بخشی از مقاله
چکیده
در کار حاضر ترکیب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی درون یک محفظه تهویه افقی بررسی شده است . این محفظه مستطیلی که بر روی دیواره پایینی آن یک تیغه عایق قرار دارد، از پایین گرم می شود که ارتفاع تیغه بین 0/25-0/75 و ضریب صدور دیواره بین 0 < < 0.85 متغیر است. پارامترهای کنترل کننده حل، عدد رینولدز که در محدوده ی جریان آرام یعنی 200 <Re < 500 قرار دارد و ضریب صدور می تواند نقش مهمی در بهبود انتقال حرارت ایفا می کند .
همچنین افزایش عدد رینولدز، به دلیل افزایش انتقال حرارت جابجایی موجب افزایش عدد ناسلت و بهبود در انتقال حرارت کلی می گردد. در این مطالعه مشاهده شد که بیشتر حرارت ورودی دیواره گرم ، از طرق خروجی محفظه به بیرون منتقل می شود. در نتیجه تاثیر تغییر ارتفاع تیغه بر روی ساختار جریان درون محفظه بررسی شد و مشخص گردید که افزایش ارتفاع تیغه موجب بهبود انتقال حرارت می شود اما تاثیر آن نسبت به پارامترهای دیگر کمتر است.
مقدمه
انتقال حرارت جابجایی ترکیبی که شامل انتقال حرارت اجباری و انتقال حرارت طبیعی می شود، با توجه به کاربرد آن در فرآیندهای تکنولوژیک مثل کلکتورهای خورشیدی، سرمایش و گرمایش ساختمان و بخصوص خنک کاری مدارهای الکترونیکی و تابلوهای الکتریکی، امروزه مورد توجه و اقبال پژوهشگران قرار گرفته است. در محفظه های تهویه، ترکیب انتقال حرارت جابجایی اجباری و جریان ناشی از نیروی شناوری موجب ایجاد یک جریان با ساختار پیچیده می شود.
تاکنون در مقالات متعدد تحلیل های عددی و تجربی متعددی برای انتقال حرارت ترکیبی ارائه شده است، اما در اکثر آنها با صفر یا ناچیز در نظر گرفتن ضریب صدور و در نتیجه کوچک شدن نسبت انتقال حرارت تشعشعی به انتقال حرارت کل، اثر تشعشع نادیده گرفته شده است. پاپانیکولوس و جالوریا مطالعه عددی درباره ترکیب انتقال حرارت جابجایی اجباری و طبیعی بدون در نظر گرفتن اثر تشعشع انجام دادند. در این مطالعه که روی یک محفظه مستطیلی با شار حرارتی یکنواخت انجام شد، نتایج نشان داد که در یک عدد رینولدز ثابت، مقدار عدد ناسلت متوسط با افزایش عدد ریچاردسون افزایش مییابد
همچنین معلوم شد ضریب انتقال حرارت هدایتی رابطه مستقیمی با میزان انتقال حرارت دارد. جریان جابجایی روی یک محفظه مستطیلی با پارتیشن تقسیم شده توسط هسو و همکاران مطالعه شد.
در نتایج بدست آمده در این مطالعه مشخص شد که در یک عدد رینولدز ثابت، با افزایش نسبت مقدار عدد ناسلت افزایش مییابد. همچنین نتایج نشان میداد که اگر ورودی به دیوار سرد نزدیکتر باشد، مقدار انتقال حرارت بالاتر میرود. هاو و هسو جریان گذرای جابجایی در یک محفظه که یک تیغه در وسط آن قرار دارد را مورد مطالعه قرار دادند.
نتایج نشان می داد که میزان انتقال حرارت و ساختار جریان بشدت وابسته به ارتفاع و مکان تیغه است . راجی و هانسویی مطالعاتی روی یک محفظه که از کناره ها گرم می شود انجام دادند. نتایج این مطالعات نشان می داد که از روی نمودار می توان از نظر ماکزیمم انتقال حرارت، نواحی که جابجایی طبیعی بر جابجایی اجباری غلبه دارد را مشخص کرد
مانسا و همکاران اثر موقعیت دیوار گرم را در انتقال حرارت جابجایی ترکیبی بدون اثر تشعشع بررسی کردند. نتایج این بررسی نشان میداد که با افزایش عدد رینولدز و ریچاردسون، مقدار دمای بیشینه کاهش می یابد. همچنین تنظیم جریان اجباری ورودی برای رسیدن به بیشترین راندمان حرارتی نشان داد که هنگامی که دما و عدد ناسلت بیشترین مقدار را دارند، بیشترین راندمان حرارتی بدست می آید
یک جریان آرام با جابجایی ترکیبی در یک محفظه مستطیلی که دمای دیواره های کناری آن متفاوت بود توسط سینگ و شریف مطالعه شد و گزارش شد که بیشترین راندمان انتقال حرارت هنگامی رخ می دهد که ورودی نزدیک دیوار سرد و پایین آن و خروجی نزدیک دیوار گرم و بالای آن قرار داشته باشد.
