بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر حل عددی جریان آشفته با خواص متغیرسیال به همراه انتقال حرارت در یک مبدل زمین گرمایی از نوع هم محور در چند هندسه مختلف با نرم افزار فلوئنت در نظر گرفته شده است. پس از اعتبار سنجی نتایج بدست آمده با توجه به داده های موجود، عملکرد انتقال حرارتی و هیدرودینامیکی با تغییر نسبت شعاع های داخلی و خارجی پرداخته بررسی شده است. در ادامه با استفاده از نانو سیال آب/اکسید آلومینیوم که عملکرد حرارتی قابل قبولی را در مقایسه با نانوسیالات دیگر دارد، برای مقادیر مختلف کسر حجمی نانوسیال، تغییرات پارامتر اصلیانتقال حرارت یعنی ضریب انتقال حرارت جابهجایی مورد بررسی قرار گرفته است.
کلید واژگان:عملکرد حرارتی، مبدل حفره ای زمین گرمایی، نانوسیال، جریان آشفته.
مقدمه
فناپذیر بودن سوخت های فسیلی و هزینه های زیست محیطی آن در جهان امروز، توجه به سوخت های پاک از جمله انرژی زمین گرمایی را ضروری ساخته است. با توجه به محدودیت و دشواری در استفاده از این نوع منابع پاک، تلاش در جهت بهینه-سازی عملکرد مبدل های حرارتی مورد استفاده در این زمینه امری ضروری است و مطالعات عددی و آزمایشگاهی فراوانی در این زمینه صورت گرفته است[1] همچنین از سوی دیگر در ده سال گذشته بسیاری از محققین خواص انتقال حرارتی نانو سیالات گوناگون را در کاربردهای مختلف انتقال حرارت بررسی نموده اند. به عنوان مثال فالکر و همکارانش[2] با استفاده از نانو سیال درسیستم خنک کننده کانال جریان شاهد افزایش میزان خنک کنندگی بودند.
خوان و همکارانش[3] با مطالعه آزمایشگاهی سیالآلومینیوم، به روابطی تجربی برای خواص نانوسیال بر حسب کسرحجمی دست یافتند. در کار حاضر یک مبدل زمین گرمایی هم محور با مشخصات ذکر شده در جدول 1 به صورت دو بعدی ومتقارن محوری مدل سازی شده و برای هندسه های مختلف - r1=12mm, 15mm, 20mm, 25mm, 30mm, 35mm - جریانسیال مایع به صورت عددیبه کمک نرم افزار فلوئنت حل شده است. برای آب و کسر حجمی های مختلف نانو سیال اکسیدآلومنیوم از 2 تا 6 درصد، عملکرد مایع مورد استفاده در مبدل بررسی می شود.در معادلات، مشخصات حرارتی لوله ها و پوسته مطابق با جدول2 منظور گردیده است.
معادلات حاکم
با توجه به این که جریان مورد بررسی از نوع آشفته می باشد، معادلات کلی پیوستگی، مومنتوم و انرژی حاکم بر جریان سیال براساس روش های متوسط گیری رینولدز باز نویسی می شوند.روابط 1و2 معادلات پیوستگی و مومنتوم برای جریان آشفته می باشد.معادله هدایت حرارتی نیز در قسمت جامد مورد نظر می باشد.شرایط مرزی و مشخصات حرارتی: در ورودی سطح، سیال با دمای اولیه 3/5 درجه سلسیوس و با دبی حجمی 0/0008مترمکعب بر ثانیه وارد می شود. در خروجی کانال نیز از شرطفشار ثابت اتمسفر استفاده شده است. در سطح تماس مایع و جامد شرط بدون لغزش و بدون پرش دما اعمال گردیده است.تغییرات دمای زمین با عمق، خطی فرض گردیده است و مطابق بارابطه 5 منظور گردیده است و این شرط مرزی به کمک کدنویسی در فلوئنت اعمال شده است. خواص حرارتی نوع خاک منطقه مورد بررسی مطابق با جدول 3 در نظر گرفته شده است.
تغییرات خواص سیال آب با دما نیز مطابق با مراجع در نظر گرفته شده است.[4] در ادامه با اضافه شدن ذرات نانو در سیال موردبررسی، تغییرات خواص ترموفیزیکی سیال، از معادلات 6 الی 9 پیروی می کند.[5] لازم به ذکر است ϕ مشخصه کسر حجمیذرات نانو در سیال، اندیس nf معرف نانوسیال، bf معرف سیال پایهو p مربوط به ذرات نانو می باشد.این معادلات برای دماهای زیر 100 درجه سلسیوس کاملا معتبربوده وφ در بازه بین 2 تا 6 درصد تغییر می کند. خواص حرارتینانو ذره اکسید آلومینیوم مطابق با مراجع در نظر گرفته شدهاست.[4]اعتبار سنجی: در نمودار شکل 2 توزیع دمای متوسط حجمی سیال با نتایج مازالیاس و همکاران[4] مقایسه شده است. انحراف کم در این نتایج معتبر بودن روش حل را نشان می دهد.
بررسی و تحلیل نتایج
در کار ارائه شده با فرض ثابت بودن قطر جدار بیرونی مبدل - r3 - و تغییر دادن شعاع جداره درونی - r1 - جریان سیال آب برای چندهندسه مختلف به صورت عددی حل شده است و توزیع دما،فشار و سرعت به دست آمده است. با به دست آوردن هندسه بهینهو وارد کردن نانوسیال به جای آب به بررسی تاثیر خواصترموفیزیکی نانوسیال بر عملکرد مبدل پرداخته شده است.افت هیدرودینامیکی: در نمودار شکل 4 میزان افت فشار برای نسبت قطر های مختلف، بر حسب پاسکال برای آب خالص ارائه شده است. همانطور که مشاهده می شود در ناحیه نزدیک نسبت قطر - r1=30mm - 0/7 کمترین افت فشار به دست آمده است. درنمودار شکل 5 افت فشار برای نسب قطر 0/7 بر حسب کسر حجمی نانو سیال نشان داده شده است.انتقال حرارت: ضریب انتقال حرارت جابه جایی محلی h بهصورت معادله 9 تعریف می شود.[6]
