بخشی از مقاله
چکیده
سرد کردن یا گرم کردن در فرآیندهای صنعتی میتواند موجب کاهش مصرف انرژی، کاهش زمان فرآیند، افزایش نرخ انتقال حرارت و یا افزایش طول عمر وسیله یا قطعات گردد. در این مقاله تحلیل عددی انتقال حرارت در فضای بین سیلندرهای هم مرکز که در این مورد سیلندر داخلی بصورت بیضی شکل میباشد با استفاده از آب و نانوسیال و در رژیم جریان آشفته مورد بررسی قرار گرفته است.
معادلات سه بعدی پیوستگی، ناویر استوکس و انرژی با روش حجم محدود حل شده و از الگوریتم SIMPLE جهت بررسی اثر جریان آشفته بر روی خصوصیات انتقال حرارت استفاده شده است. این تحقیق در برگیرنده اثر نانوذره AL2O3 با کسر حجمی % 4 و قطر nm 25 تحت شرایط مرزی شار حرارتی ثابت میباشد که در آن آب به عنوان سیال پایه استفاده شده است. عدد رینولدز در این جریان در محدوده قرار دارد. نتایج نشان میدهند با تغییر سیال از آب خالص به نانو سیال ضریب انتقال حرارت افزایش پیدا کرده و همچنین با افزایش عدد رینولدز نیز عدد ناسلت افزایش پیدا کرده است.
-1 مقدمه
روش های مختلفی برای افزایش راندمان انتقال حرارت وجود دارد که از آن جمله میتوان استفاده از سطوح گسترش یافته یا پرهها، ارتعاش سطح انتقال حرارت و یا استفاده از میکروکانال ها را نام برد. راندمان انتقال حرارت را همچنین میتوان با افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال کاری افزایش داد
سیال های کاری مرسوم برای خنک کاری مانند آب، اتیلن گلیکول و روغن موتور در مقایسه با فلزات ضریب هدایت حرارتی بسیار کمتری دارند. از ضریب هدایت حرارتی بالای فلزات میتوان برای افزایش ضریب هدایت حرارتی مایعات بوسیله افزودن ذرات ریز فلزات به سیال کاری استفاده نمود. همانطور که در جدول زیر مشاهده میشود ذرات جامد، ضریب هدایت حرارتی بسیار بالاتری نسبت به سیالاتی که به طور مرسوم برای انتقال حرارت استفاده میشوند دارند. ضریب هدایت حرارتی مس، 700 برابر از ضریب هدایت آب و 3000 برابر از ضریب هدایت حرارت روغن موتور بیشتر می باشد.
استفاده از چنین ترکیباتی با ذرات جامد در اندازه حدود 2 میلیمتر یا میکرومتر در گذشته در پژوهش های بسیاری بررسی شده است و به طور خلاصه بنا به دلایلی [2] اعم از سرعت نشست ذرات و در نتیجه کاهش ظرفیت انتقال حرارت سیال، افزایش خوردگی و سایش، گرفتگی کانال ها به دلیل اندازه بزرگ ذرات و همچنین افزایش افت فشار سیال، رد شده است. بنابر این استفاده از ترکیب فلز-سیال یک روش شناخته شده و همچنین رد شده برای افزایش انتقال حرارت میباشد. این در حالی است که در عصر حاضر پیشرفت تکنولوژی در تولید مواد ما را قادر ساخته است که ذرات رادر ابعاد نانومتر تولید کنیم که از نظر خواص گرمایی، مکانیکی و الکتریکی کاملا با مواد شناخته شده کنونی متفاوت هستند.
در سال 1995 ایده نانوسیال توسط چویی و همکاران[1] مطرح شد وانقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آمد. در واقع نگاه تازه ای به سوسپانسیون سیال جامد با ذراتی در ابعاد نانو مطرح شد. همچنین به علت کوچک بودن ذرات به مقدار زیادی خوردگی، ناخالصی و مشکلات افت فشار کاهش پیدا کرده و پایداری سیالات در مقابل رسوب گذاری بهبود چشمگیری یافت. نانوسیالات درواقع فضای - محیط - جدید برای انتقال حرارت میباشند که ذرات در ابعاد نانو 100-1 - نانومتر - بطور یکنواخت و پایدار در سیال پایه پخش شده اند.