ساها و همکاران مطالعه عددی روی ترکیب انتقال حرارت جابجایی آزاد و اجباری درون یک محفظه مستطیلی با شار حرارتی یکنواخت تولیدی در دیوار پایین و دو خروجی در بالای دیوارههای عمودی انجام دادند. آنها دریافتند که افزایش عدد رینولدز یا عدد گراشف، منجر به افزایش ضریب انتقال حرارت و بیشتر شدن دمای منبع گرما و شدت جریان چرخشی درون محفظه میشود.
راجی و هانسویی با مطالعه روی ترکیب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی نشان دادند که حتی اگر سیال نسبت به تشعشع شفاف باشد هم، سهم تشعشع می تواند تاثیرگزار باشد.
باهلاوی و همکاران بررسی روی ترکیب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی درون یک محفظه تهویه با یک تیغه در وسط آن انجام دادند. در این محفظه که از پایین بصورت یکنواخت گرم می شد و دمای دیواره های کناری متفاوت بود، نتایج نشان می داد که در نظر گرفتن اثر تشعشع موجب همگن تر شدن دمای درون محفظه و کوچکتر شدن منطقه سرد شده است . ضمن آنکه افزایش پارامترهایی مثل عدد رینولدز و ضریب صدور موجب افزایش انتقال حرارت می شود .
مهروچه و همکاران نشان دادند که انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی بطور قابل توجهی به عدد رینولدز و ارتفاع تیغه بستگی دارد. همچنین در مطالعات دیگری، جابجایی تیغه بررسی شد و مشخص شد که افزایش فاصله تیغه از ورودی منجر به افزایش انتقال حرارت می شود اما در یک فاصله معین، ناپایداریهایی در ساختار جریان بوجود میآمد
با بررسی مقالات مختلف معلوم شد که کارهای زیادی در زمینه ترکیب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی انجام نگرفته است . از این رو در مطالعه ارائه شده یک مساله انتقال حرارت ترکیبی با در نظر گرفتن اثر تشعشعی در یک محفظه پارتیشن دار که از پایین گرم می شود بررسی شده است . جریان از پایین دیوار سرد وارد محفظه شده و از بالای دیوار گرم خارج می شود. هدف اصلی این مطالعه بررسی اثر عدد رینولدز، ارتفاع تیغه و ضریب صدور دیواره ها، می باشد. در مقابل پارامترهای کنترل کننده، تغییرات دمای متوسط، دمای بیشینه و حرارت خروجی از محفظه و درجه حرارت خروجی از طریق دیوار سرد بررسی میشود.
فیزیک مساله
مدل فیزیکی مساله در شکل - 1 - ترسیم شده است. طول و عرض محفظه بترتیب و است. دیواره پایینی با شار حرارتی ثابت و بطور یکسان گرم میشود. یک تیغه عمودی عایق با عرض
که عرض تیغه هست، روی آن قرار دارد. تمامی دیواره ها بجز دیواره سمت چپ که دمای ثابتی دارد عایق هستند و هیچ تبادل حرارتی با محیط بیرون ندارند. در این سیستم، سیال عامل بصورت جریان اجباری از پایین دیواره سمت چپ وارد محفظه شده و از بالای دیواره سمت راستی خارج میشود.
شکل :1 شکل شماتیک مساله
در این مساله فرض میشود سطوح داخلی خاکستری، منعکس کننده و صادر کننده تشعشع هستند و ضریب صدور همه یکسان است. همچنین فرض می شود که عمق محفظه در جهت عمود بر صفحه بسیار زیاد است و میتوان مساله را بصورت دو بعدی در نظر گرفت.
