بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی شبیهسازي سه بعدي سه فین سینوسی، مثلثی و فین دندانهاي شکل براي تحلیل عملکرد آنها انجام شده است. اثر سه پارامتر گام، دامنه موج و طول موج فین بر روي فینهاي مورد نظر بررسی شده است. نتایج بهخوبی نشان میدهد که پارامترهاي هندسی تاثیر بسزایی در میزان انتقال حرارت و راندمان فینها دارند. فینهاي مورد نظر ابتدا در محیط نرم افزار Gambit مدل و شبکه بندي شده و سپس در نرم افزار Fluent شبیه سازي جریان صورت گرفته و تحلیل شده است.
گامهاي مورد بررسی 2/50, 2/25, 2 میلیمتر، دامنه موج مورد بررسی 2, 1/75, 1/5 میلیمتر و طول موج مورد بررسی 11/2, 11 , 10/8 میلیمتر میباشد. نتایج محاسبات دقت خوبی در مقایسه با نتایج تحقیقهاي مراجع معتبر داشت و تحلیل نتایج نشان داد که براي فین موجی سینوسی با افزایش گام فین و دامنه موج میزان انتقال حرارت افزایش یافت. حال آنکه افزایش طول موج فین سبب کاهش نرخ انتقال حرارت می شود.
-1 مقدمه
مبدلهاي حرارتی تجهیزاتی هستند که براي انتقال حرارت موثر بین دو سیال - گاز یا مایع - در دماهاي مختلف استفاده میشوند. به عبارتی دیگر، در مبدلهاي حرارتی براي انتقال حرارت بهینه از یک محیط به محیط دیگر این حرارت بین دو یا چند سیال که بدون تماس جرمی با یکدیگر جریان دارند، انتقال مییابد. مبدلها همچنین میتوانند شامل حرکت ﺟﺎﺑﺠﺎﯾﯽ دو ﻓﺎز مخلوط بخارهاي مختلف نظیر چگالش و هیدروکربنها باشند. بهواسطه اهمیت و گستردگی استفاده از مبدلهاي حرارتی از سادهترین شکل آنها در زندگی روزمره مانند شوفاژ، سیستمهاي تهویه مطبوع و تبرید، بخاري و رادیاتور ماشین تا پیشرفتهترین شکل آنها به صورت مبدلهاي حرارتی فشرده در صنایع مختلف فضایی، هستهاي، شیمیایی، پتروشیمی، نیروگاهی، فرآیندهاي خنکسازي شامل کندانسورها و اواپراتورها کاربرد فراوان دارند و تحقیقات فراوانی براي بهبود عملکرد آنها صورت گرفته است.
علی آبادي و همکارانش مبدل حرارتی - wavy fin and flat tube - WFFT را بصورت سه بعدي شبیهسازي کردهاند. که در آن تاثیر 5 پارامتر هندسی شامل گام فین، ارتفاع فین، طول فین، ضخامت فین و دامنه موج در یک محدوده وسیعی از عدد رینولدز 600 - تا - 7000 و تغییر پارامترها بر روي فین موجی سینوسی بررسی شده است. نتایج بدست آمده از محاسبات دقت خوبی در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی دارد، نشان میدهد که با افزایش گام فین، نرخ انتقال حرارت و افت فشار هر دو افزایش مییابند. افزایش ارتفاع فین فقط تاثیر مثبتی بر روي نرخ انتقال حرارت دارد و با کاهش ضخامت فین نرخ انتقال حرارت افزایش مییابد.
همچنین با افزایش طول فین نرخ انتقال حرارت کاهش مییابد. افزایش دامنه موج فین نرخ انتقال حرارت را افزایش میدهد که بهترین حالت میباشد.[4] تاو و همکارانش، مبدل حرارتی WFFT را بصورت سه بعدي آنالیز عددي کردهاند. تاو فین را بصورت دما ثابت فرض کرده است چون تا حد قابل قبولی با واقعیت همخوانی دارد و تاثیر 4 عامل عدد رینولدز، گام فین، زاویه موج و قطر لوله بررسی شده است که نتایج قابل قبولی با دادههاي آزمایشگاهی دارد
NI Ming-long و همکارانش، نرخ انتقال حرارت و جریان هواي سرد در کانالهاي فین موجی مثلثی را بصورت عددي شبیهسازي کردهاند. در آن، تاثیر سرعت سیال ورودي، طول فین، گام و ارتفاع فین، تاثیر دامنه موج و طول موج بر روي فین بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که با افزایش سرعت ورودي ضریب انتقال حرارت افزایش مییابد. با افزایش ارتفاع فین و طول فین نرخ انتقال حرارت کاهش مییابد. و با افزایش طول فین موج نرخ انتقال حرارت کاهش مییابد
junjie zho . و همکارانش، فینهاي موجی مثلثی و سینوسی را بصورت عددي تحلیل و شبیهسازي کردهاندJungi Dong .[7] و همکارانش، عملکرد thermal-hydraulic در مبدلهاي WFFT را بصورت تجربی و عددي آنالیز کردهاندJungi Dong .[8] و همکارانش، ارتباط بین انتقال حرارت و افت فشار براي مبدل حرارتی WFFT را بررسی کردهاند .
امیر فرهنگ ستوده و همکارانش، مبدلهاي حرارتی صفحهاي فیندار را با حجم ثابت به منظور حصول بیشترین بازیافت انرژي حرارتی در افت فشار و سطح انتقال حرارت ثابت مدلسازي، طراحی و تحلیل کردهاندB.Youn .[1] و همکارانش، یک مطالعه آزمایشگاهی بر روي عملکرد air-side مبدلهاي حرارتی WFFT انجام دادهاندMutasim .[10] Mohamed، فرآیندهاي انتقال حرارت در یک فین موجی رطوبتزا و یک جت مایع محدود شده با سطوح مختلف را بصورت عددي شبیهسازي کرده است
با توجه به اینکه میزان کارایی مبدلها مستقیماً به میزان مصرف انرژي مربوط میشود و با توجه به محدود بودن سوختهاي فسیلی در جهان و هزینهي بالاي سوخت، مسایل اقتصادي، اکولوژیکی و زیست محیطی، اهمیت بالا بردن کارایی مبدل ها را آشکار میسازد. و به سبب اهمیت کارآیی پرهها در مبدلهاي حرارتی بررسی فراوانی در زمینه آنها انجام یافته است. آزمودن هندسههاي مختلف براي پرهها به جهت یافتن هندسه بهینه یکی از روشهاي بهبود کارآیی است. مبدل حرارتی فشرده یکی از انواع مختلف مبدلهاي حرارتی میباشد.
مبدلهاي صفحهاي فیندار از صفحاتی تشکیل شدهاند که در فضا خالی بین صفحات فین قرار گرفته است و به دلیل کارایی حرارتی بالا و توانایی چند جریانه بودن فینها، بصورت وسیع و بطور گسترده در مبدلهاي حرارتی گاز-گاز یا گاز-مایع - در جایی که ضریب انتقال حرارت ، در یک یا هر دو سمت کوچک باشد - از قبیل میکروتوربینها، صنایع نفت و هوا فضا استفاده میشود. فینهاي مورد نظر شامل فین موجی سینوسی، مثلثی، دندانهاي شکل میباشند که تغییر در آرایش یا هندسه آنها باعث تغییر نرخ انتقال حرارت و راندمان مبدلها میشود که در این مقاله به بررسی پارامترهاي هندسی فینهاي موجی و دندانهاي شکل پرداخته شده است.
