بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک مطالعه عددی بر روی انتقال حرارت جابجایی اجباری در رادیاتور یک خودرو با استفاده از نانوسیال اُکسیدآلومینیم بهصورت عددی شبیهسازی شده است. برای مدلسازی جریان نانوسیال از روش تک فازی و برای حل معادلات حاکم از نرمافزار انسیسفلوئنت که بر اساس روش حجم محدود میباشد، استفاده شده است.
نتایج نشان میدهد که افزایش کسر حجمی نانوذرات در سیال پایه موجب افزایش نرخ انتقال حرارت و کاهش دمای خروجی میگردد. نانوسیالاُکسیدآلومینیم، گرمای بیشتری نسبت به آب خالص دفع کرده و دمای خروجی کمتری به ثبت میرساند. بنابراین به دلیل عملکرد حرارتی بالای نانوسیالات نسبت به آب در مبدلهای حرارتی ، میتوان از نانوسیال ها در فرآیندهای گوناگون سرمایش و گرمایش و به طور گسترده در مبدل های حرارتی صنعتی استفاده نمود.
-1 مقدمه
در حین فرایند احتراق درون سیلندر موتورهای درونسوز، دما به بیش از 2000 درجه سانتی گراد میرسد. که دمای بالاتر از نقطه ذوب مواد مورد استفاده در بدنه موتور است. ازآنجاکه بالا رفتن دما موجب خسارت به موتور میگردد، لذا باید دمای موتور در محدوده خاصی نگهداشته شود؛ بنابراین در موتورهای احتراق داخلی از رادیاتور جهت خنک کاری استفاده میشود.
با پیشرفت صنایع خودروسازی، رویکرد جدید به سمت تولید موتورهایی با نیرو و توان تولیدی بیشتر و مصرف سوخت کمتر رفته است؛ بنابراین باید سیستمهای خنک کننده بتوانند تحت دماهای بالاتر کارکرده و میزان گرمای بیشتری به محیط اطراف انتقال دهند. افزایش انتقال حرارت در موتور خودرو بهوسیله سیستم خنک کاری - رادیاتور خودرو - با استفاده از دو روش تغییر هندسه رادیاتور و بهینهسازی آن و استفاده از سیالاتی با خواص حرارتی بالا امکانپذیر است.
تحقیقاتی در زمینه ایجاد تنوع هندسی در رادیاتور خودروها با استفاده از فینها یا لولههای مختلف با سطوح زبر و صاف انجام شده است. در برخی از انواع رادیاتورها بهینهسازی در زمینههای الکتریکی، مغناطیسی یا ارتعاشاتی متمرکز شده است. اگرچه طراحی ساختار هندسی مناسب می تواند باعث افزایش انتقال حرارت شود ولی به علت محدودیتهای فضا و کاربری خاص رادیاتور، تغییر ساختار هندسی چندان کارآمد نمیباشد بنابراین گرایش به سمت استفاده از سیالاتی با انتقال حرارت بالا میباشد.
علاوه بر این افزایش انتقال حرارت در رادیاتور خودرو با استفاده از سیالات آب، روغن، اتیلن گلیکول و ... به علت ضریب انتقال حرارت پایین امکان پذیر نبوده و استفاده از سیالاتی با ضریب انتقال حرارتی بالاتر، متخصصین را بر آن داشته تا از سیالاتی با ویژگی های مناسب بروند [1] مانند سوسپانسیون سیال- جامد استفاده کنند. تاکنون مطالعات تجربی و تئوری گسترده ای جهت افزایش هدایت حرارتی سیال با استفاده از ذرات معلق بسیار ریز انجامشده که بهعنوان راهکار جدیدی جهت افزایش انتقال حرارت شناخته شده است. در این راستا ماکسول1 در سال 1981 تحقیقاتی در این زمینه انجام داد که در آن ذرات افزودنی به سیال در مقیاس میلیمتر و میکرومتر بود
مشکلی که در استفاده از ذرات در مقیاس میلیمتر و میکرومتر وجود دارد، تهنشین شدن ذرات و کند شدن جریان سیال میباشد. همچنین ساییدگی لولهها و افت فشار شدید در جریان، از معایب کاربرد این نوع سیالات است. در مقابل میکروذرات، نانوذرات به دلیل نسبت سطح به حجم بالا، سوسپانسیونهای پایداری تولید کرده و درنتیجه رسوب و کندی جریان سیال در کانالها و لولهها را کاهش میدهند. افزودن مواد فلزی با ابعاد نانومتر به سیال عامل معمولی مانند آب، اتیلن گلیکول و روغن صنعتی، نخستین بار توسط چوی[3] 2 پیشنهاد شد .