معادلات حاکم
برای مدل کردن جریان مورد مطالعه، معادلات پیوستگی، ممنتم و انرژی باید مورد بررسی قرار گیرد. این معادلات به شکل کلی بصورت زیر نوشته میشود:
معادله بقای جرم:
معادله بقای ممنتم:
- 2 - معادله بقای انرژی بر حسب انرژی کل:
خارجی میباشد.قابل تراکم و بر اساس تقریب بوسینسک می باشد. این تقریب با فرض گاز ایدهآل و محدود بودن تغییرات دما انجام میگیرد و چگالی با کمک یک چگالی مبنا از طریق رابطه زیر بدست میآید در معادله فوق،دمای مرجع نیروی شناوری و ضریب انبساط حرارتی سیال میباشد.
شرایط مرزی
شرایط مرزی مساله بصورت زیر است:
: روی تمامی دیوارهها : در ورودی : دیواره سرد
در این مساله شرایط مرزی خروجی بر اساس شرایط ورودی تغییر می کند و با حل مساله مقادیر دلخواه بدست می آید. همچنین مقدار شار حرارتی وارد شده به دیواره پایینی ثابت و برابر با میباشد.
معادلات تشعشعی
معادله انتقال تشعشع برای یک محیط جاذب، ناشر و پخش کننده درموقعیت و بصورت زیر نوشته میشود: که بردار موقعیت، بردار جهت پخش، ضریب جذب، ضریب پخش، شدت تشعشع منبع شدت تشعشع جسم سیاه و شدت تشعشع جسم میباشد. در این مساله فرض میشود که سطوح داخلی از نظر تشعشعی کدر، خاکستری و دیفیوز هستند. برای حل معادله تشعشعی در این مساله از مدل تشعشعی انتقال گسسته استفاده شده است. معادله تشعشعی برای این مدل بصورت زیر تغییر میکند:
فرض اصلی استفاده شده در این مدل بدین صورت است که تشعشع خروجی از المانهای سطحی در محدوده خاصی از زوایای فضایی، میتواند توسط یک پرتو تقریب زده شود. در این مدل فرض میشود تمام سطوح دیفیوز هستند. به عبارت دیگر، انعکاس تشعشع ورودی به صورت همگن در تمام جهات صورت میگیرد. بنابراین داریم:
که شدت تشعشعی است که از مرز خارج می شود و شدت تشعشع متوسط میباشد. سپس با انتگرالگیری در کل زوایا مقدار شدت تشعشع و شار حرارتی بدست میآید.
انرژی ایجاد شده ناشی از تشعشع در سیال، توسط مجموع تغییرات شدت تشعشع در مسیر هر پرتو که از المانهای حجمی سیال عبور میکند، محاسبه میشود. تکنیکی که در این مدل مورد استفاده قرار میگیرد، تعقیب پرتو بوده و میتواند بدون اینکه ضریب دید سطوح نسبت به هم محاسبه شوند، یک پیشبینی از انتقال حرارت تشعشعی بین سطوح انجام دهد. دقت این روش به تعداد پرتوهای ارسالی و همچنین شبکهبندی محاسباتی وابسته است.
نتایج و بحث
در این مطالعه جریان انتقال حرارت جابجایی به همراه تشعشع درون یک محفظه مستطیلی با یک تیغه عایق در وسط آن بررسی شده است. پارامترهای اصلی حاکم بر مساله ضریب صدور دیواره ، ، عدد رینولدز ، ، و ارتفاع تیغه ، ، میباشد که تغییرات آنها روی جریان مطالعه میگردد. ضریب صدور دیوارهها در محدوده در نظر گرفته شده است. دمای سیال ورودی 298/15 است.
نتایج این مطالعه بر حسب عدد ریچاردسون، بین 0/278 تا 173/611 تغییر میکند. این عدد تعیین کننده برتری انتقال حرارت جابجایی طبیعی بر جابجایی اجباری است و هر چه کوچکتر باشد نشان میدهد که جابجایی اجباری سهم بیشتری در انتقال حرارت جابجایی دارد. تغییرات عدد ریچاردسون در این مساله نشان دهنده جابجایی طبیعی، جابجایی اجباری و ترکیب آنها درون محفظه است.در شکل - 2 - اثر انتقال حرارت جابجایی و تشعشع بر ساختار جریان و توزیع دمای داخل محفظه برای مقادیر مختلف ضریب صدور در نشان داده شده است.
همانطور که مشاهده می شود، افزایش ضریب صدور موجب کوچکتر شدن منطقه سرد که در قسمت ورودی می باشد شده است . این کاهش نشان می دهد که تشعشع نقش مهمی در همگن شدن دمای سیال درون محفظه ایفا می کند. علاوه بر این هنگامی که دیواره ها ضریب صدور بالاتری دارند، از دیواره بالا که یک دیواره عایق هست گرمایش مشاهده میشود.
