بخشی از مقاله
چکیده
یکی از دستگاههایی که در کاربردهای مختلف مربوط به انرژی مورد استفاده قرار گرفته است ترموسیفون میباشد که در عین سادگی از رسانش گرمایی بسیار بالایی برخوردار است. در داخل ترموسیفون جریان دوفازی مایع و بخار بصورت انتقال همزمان حرارت و جرم انجام میشود. بهینه سازی هرچه بیشتر این دستگاه مستلزم بررسی پارامترهای مختلف و تأثیرگذار بر روی عملکرد حرارتی ترموسیفون میباشد. اثر شرایط مرزی که بر روی ترموسیفون وجود دارند وابسته به اندازهی طول این مرزها میباشند که در واقع قسمتهای تبخیرکننده، آدیاباتیک و چگالنده را شامل می شوند که بر روی عملکرد ترمو سیفون تأثیرگذار میبا شند.
از این رو در این تحقیق به برر سی طولهای مختلف از این ق سمتها پرداخته شد تا از این طریق میزان بهینه این پارامتر حا صل شود. از آنجا که کارهای آزمای شگاهی برای این هدف هزینهی مالی و زمانی قابل توجهی دارد، از روش دینامیک سیالات محا سباتی ا ستفاده شد که معادلات حاکم با روش حجم محدود، که شامل معادلات انتقال مومنتوم، جرم و انرژی است، با استفاده از مدل حجم سیال - - VOF حل شدهاند.
رژیم جریان آرام در نظر گرفته شد. خروجی های مدل تو سط داده های تجربی، ارزیابی و پس از اطمینان از اعتبار نتایج شبیه سازی، از میان ن سبت های صفر، 0/22، 0/5، 0/85و 1/33که مربوط به ن سبت طول ق سمت آدیاباتیک به تبخیرکننده یا چگالنده ا ست، ن سبت0/22 به عنوان منا سب ترین گزینه از لحاظ عملکرد حرارتی انتخاب شد.
-1 مقدمه
تحقیق و مطالعه در زمینهی لوله های حرارتی در دهه های گذشته پیشرفت های چشمگیری داشته است و از آنجا که لوله های حرارتی انواع مختلفی دارد، نیازمند گسترهی وسیعی از تحقیقات می باشد که البته بررسی های انجام شده تاکنون نیز قابل توجه می باشد. لوله حرارتی1 یک دستگاه ساده و بسیار مؤثر برای انتقال حرارت با افت حرارتی ناچیز می باشد که بدون نیاز به هیچ نیروی خارجی حرارت را با رسانش گرمایی بسیار بالا انتقال میدهد.
از لوله های حرارتی درکاربردهای مختلفی همچون خنک کاری سیستم های الکترونیکی، بازیافت انرژی، تجهیزات هوانوردی، مبدلها، پمپ های گرمایی، کاربردهای پزشکی، صنایع شیمیایی و نفتی، تهویه، ژنراتورهای ترموالکتریکی و... استفاده می شود. ترموسیفون یکی از انواع لولههای حرارتی است که درآن برای بازگرداندن مایع چگالش یافته به قسمت تبخیر کننده از فیتیله استفاده نمیشود و صرفا بر اساس نیروی گرانش این کار صورت می گیرد1]،.[2
بطور کلی ترموسیفون2یک لوله ی بسته است که متشکل از سه قسمت تبخیرکننده، آدیاباتیک و چگالنده می باشد و مقداری سیال عامل در قسمت تبخیرکننده قرار میگیرد تا به واسطهی تبخیر و میعانی که بر روی آن صورت میگیرد، انتقال حرارت از ناحیهی تبخیرکننده به ناحیهی چگالنده انجام شود. نحوهی کارکرد ترموسیفون به این صورت است که ابتدا حرارت از قسمت تبخیر کننده دریافت شده و به سیال عامل منتقل میشود، سپس با افزایش دمای سیال و رسیدن به نقطهی جوش، شروع به جوشش کرده و فرایند تبخیر صورت میگیرد، حال بخار به وجود آمده در قسمت تبخیرکننده به دلیل اختلاف فشار با بالای ترموسیفون یعنی چگالنده، به سمت بالا حرکت میکند.
از آنجا که قسمت بالایی ترموسیفون در معرض دمای کمتر میباشد بخاری که به آنجا رسیده است به دلیل افت دما دچار میعان شده و مایع در جداره ها شروع به تشکیل میکند و پس از تجمع، فیلمی از مایع را ایجاد میکنند و به واسطهی نیروی گرانش که در واقع اساس کار ترموسیفون میباشد به قسمت تبخیرکننده باز میگردند و این چرخه شکل میگیرد تا عملیات انتقال حرارت بطور پیوسته از قسمت تبخیرکننده به چگالنده صورت بگیرد. پارامترهای همچون شکل، اندازه، ابعاد، نوع و مقدار سیال عامل، میزان حرارت ورودی، زاویه و همچنین دیگر ویژگیها بر عملکرد لوله های حرارتی تأثیرگذارند.[1]
علیزاده و همکاران[3] در سال2010 یک مدل دو بعدی از ترموسیفون ارائه دادند و اثرات میزان حرارت ورودی و همچنین نسبت پر شدن سیال عامل در قسمت تبخیرکننده را مورد بررسی قرار دادند و با انطباق قابل قبولی که بین داده های آزمایشگاهی با نتایج شبیه سازی وجود داشت در بررسی ها متوجه شدند زمانی که جریان حرارت ورودی از 350 وات به 500 وات میرسد، عملکرد حرارتی ترموسیفون بهبود یافته و نیز بهترین نسبت برای پر شدن سیال عامل را %50 تشخیص دادند.
فدل3 و همکاران[4] در سال 2013 به شبیه سازی جریان دوفازی و بررسی انتقال حرارت درون ترموسیفون پرداختند و پدیده های تبخیر و میعان و تغییر فاز را با استفاده از توابع 4UDFدر نرم افزار فلوئنت اعمال کردند و مشاهده کردند که با افزایش توان حرارتی در محدودههای بالاتر از 172 وات، عملکرد ترموسیفون افزایش مییابد.[5] همچنین در مطالعه ای دیگر در سال 2015 دو سیال R134a و R404a را به عنوان سیال عامل در ترموسیفون مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند که رفتار جوششی در تبخیرکننده برای هر دو سیال عامل به طور چشمگیری با آب متفاوت است که هنگام جوشش، حبابهای بسیار کوچکتری نسبت به آب دارند همچنین نتیجه گرفتند که متوسط دمایی روی بدنهی ترموسیفون در حالت آزمایشگاهی با شبیه سازی مطابقت مطلوبی دارد.
کیم1 و همکاران[6] در سال 2015 برای شبیه سازی عددی ترموسیفون، چهار مقدار مختلف را در مورد پارامتر ضریب آسایش زمانی انتقال جرم در نظر گرفتند که با مقایسه نتایج با مقادیر آزمایشگاهی، بهترین حالت را بصورت تابعی از دانسیتهی فازهای مایع و بخار گزارش کردند. ایدان2 و همکاران[7] در سال 2016 یک مقایسهی عددی و آزمایشگاهی از ترموسیفون بستهی دوفازی برای شش سیال عامل مختلف و همچنین تحت نسبت پرشدنهای مختلف انجام دادند و برای روابط مربوط به تغییر فاز از تئوری مقاومت حرارتی در قسمتهای تبخیرکننده و چگالنده استفاده کردند و متوجه شدند که بیشترین توانایی در انتقال حرارت مربوط به سیال عامل آب و استون میباشد.
با توجه به اهمیت بهینه سازی پارامترهای تاثیرگذار بر عملکرد لوله حرارتی و با مطالعه کارهای صورت گرفته، مشاهده شد که در مواردی همچون میزان و نوع سیال عامل، بار حرارتی ورودی به تبخیرکننده و بعضا دیگر پارامترها بررسی هایی انجام شده ولی کمبود کار در بهینهسازی طول ابعادی مناسب مربوط به قسمت های مختلف ترموسیفون، مشاهده شد.
بنابراین هدف در این مطالعه بررسی تأثیر طول قسمتهای مختلف ترموسیفون بر عملکرد حرارتی با دیدگاه پیشنهادی میباشد که در واقع با در نظر گرفتن طول های مختلف از ناحیه آدیاباتیک، تحت اجراهای جداگانه و با حفظ اندازه کلی ترموسیفون و همچنین یکسان بودن مقدار سیال عامل موجود درون ترموسیفون، این بررسی و بهینه سازی صورت میگیرد.
-2 معادلات حاکم
در این مطالعه از مدل 3VOF برای شبیه سازی فرایند استفاده شده است که بطور کلی بر این اصل استوار است که دو یا چند فاز در هم نفوذ نمیکنند و مجموع درصدهای حجمی تمام فازها برابر با یک می باشد که در واقع در هر یک از سلولها نیز این نکته برقرار است و معادلات حاکم بر مسأله در ادامه آورده شده است.