مطالعات عددی بسیاری برای ارزیابی کاربرد نانوسیالات در تجهیزات انتقال حرارت انجام شده است و نتایج بهدستآمده را نمیتوان توسط نظریههای موجود توضیح داد. داس3 و همکاران [4] به بررسی جامع از مطالعه انجامشده در زمینه کاربرد نانوسیالات درون مبدلهای حرارتی برای به دست آوردن یک تئوری جامع پرداختند. در این تحقیق رفتار حرارتی نانو ذرات درون سیالات پایه بررسی شد و دریافتند که نانو سیالها هدایت حرارتی را به
میزان قابل توجهی افزایش میدهند.
نگوین4 و همکاران [5] اثر نانوسیال آباُ-کسید آلومینیوم را در یک سیستم خنککننده تجهیزات الکترونیکی
به روش تجربی در جریان آشفته بررسی کردند. نتایج نشان میدهد که ضریب انتقال حرارت برای نانوسیالهایی با
قطر ذرات 36 نانومتر از نانوسیالهایی با قطر ذرات 47 نانومتر بیشتر است. همچنین برای غلظت حجمی%7 نانوذرات، ضریب انتقال حرارت جابجایی حدود 42% نسبت به آب خالص افزایش مییابد.
به نظر میرسد نانوسیالات جایگزین مناسبی برای سیالات متداول در سیستم خنک کاری موتور خودرو باشند. یو5 و همکاران [6] در تحقیقی پیرامون استفاده از تکنولوژی نانو به بررسی مقالات تجربی در زمینه هدایت حرارتی، انتقال حرارت و کاربرد نانو سیالات در خنک کاری سیستمهای الکتریکی، سیستمهای هستهای و انتقال حرارت در سیستم خنک کاری خودرو پرداختند و دریافتند که افزایش 15 تا % 42 میزان انتقال حرارت با بهکارگیری انواع نانوذرات امکانپذیر است.
کولکارنی6 و همکاران [7] به مطالعه تجربی اثر نانوسیالات بهعنوان سیال خنککننده برای اندازهگیری گرمای ویژه اُکسیدآلومینیم در غلظتهای مختلف پرداختند و دریافتند که استفاده از نانو ذرات در سیال پایه باعث افزایش انتقال حرارت میشود، با توجه به این ویژگی اندازه و وزن یک رادیاتور خودرو را بدون تأثیر منفی بر میزان انتقال حرارت آن کاهش دادند.
نراکی7 و همکاران [8] با استفاده از رژیم جریان آرام به روش تجربی عملکردحرارتی نانوسیال اُکسید مس با غلظت 4% را با آب خالص مقایسه کرد. نتایج نشان داد ضریب انتقال حرارت نانوسیال نسبت به آب خالص بیشتر است. همچنین برای میزان انتقال حرارت مشخص، نرخ دبی حجمی کمتری ازنانوسیال اُکسید مس، نسبت به آب خالص مورد نیاز بوده و ضریب انتقال حرارت کلی با افزایش دمای نانوسیال در ورودی رادیاتور کاهش مییابد.
اثر بهکارگیری نانوسیال اُکسیدسیلیسیم بهعنوان خنککننده در رادیاتور خودرو توسط حسین8 و همکاران [9] به روش عددی و با استفاده از نرمافزار فلوئنت مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیهسازی نشان داد که ضریب اصطکاک و انتقال حرارت اجباری با افزایش غلظت نانوذرات افزایش مییابدماکزیمم. مقدار ضریب اصطکاک برای نانوسیال اُکسید سیلیسیم-آب در غلظت %2,5 به 22% افزایش مییابد .در این مقاله اثر دبی حجمی و غلظت حجمی بر دمای خروجی رادیاتور و اثر غلظت حجمی به دمای نانوسیال بررسی خواهد شد.
-2 هندسه حل
برای تعیین هر مسئله عددی، باید هندسه، شرایط مرزی، معادلات حاکم بر جریان و نواحی سلولی تعیین شود. نواحی سلولی به وسط شبکه سلولی اشاره دارد و عموماً بیانگر این امر است که چه سیالی در آن سلول قرار دارد. هندسه مورد استفاده در این مقاله بهصورت زیر است
شکل : 1 هندسه حل
لولههای رادیاتور خودرو بهصورت تخت طراحی میشوند که دو مزیت نسبت به لوله دایروی دارد: -1افت فشار نسبتاً کمتری در سمت جریان هوا دارد.
-2 سطح انتقال حرارت در حالت تخت نسبت به مدور بیشتر است. جدول - 1 - مشخصات هندسی لوله رادیاتور را نشان میدهد.
جدول : 1 مشخصات لوله رادیاتور