این نانوذرات غالبا از جنس فلزات یا اکسیدهای فلزی می باشند که بطور قابل توجهی ضریب هدایت حرارتی نانوسیال را افزایش میدهند که با افزایش ضریب انتقال حرارت هدایت و همچنین جابجایی باعث افزایش نرخ انتقال حرارت میگردند. نانو سیالات به مدت دو دهه به عنوان سیال کاری برای انتقال حرارت پیشرفته شناخته می شدند اما به دلیل گستردگی و پیچیدگی سیستم هایی که نانوسیالات در آنها استفاده می شد یک قانون کلی مبنی بر میزان پتانسیل استفاده از نانوسیالات در افزایش یا کاهش انتقال حرارت در کاربردهای مهندسی مختلف حاصل نشد. اولین آزمایشی که با استفاده از نانو سیالات انجام شد[1]، نتایج بسیار قابل توجهی نسبت به آنچه که دانشمندان انتظار آن را داشتند نشان داد.
چهار ویژگی منحصر به فرد که در این آزمایش ها مشاهده شد بصورت زیر است: -1 افزایش غیر طبیعی ضریب هدایت حرارتی-2 پایداری -3 تمرکز کم و رفتار نیوتونی -4 وابستگی به اندازه ذرات.
جریان در لولههای متحدالمرکز در بسیاری از کاربردهای مهندسی مانند مبدلهای حرارتی، سیستمهای احتراق و فرآیندهای سوراخکاری در صنایع نفت و گاز مشاهده میشود. لولهها با سطح مقطع بیضوی به دلیل مقاوت کمتری که سر راه جریان ایجاد میکنند و در نتیجه موجب نیاز به توان کمتر پمپاژ میشوند امروزه مورد توجه بیشتری قرار گرفتهاند.[3] از اصلی ترین مزایای استفاده از کانالهای با سطح مقطع بیضوی نسبت به دایروی افزایش ضریب انتقال حرارت در آنها است
پژوهشگران[6 ,5] دو دلیل عمده برای افزایش نرخ انتقال حرارت ناشی از استفاده از نانوسیال ذکر کرده اند: اول آنکه حرکت تصادفی نانوذرات باعث شتاب گرفتن نرخ انتقال انرژی در سیال میشود که پخش حرارتی را در سیال را افزایش میدهد. همچنین افزودن نانوذرات فلزی موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال میشود.
ایزدی و همکاران[7] هیدرودینامیک و رفتار حرارتی نانوسیال آب/آلومینیوم اکسید را بصورت عددی درون فضای بین دو سیلندر متحدالمرکز را در شرایط جریان آرام مورد بررسی قرار دادند. آنان در پژوهش خود از مدل تک فازی برای مدلسازی نانوسیال استفاده کردند. نتایج آنها نشان داد که درصد نانوذرات از حجم کل تاثیر چندانی بر سرعت محوری ندارد اما میدان دما را تحت تاثیر قرار میدهد و باعث افزایش نرخ انتقال حرارت میشود.
برخی از پژوهشهای آزمایشگاهی که در زمینه بررسی ضریب خدایت حرارتی نانوسیال انجام شده است در جدول 1 آمده است.
جدول -1 بخشی از کارهای انجام شده و نتایج آن در کاربرد نانوسیال
-2 مدلسازی ریاضی
-1-2 مدل فیزیکی
شکل شماتیک هندسه مورد بررسی در این مسئله در شکل 1 نشان داده شده است. مدل فیزیکی از دو سیلندر هم مرکز تشکیل شده است که سیلندر میانی دارای سطح مقطع بیضوی میباشد. سیلندر بیرونی دارای قطر خارجی 50/8 میلیمتر، ضخامت 1 میلیمتر و طول 500 میلمتر میباشد و از جنس آلومینیوم است. سیلندر بیضوی داخلی نیز از جنس آلومینیوم بوده و دارای شعاع بزرگ 9 - r 2 - میلیمتر و طول 500 میلیمتر است که دارای نسبت محور - r1/r2= 1/3 - است.
شکل -1 هندسه دو سیلندر هم مرکز در مثال حاضر