عملکرد فینها با توجه به دماي خروجی، نرخ انتقال حرارت و افت فشار مشخص میشود. فین ها ازلحاظ محاسبات عددي و نرم افزاري، در مدت زمان کوتاهی آنالیز میشوند، قابلیت تکرار خوبی دارند، دادهها را بصورت کامل مشخص میکنند، نتایج قابل قبولی با دادههاي آزمایشگاهی دارند، وکاربردهاي تجاري و آزمایشگاهی زیادي از جمله طراحی و تفسیر شکل دارا میباشند. انتقال حرارت تشعشعی در آنها قابل صرف نظر کردن است. با توجه به اهمیت نقش فینها در مبدلهاي حرارتی فشرده، تغییر در پارامترهاي هندسی نقش اصلی در افزایش کارایی مبدلها دارد. در این میان ، فین هاي موجی سینوسی ومثلثی و فین دندانهاي شکل اهمیت ویژهاي دارند.
یکی از مهمترین پارامترهاي طراحی در مبدلهاي حرارتی صفحهاي فیندار، نوع و هندسه فین است. هر کدام از فینهاي ذکر شده داراي مزایا و معایبی میباشند که با تغییر آرایش یا پارامترهاي هندسی آنها میتوان راندمان مبدل و ضریب انتقال حرارت را افزایش داد. تلاشهاي زیادي توسط محققین مختلف براي پیشبینی عددي ضریب انتقال حرارت و اصطکاك در سطوح ثانویه انجام گرفته است . که در اغلب موارد سازگاري مناسبی با دادههاي آزمایشگاهی دارد. برخی از محققین روشهایی را براي انتخاب سطوح حرارتی این نوع مبدلها ارایه نمودهاند.
در این روشها، فینی که بیشترین بازیافت حرارتی را با در نظر گرفتن بیشترین افت فشار ایجاد میکند، بهترین نوع فین است . میتوان با دانستن نوع، هندسه و ابعاد فین و به کمک مدلسازي حرارتی، دماي خروجی جریانهاي سرد و گرم را بدست آورد. براي آنکه هر دو جریان بتوانند از بیشترین افت فشار مجاز خود استفاده کنند، نوع جریان در این مبدل ها متقاطع در نظر گرفته میشود .
در مواردي که مبدلهاي حرارتی داراي بازیافت حرارتی نزدیک به یکدیگر هستند، عواملی نظیر مساحت سطح پیشانی و طولی جریان میتوانند در انتخاب فین مناسب موثر باشند. به طورکلی افزودن فین به کانالهاي مبدلهاي صفحه اي باعث افزایش افت فشار، طولانیتر شدن مسیر عبور جریان، آشفتهتر کردن خطوط جریان و افزایش انتقال حرارت میشود. در این مقاله با نرم افزارهاي تجاري Gambit، Fluent و با تغییر نوع فینها، پارامترهاي هندسی و آرایش قرارگیري آن ها در این نوع مبدلها به بررسی موارد زیر پرداخته و معیار مناسبی را براي طراحی بهینه بدست میآوریم.
1. تاثیر تغییرات پارامترهاي هندسی ذکر شده بر میزان انتقال حرارت فینهاي موجی سینوسی و مثلثی و فین دندانهاي شکل.
2. تاثیر شکل هندسی و ابعاد فینها بر میزان انتقال حرارت.
3. یافتن بهترین نوع فین با بیشترین بازیافت حرارتی بر اساس نتایج بدست آمده از بررسی و مقایسه فینهاي .
-2 معادلات حاکم و روش عددي
در شبیهسازي مسئله، جریان هوا در کل محاسبات، تراکمناپذیر، پایا، با خواص ثابت سیال در دماي میانگین و نیز بعلت سرعت ورودي پایین و کوچکی سطح پره، یکنواخت فرض شده و جنس فین نیز از فولاد و ویژگیهاي آن ثابت میباشد.
معادلات بقاي جرم، مومنتم و انرژي در حالت دائم و در مختصات کارتزین بصورت زیر نوشته شده است.
معادله پیوستگی - بقاي جرم - :
بطوریکه u و v و w مولفههاي سرعت به ترتیب در جهات x ، y و z است. معادله مومنتم هم جهت خلاصه نویسی به شکل تانسوري بصورت زیر میباشد:
