بخشی از مقاله
*** این مقاله شامل تعدادی فرمول میباشد که در سایت قابل نمایش نیست ***
راندمان انتقال حرارت و تحلیل اگزرژي مبدل حرارتی صفحه اي شیاردار با به کارگیري نانوسیالات
چکیده
مبدلهاي حرارتی به طور گسترده براي بهبود، بـازدهی انتقـال حـرارت در قسمتهاي 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 روي ضریب انتقال حرارت، نرخ انتقـال حـرارت، افـت اصـطکاکی، افـت فشار، توان پمپاژ و اتلاف اگزرژي در مبـدل حرارتـی صـفحه اي شـیاردار را مورد تحلیل قرار میدهد. ضریب انتقال حرارت آبCuO/ در حـدود 18/5تا %27/2 افزایش یافت. همچنین نرخ انتقال حرارت براي نانوسـیال بهبـود یافت. از طرف دیگر اتلاف اگزرژي با به کـارگیري نانوسـیال در مقایسـه بـا مدل آب، %24 کاهش یافت. علاوه بر آن انتقال حرارت مؤثر براي نانوذرات با غلظت حجمی %1/5، 34 درصـد افـزایش را نشـان مـیدهـد. در نتیجـه کارایی مبدل حرارتی صـفحهاي مـی توانـد بـا اسـتفاده از سـیال کـاري بـا نانوسیال آبCuO/ افزایش مییابد.
کلمات کلیدي: مبدل حرارتـی صـفحهاي شـیاردار، نانوسـیال، نـرخ انتقـالحرارت
مقدمه
در طی پنج دهه گذشته، تعداد زیادي از سیستمهاي مهندسی در ارتباط با افزایش انتقال حرارت در مبدلهاي حرارتی صفحهاي1 شیاردار مـیباشـند.
معمولا مبدلهاي حرارتی صفحهاي به دلایلی ماننـد جمـع و جـور بـودن، راندمان انتقال حرارتی بالا، مناسب بـودن بـراي بارهـاي متغیـر و مـواردي دیگر، کاربردهاي مهندسی زیادي دارنـد. در PHE هـا تعـداد کانـال هـاي 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.[1]
ظرفیت انتقال حرارت نیازمند بالا رفتن تا چگالی انرژي مورد نیاز براي این امر به وسیله استفاده از سیالی با خواص ترموفیزیکی بالا محقق مـیگـردد.
ذرات جامد نانومتري معلق در انتقال حرارت سیالات بـه عنـوان نانوسـیال شناخته میشوند که به وسیله چـوي2 اختـراع گردیـد.[2] افـزایش انتقـال حرارت به وسیله نانوسیالات تحت تأثیر مکانیزم هاي مختلفی مانند حرکـت برونین3، رسوب، انتشار ذرات معلق، ترموفورسیس4، دیفیوزر و فورسـیس5،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.
بسیاري از محققین راندمان مبدلهاي حرارتـی را کـه بـا نانوسـیالات کـار میکنند را مورد تحقیـق قـرار دادهانـد.[7-4] کـارایی مبـدل حرارتـی بـا استفاده از نانوسیالات به وسـیله پـانتزالی6 و همکـاران مـورد بررسـی قـرار گرفت.[8] پانتزالی و همکـاران[9] بـه صـورت تجربـی رانـدمان نانوسـیال آبCuO/ را با نانوذرات با غلظت حجمی %4 را به عنوان خنـک کننـده در یک مبدل حرارتی صفحهاي تجاري 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. مار7 و همکـاران[10] بـه صـــورت آزمایشـــگاهی رانـــدمان حرارتـــی نانوســـیال آبAl2O3/ و CNTs/Water را در مبدلهاي حرارتی صفحهاي با هـم مقایسـه کـرد و مشاهده نمود که ضریب انتقال حرارت براي نانوسـیال بیشـتر از آب اسـت.
زمزمیــــــان8 و همکــــــاران[11] رانــــــدمان انتقــــــال حــــــرارت Al2O3/Ethlenglycol و CuO/Ethylene glycol در مبـــــدل صفحهاي مورد تحقیق قرار داد و دریافت که ضریب انتقال حرارت با دمـا و غلظت حجمی نانوذرات افـزایش مـییابـد. وون9 و همکـاران[12] 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 تغییري نمیکند. پاندي و نمـا[13]10 بـه صـورت آزمایشـگاهی نانوسـیال آبAl2O3/ را به عنوان خنک کننـده در یـک مبـدل حرارتـی صـفحهاي شیاردار مورد آزمایش قرار دادند. نتایج آنها با نتایج سایر تحقیقـات انجـام شده قبلی مقداري 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 اگزرژي با افزایش غلظـت حجمـی افزایش مییابد. بر پایه این مقدمه واضح است که اثر اسـتفاده از نانوسـیال آبCuO/ بر روي راندمان انتقال حرارت، توان پمپـاژ و اتـلاف اگـزرژي در مبدل حرارتی صفحهاي 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.[16-14] هـمچنـین محققان کمتر از نانوسیالات در مبدل حرارتی استفاده کردهاند. هدف از این مطالعه تحقیق در رابطه ضریب انتقال حرارت، نرخ انتقال حـرارت، ضـریب اصطکاك، افت فشار، توان پمپاژ و اتـلاف اگـزرژي نانوسـیال آبCuO/ در مبدل صفحهاي شیاردار میباشد. شایان ذکر اسـت کـه اگـر ایـن سیسـتم راندمان بهتري را نشان دهد میتواند براي بخشهاي مختلف صنایع مـورد استفاده قرار گیرد.
تحلیل روش
تحلیل انتقال حرارت به وسیله نانوسیال آبCuO/ با غلظـت هـاي حجمـی 0/5 تا 1/5 درصد انجام گرفته و با آب مقایسه شدهاند. همچنـین تـأثیرات دبی حجمی، دمـا و غلظـت حجمـی نانوسـیالات بـر روي رانـدمان مبـدل حرارتی صفحهاي مورد مطالعه قرار گرفت، خـواص ترمـوفیزیکی نانوسـیال ماننـد چگـالی[17]، لزجـت[18]، هـدایت پـذیري گرمـایی[19] و گرمـاي مخصوص[20] به وسیله فرمـولهـاي 1 تـا 4 محاسـبه شـدهانـد. چگـالی نانوسیال
هر کانال یک مساحت جریان معادل دارد و محیط خیس شده از رابطه 5 و 6 به دست میآید.
قطر هیدرولیکی کانال از فرمول زیر به دست می آید.
انتشار گرمایی
دبی جرمی مخصوص براي سیالات
عدد رینولدز بیبعد و عدد پکلت را میتوان با اسـتفاده از فرمـول 10 و 11 تقریب زد.
عدد ناسلت با استفاده از معادله 12 به دست میآید
فرمول کلی براي مقدار بخشیدن به ضریب انتقال حرارت برابر است با:
نرخ انتقال حرارت از رابطه 14 به دست میآید.
ضــریب اصــطکاك مبــدل صــفحه اي شــیاردار از معادلــه 15 بــه دســت میآید
افت فشار از معادله 16 محاسبه میگردد[13]
توان پمپاژ با رابطه 17 تقریب زده شده است.
اتلاف اگزرژي دو نوع سیال متفاوت در زیر آورده شده است.
(سیال سرد) گرماي گرفته شده از نانوسیال – (سـیال داغ) گرمـاي گرفتـه شده توسط آب = گرماي 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 اگزرژي حالت پایـدار در سیستم باز می تواند از فرمول زیر به دست آید[21]
تغییرات اگزرژي شده است.
با جایگزینی تغییرات اگزرژي در معادله 18، اتلاف اگزرژي به صـورت زیـر معرفی می گردد.
انتقال حرارت اگزرژي مؤثر از رابطه 22 محاسبه میگردد.
که در آن Ta دماي میانگین ترمودینامیکی است که از روابط کتاب Bejan به دست آمده است.
شکل 1 نمودارهاي اگزرژي حرارتـی را در یـک مبـدل حرارتـی صـفحهاي همسو با جریان نشان می دهد. در این مطالعه مقـداري سـادهسـازي بـراي 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 دمـاي ثابت 300K در نظر گرفته شده است. مشخصات طراحـی و ابعـاد هندسـه مبدل حرارتی صفحهاي شیاردار از مقاله دیگري برداشت شـده اسـت.[13]
شکل 2 دیاگرام شماتیکی از مبدل حرارتی در نظر گرفته در این تحلیـل را نشان میدهد. در طی تحلیل دبـی حجمـی سـیال داغ 2 L/min در نظـرگرفته شده است. جدول 1 خواص نانوذره و آب را نشان میدهد.
نتایج و بحث
ضریب انتقال حرارت و نرخ انتقال حرارت
شکل 3 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 براي نـانوذرات بـا غلظت حجمی 1/5 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 1 محاسبه می گردد. بیانگر چگالی سـیال برحسـبkg/m3 میباشد. براي یک ابعاد هندسه مشخص، چگالی و نسبت حجمـی نانوذره باعث تغییر دبـی جرمـی سـیال و عـدد رینولـدز مـیشـوند. نتـایج محاسبه شده نشان میدهد که براي یک دبی حجمی، چگالی و دبی جرمی نانوسیال آبCuO/ بالاتر از نانوسیال آب میباشد. این نتایج با کار سوهل1و همکاران[14] مطابقت دارد.
