بخشی از مقاله
چکیده
انتقال حرارت، ضریب اصطکاک سطحی و عملکرد حرارتی نانو سیال آب- اکسید مس در این تحقیق درون یک لوله مدور مجهز به نوار پیچ خورده به صورت عددی و با استفاده از نرم افزار قدرتمند حجم محدود انسیس فلوئنت 14 مورد بررسی قرار گرفته است. کسر حجمی نانو ذرات در سیال پایه آب 0/3 و 0/5 و 0/7 درصد است و رژیم جریان نیز آرام در نظر گرفته شده است.
جریان نانو سیال وارد لوله ای می شود که مجهز به نوار پیچ خورده است و دورتا دور لوله شار حرارتی ثابت 3 کیلووات بر مترمربع اعمال می شود. نرخ دبی جرمی نیز متفاوت بوده و شامل هشت دبی متفاوت است که در گستره ی عدد رینولدز 880 تا 1990 قرار گرفته است. در پایان مشاهده می شود که ارتباط کاملا مستقیمی بین اعداد رینولدز و ناسلت وجود دارد و با افزایش عدد رینولدز، ناسلت نیز افزایش پیدا می کند. تکنیک استفاده از نوار پیچ خورده کاملا بازدهی مناسبی دارد، البته این نوار باعث افزایش ضریب اصطکاک سطحی و افت فشار نیز می شود.
-1 مقدمه
مبحث انرژی به عنوان یکی از مهم ترین بحث ها در جامعه بشری در پنجاه سال اخیر مطرح است. روش های موجود برای بهبود انتقال حرارت در سیال در تمام شرایط مختلف به دو دسته کلی تقسیم می شوند: روش های فعال و غیر فعال. در روش های فعال باید به سیستم کار داده شود - انرژی به سیستم از بیرون تزریق گردد - . در روش های غیر فعال بهبود انتقال حرارت با اصلاح خواص فیزیکی سیال، اصلاح شکل مبدل حرارتی، افزایش زبری و اضافه نمودن سطحوح به مبدل حرارتی برای افزایش سطح انتقال حرارت و ایجاد اغتشاش در جریان صورت می پذیرد.
بهبود مبدلهای حرارتی متداول، به طور معمول با تکنیکهای افزایشی مرسوم انجام میپذیرد که مبنای بیشتر آنها افزایش سطح میباشد. در مبدلهای حرارتی فشرده، دو تکنیک افزایش انتقال حرارت هدایتی وجود دارد. یکی از آنها افزایش مساحت سطح انتقال حرارت مثل پره ها میباشد و دیگری افزایش ضریب انتقال حرارت بین سطح جامد و سیال، مثلا با استفاده از مغتشش کننده ها به عنوان تولید کننده جریان گردابی میباشد.
در طراحی کانال سرمایش و کانال مبدل حرارتی، معمولا به منظور افزایش نرخ انتقال حرارت هدایتی، از دنده، پره، و باله مغتشش کننده استفاده میشود؛ که این باعث فشردگی مبدل حرارتی، بازده بالا، قیمت پایین و در کنار آن کوچکترین حجم و سبکترین وزن ممکن میگردد. استفاده از باله های مغتشش کننده، جریان سیال را به طور کامل تغییر داده و بدین ترتیب ضریب انتقال حرارت جابجایی محلی نیز تغییر میکند.
به منظور افزایش انتقال حرارت، باله ها به طور موفقیت آمیزی در سیستمهای حرارتی مدرن بکار گرفته شده اند؛ دلیل آن این است که آنها با کمترین خطا در اتلاف فشار، توانایی ایجاد گردابه طولی و کمک به اختلال جریان اصلی را دارند. گردابه هایی که باعث افزایش انتقال حرارت میشوند، یک روش افزایشی غیر فعال میباشند که بستگی به گردابه تولید شده عمودی و در جهت جریانی دارند که هدف آن افزایش انتقال حرارت است. VG در مبدلهای حرارتی فشرده صفحه ای و تخت بکار گرفته میشوند تا عملکرد حرارتی آنها را بهبود ببخشند.
در مجموعه VGها، چینش مرسوم گردابه های طولی در لایه مرزی آشفته نصب میشود؛ مجموعه VG های نصب شده در لایه مرزی آشفته، سبب تغییرات دوره ای اصطکاک سطحی میشود که این سبب افزایش انتقال حرارت میگردد. خواص ضعیف انتقال حرارتی سیالات اولین مانع تاثیر گذار در بهبود راندمان مبدلهای حرارتی به شمار میرود.
نکته کلیدی بهره-برداری از هدایت بسیار بالای ذرات جامدحدوداً صدها برابر بیشتر از سیالات رایج در انتقال حرارت در ترکیب این سیالات میباشد. راه مبتکرانهای که کشف شد، ساخت سوسپانسیونی از ذرات ریز جامد در سیالات خالص بود و این ایده یک راهکار برای افزایش خواص انتقال حرارتی سیالات رایج حامل انرژی بوده است.
انواع گوناگون ذرات همچون ذرات فلزی، غیر فلزی و پلیمری را می-توان به سیال پایه افزود و یک محصول دوغابی شکل تهیه کرد. اما سوسپانسیونها با ذرات معلق در اندازههای میکرومتری و حتی میلیمتری مشکلاتی همچون اثر ساییدگی ذرات، مسدود شدن مسیر کانال، فرسایش شبکه لوله و کاهش انتقال مومنتوم و افزایش افت فشار ایجاد میکند - . - 1
راهی که به کمک مهندسی سیالات آمد و به بهبود ویژگیهای انتقال حرارتی سیالت منتهی شد، علم نانو تکنولوژی بود. استفاده از ذرات ریز جامد با اندازه نانومتری در سیال خالص پایه برای اولین بار در آزمایشگاه ملی آرگون آمریکا توسط ژوآن - 2 - مطرح شد و اولین سوسپانسیون را نانو سیال نامید. در ده سال گذشته بسیاری از محققین خواص انتقال حرارت نانوسیالات گوناگون را مطالعه و مورد بررسی قرار دادند.
هندسه مورد نظر که طی این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است ، هندسه برگرفته از طرح تجربی آقای ونگ چار[3] در سال 2012 می باشد که طول مبدل مورد استفاده 50 سانتی متر و قطر آن 8 سانتی متر است. مواردی که در بحث انتقال حرارت از قسمت جامد به سیال دخیل هستند را می توان ضریب هدایت حرارتی دیواره های مبدل و نیز سطح تبادل حرارت دیواره های مبدل و سیال معرفی نمود.
در طرح تجربی ونگ چار[3] این مبدل گرمایی به منظور تبادل حرارتی با هیتر که شار ثابت 3کیلو وات بر مترمربع را ایجاد می کند، ساخته شده است. دمای سیال ورودی به مجموعه 293 درجه ی کلوین در نظر گرفته شده است. عمل تبادل حرارتی بین نانوسیال و محفظه ی آب برای 8 نرخ جرمی متفاوت و در گستره ی اعداد رینولدز بین 830 تا 1990 مورد آزمایش قرار گرفته است. همچنین نانوسیال استفاده شده، نانوسیال آب- اکسید مس است که طی 3 حالت مختلف نانوسیال %0/3 ، نانوسیال %0/5 و نیز نانوسیال %0/7 مورد استفاده قرار گرفته است.
- 2 مساله
روابط حاکم و روش مدل سازی
معادلات در این تحقیق، شامل معادلات مرسوم پیوستگی، مومنتوم و معادله انرژی می باشد. از معادلات مومنتوم و پیوستگی برای محاسبه بردار سرعت و از معادله انرژی برای محاسبه توزیع دما و ضریب انتقال حرارت دیواراستفاده می شود.
