریب هدایت گرمایی، ویسکوزیته و درصد حجمی نانو ذرات می باشند و اندیس های bf،p ، nf مربوط به سیال پایه ،ذرات و نانوسیال است.
هندسه ی مورد نظر و ناحیه ی شبیه سازی با توجه به سیستم آزمایشگاهی ذکر شده انتخاب گردید. بدین منظور یک مدل دوبعدی متقارن ایجاد شده که شبکه بندی آن در نزدیکی ورودی و با مقیاس بزرگ در شکل 3 قابل مشاهده است. همچنین از نرم افزار GAMBIT 2.4 برای تولید شبکه های ساختار یافته در ناحیه ی محاسباتی استفاده گردید.
شکل-3 شبکه بندی و هندسه ی مورد مطالعه در پژوهش حاضر
