مقاله راندمان انتقال حرارت و تحلیل اگزرژی مبدل حرارتی صفحه ای شیاردار با به کارگیری نانوسیالات

word قابل ویرایش
18 صفحه
8700 تومان

*** این مقاله شامل تعدادی فرمول میباشد که در سایت قابل نمایش نیست ***
راندمان انتقال حرارت و تحلیل اگزرژی مبدل حرارتی صفحه ای شیاردار با به کارگیری نانوسیالات

چکیده

مبدلهای حرارتی به طور گسترده برای بهبود، بـازدهی انتقـال حـرارت در قسمتهای مختلـف مـورد اسـتفاده قـرار گرفتـه شـده اسـت. نانوسـیالات خنککنندههایی هستند که میتوانند راندمان حرارتی در مبدل ها را بهبود بخشند. این مقاله تأثیر آب و نانوسیال آبCuO/ (به عنوان خنک کننـده)بر روی ضریب انتقال حرارت، نرخ انتقـال حـرارت، افـت اصـطکاکی، افـت فشار، توان پمپاژ و اتلاف اگزرژی در مبـدل حرارتـی صـفحه ای شـیاردار را مورد تحلیل قرار میدهد. ضریب انتقال حرارت آبCuO/ در حـدود ۱۸/۵تا %۲۷/۲ افزایش یافت. همچنین نرخ انتقال حرارت برای نانوسـیال بهبـود یافت. از طرف دیگر اتلاف اگزرژی با به کـارگیری نانوسـیال در مقایسـه بـا مدل آب، %۲۴ کاهش یافت. علاوه بر آن انتقال حرارت مؤثر برای نانوذرات با غلظت حجمی %۱/۵، ۳۴ درصـد افـزایش را نشـان مـیدهـد. در نتیجـه کارایی مبدل حرارتی صـفحهای مـی توانـد بـا اسـتفاده از سـیال کـاری بـا نانوسیال آبCuO/ افزایش مییابد.

کلمات کلیدی: مبدل حرارتـی صـفحهای شـیاردار، نانوسـیال، نـرخ انتقـالحرارت

مقدمه

در طی پنج دهه گذشته، تعداد زیادی از سیستمهای مهندسی در ارتباط با افزایش انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی صفحهای۱ شیاردار مـیباشـند.
معمولا مبدلهای حرارتی صفحهای به دلایلی ماننـد جمـع و جـور بـودن، راندمان انتقال حرارتی بالا، مناسب بـودن بـرای بارهـای متغیـر و مـواردی دیگر، کاربردهای مهندسی زیادی دارنـد. در PHE هـا تعـداد کانـال هـای خنک کننده میتواند براساس بـار حرارتـی زیـاد یـا کـم شـوند. همچنـین راندمان PHE همراه با کاهش جریان، یکی از موضوعات مهمـی مـی باشـد کهاخیراً مورد بررسی قرار گرفته شده اند.[۱]

ظرفیت انتقال حرارت نیازمند بالا رفتن تا چگالی انرژی مورد نیاز برای این امر به وسیله استفاده از سیالی با خواص ترموفیزیکی بالا محقق مـیگـردد.

ذرات جامد نانومتری معلق در انتقال حرارت سیالات بـه عنـوان نانوسـیال شناخته میشوند که به وسیله چـوی۲ اختـراع گردیـد.[۲] افـزایش انتقـال حرارت به وسیله نانوسیالات تحت تأثیر مکانیزم های مختلفی مانند حرکـت برونین۳، رسوب، انتشار ذرات معلق، ترموفورسیس۴، دیفیوزر و فورسـیس۵،تشکیل یک مرز بین مایع جامـد و انتقـال فوتـون بالسـتیک مـی باشـد. درنتیجه اندازه تجهیزات کاهش یافته و میتواند منجر به کـاهش هزینـههـا و افزایش راندمان سیستمها گردد.

بسیاری از محققین راندمان مبدلهای حرارتـی را کـه بـا نانوسـیالات کـار میکنند را مورد تحقیـق قـرار دادهانـد.[۷-۴] کـارایی مبـدل حرارتـی بـا استفاده از نانوسیالات به وسـیله پـانتزالی۶ و همکـاران مـورد بررسـی قـرار گرفت.[۸] پانتزالی و همکـاران[۹] بـه صـورت تجربـی رانـدمان نانوسـیال آبCuO/ را با نانوذرات با غلظت حجمی %۴ را به عنوان خنـک کننـده در یک مبدل حرارتی صفحهای تجاری مورد بررسـی قـرار داد. آنهـا گـزارش کردند که ماهیت سیال خنک کننده در داخـل تجهیـزات مبـدل حرارتـی نقش مهمی را در کارایی نانوسیالات ایفا میکند. مار۷ و همکـاران[۱۰] بـه صـــورت آزمایشـــگاهی رانـــدمان حرارتـــی نانوســـیال آبAl2O3/ و CNTs/Water را در مبدلهای حرارتی صفحهای با هـم مقایسـه کـرد و مشاهده نمود که ضریب انتقال حرارت برای نانوسـیال بیشـتر از آب اسـت.

زمزمیــــــان۸ و همکــــــاران[۱۱] رانــــــدمان انتقــــــال حــــــرارت Al2O3/Ethlenglycol و CuO/Ethylene glycol در مبـــــدل صفحهای مورد تحقیق قرار داد و دریافت که ضریب انتقال حرارت با دمـا و غلظت حجمی نانوذرات افـزایش مـییابـد. وون۹ و همکـاران[۱۲] رانـدمان انتقال حرارت و افت فشـار نانوسـیالات Al2O3 و ZnO را تحلیـل نمـود.

نتایج نشان داد که راندمان انتقال حرارت نانوسیالات در یـک نـرخ جرمـی تغییری نمیکند. پاندی و نمـا[۱۳]۱۰ بـه صـورت آزمایشـگاهی نانوسـیال آبAl2O3/ را به عنوان خنک کننـده در یـک مبـدل حرارتـی صـفحهای شیاردار مورد آزمایش قرار دادند. نتایج آنها با نتایج سایر تحقیقـات انجـام شده قبلی مقداری اختلاف داشت. آنها بیـان کردنـد کـه رانـدمان انتقـال حرارت مبدل حرارتی با افزایش نانوذرات در سـیال پایـه کـاهش مـی یابـد.

علاوه بر این آنها نشان دادند که اتلاف اگزرژی با افزایش غلظـت حجمـی افزایش مییابد. بر پایه این مقدمه واضح است که اثر اسـتفاده از نانوسـیال آبCuO/ بر روی راندمان انتقال حرارت، توان پمپـاژ و اتـلاف اگـزرژی در مبدل حرارتی صفحهای شیاردار کمتر مورد توجه قرار گرفته است. پس در این مقاله نانوسیال آبCuO/ با غلظـت حجمـی مختلـف نـانوذرات مـورد تحقیق قرار گرفته شده است. در این مطالعه دلیل اصلی انتخاب آبCuO/ به عنوان نانوسیال خواص ترموفیزیکی خوب آن است.[۱۶-۱۴] هـمچنـین محققان کمتر از نانوسیالات در مبدل حرارتی استفاده کردهاند. هدف از این مطالعه تحقیق در رابطه ضریب انتقال حرارت، نرخ انتقال حـرارت، ضـریب اصطکاک، افت فشار، توان پمپاژ و اتـلاف اگـزرژی نانوسـیال آبCuO/ در مبدل صفحهای شیاردار میباشد. شایان ذکر اسـت کـه اگـر ایـن سیسـتم راندمان بهتری را نشان دهد میتواند برای بخشهای مختلف صنایع مـورد استفاده قرار گیرد.

تحلیل روش

تحلیل انتقال حرارت به وسیله نانوسیال آبCuO/ با غلظـت هـای حجمـی ۰/۵ تا ۱/۵ درصد انجام گرفته و با آب مقایسه شدهاند. همچنـین تـأثیرات دبی حجمی، دمـا و غلظـت حجمـی نانوسـیالات بـر روی رانـدمان مبـدل حرارتی صفحهای مورد مطالعه قرار گرفت، خـواص ترمـوفیزیکی نانوسـیال ماننـد چگـالی[۱۷]، لزجـت[۱۸]، هـدایت پـذیری گرمـایی[۱۹] و گرمـای مخصوص[۲۰] به وسیله فرمـولهـای ۱ تـا ۴ محاسـبه شـدهانـد. چگـالی نانوسیال

هر کانال یک مساحت جریان معادل دارد و محیط خیس شده از رابطه ۵ و ۶ به دست میآید.

قطر هیدرولیکی کانال از فرمول زیر به دست می آید.

انتشار گرمایی

دبی جرمی مخصوص برای سیالات

عدد رینولدز بیبعد و عدد پکلت را میتوان با اسـتفاده از فرمـول ۱۰ و ۱۱ تقریب زد.

عدد ناسلت با استفاده از معادله ۱۲ به دست میآید

فرمول کلی برای مقدار بخشیدن به ضریب انتقال حرارت برابر است با:

نرخ انتقال حرارت از رابطه ۱۴ به دست میآید.

ضــریب اصــطکاک مبــدل صــفحه ای شــیاردار از معادلــه ۱۵ بــه دســت میآید

افت فشار از معادله ۱۶ محاسبه میگردد[۱۳]

توان پمپاژ با رابطه ۱۷ تقریب زده شده است.

اتلاف اگزرژی دو نوع سیال متفاوت در زیر آورده شده است.

(سیال سرد) گرمای گرفته شده از نانوسیال – (سـیال داغ) گرمـای گرفتـه شده توسط آب = گرمای هدر رفته به محیط

در این تحقیق مبدل حرارتی آدیاباتیک در نظر گرفته شده اسـت. بنـابراین از انتقال حرارت به محیط صرفنظر شده است. اتلاف اگزرژی حالت پایـدار در سیستم باز می تواند از فرمول زیر به دست آید[۲۱]

تغییرات اگزرژی شده است.

با جایگزینی تغییرات اگزرژی در معادله ۱۸، اتلاف اگزرژی به صـورت زیـر معرفی می گردد.

انتقال حرارت اگزرژی مؤثر از رابطه ۲۲ محاسبه میگردد.

که در آن Ta دمای میانگین ترمودینامیکی است که از روابط کتاب Bejan به دست آمده است.

شکل ۱ نمودارهای اگزرژی حرارتـی را در یـک مبـدل حرارتـی صـفحهای همسو با جریان نشان می دهد. در این مطالعه مقـداری سـادهسـازی بـرای تحلیل در نظر گرفته شده است. به عنوان مثال فرض شده است که جریان نانوسیال داخل مبدلکاملاً توسعه یافته باشد. هم چنین جریـان نانوسـیالداخل صفحات تراکمناپذیر و مغشوش هستند. خـواص نانوسـیال در دمـای ثابت ۳۰۰K در نظر گرفته شده است. مشخصات طراحـی و ابعـاد هندسـه مبدل حرارتی صفحهای شیاردار از مقاله دیگری برداشت شـده اسـت.[۱۳]

شکل ۲ دیاگرام شماتیکی از مبدل حرارتی در نظر گرفته در این تحلیـل را نشان میدهد. در طی تحلیل دبـی حجمـی سـیال داغ ۲ L/min در نظـرگرفته شده است. جدول ۱ خواص نانوذره و آب را نشان میدهد.

نتایج و بحث

ضریب انتقال حرارت و نرخ انتقال حرارت

شکل ۳ تغییرات دبی جرمی سیال خنک کننده را بر حسب تغییـرات دبـی حجمی نشان می دهد. هر چه دبی جرمی جریان بالاتر باشد کسـر حجمـی نانوسیال نیز بالاتر میرود. بیشترین افزایش دبی جرمی برای نـانوذرات بـا غلظت حجمی ۱/۵ درصد در مقایسه با آب به دست آمده است. دبی جرمی جریان از روابط زیر به دسـت آمـدهانـد m V  در صـورتی کـه چگـالی نانوسیال از معادله ۱ محاسبه می گردد.  بیانگر چگالی سـیال برحسـبkg/m3 میباشد. برای یک ابعاد هندسه مشخص، چگالی و نسبت حجمـی نانوذره باعث تغییر دبـی جرمـی سـیال و عـدد رینولـدز مـیشـوند. نتـایج محاسبه شده نشان میدهد که برای یک دبی حجمی، چگالی و دبی جرمی نانوسیال آبCuO/ بالاتر از نانوسیال آب میباشد. این نتایج با کار سوهل۱و همکاران[۱۴] مطابقت دارد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 18 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد