بخشی از مقاله
چکیده:
در مبدلهای حرارتی افزایش ضریب انتقال حرارت باعث کاهش حجم و هزینههای مبدل میشود. در این تحقیق به بررسی عددی آثار استفاده از توربولاتورهای رینگی به عنوان یکی از روشهای تحریک لایه مرزی برای افزایش انتقال حرارت درون جریان هوا در یک مبدل دو لولهای هوا-آب پرداخته شده است. شبیهسازیها به صورت سه بعدی برای توربولاتورهای رینگی با نسبت گرفتگیهای 10، 20، 40، 60 و 80 درصد انجام شده است. نتایج نشان میدهد که با افزایش نسبت گرفتگی، ضریب انتقال حرارت و همچنین افت فشار افزایش مییابند. برای محاسبه درصد گرفتگی بهینه از ضریب عملکرد حرارتی - - استفاده شده است که حداکثر ضریب عملکرد حرارتی در نسبت گرفتگی 10 درصد اتفاق میافتد.
-1 مقدمه
مبدلهای حرارتی کاربردهای متنوعی در صنعت دارند که از میان آنها مبدل حرارتی هوا - آب به عنوان یکی از مهمترین انواع مبدل میتواند انتخاب شود. استفاده از موانعی که باعث چرخشی و آشفته شدن جریان میشوند یکی از راههای بسیار متداول و رایج در بهبود انتقال حرارت در مبدلها به شمار میآید. این روشها به واسطهی هزینهینسبتاً کمی که دارا می-باشند، امروزه بسیار محبوب واقع شده اند. نیاز رو به رشد مهندسین در کنترل فرایندها، از جمله ضریب انتقال حرارت، زمینه جدیدی در تحقیقات لایه مرزی ایجاد کرده است.
امروزه چگونگی امکان دخالت در ساختار لایه مرزی درهم و روشهای تحریک آن به منظور کنترل ضریب انتقال حرارت و ضریب اصطکاک بسیار مورد توجه است. در این زمینه اولین مباحث مربوط به فرایند شکلگیری و توسعه امواج تولمین - شلختینگ و بالاخره کنترل طول لایه مرزی گذرا بوده است .[1] ایمسا و همکاران [2]، مطالعهی آزمایشگاهی بر روی متوسط عدد ناسلت، ضریب اصطکاک و افزایش عملکرد حرارتی در لوله با توربولاتور پیچشی که تحت شارحرارتی یکنواخت بود، انجام دادند. در این آزمایش سیال کاری هوا و دارای جریانی در رژیم آشفته است.
این توربولاتور به دوصورت طول کوتاه تا قسمتی از مسیر و طول بلند سرتاسری بوده که در چندین نسبت گام، بکار برده شده است. از طرف دیگر از توربولاتور معمول طول بلند، برای ایجاد یک جریان چرخشی قوی در سرتاسر لوله استفاده شده است. علاوه براین، لوله با توربولاتور معمول طول کوتاه، ضریب عملکرد حرارتی کمتری را داشته است. گانز و همکاران [3]، در تحقیق آزمایشگاهی، افزایش انتقال حرارت و افت فشار در لوله ای با توربولاتور فنری در جریان آشفته را بررسی کردند. آزمایش برای فنر با سطح مقطع مثلثی و سه نسبت گام مختلف و دو نسبت فاصله فنر تا دیواره لوله متفاوت انجام شده است.
شار حرارتی یکنواخت به دیواره خارجی لوله اعمال و سیال هوا در این تحقیق که در محدوده اعداد رینولدز 4100 تا 26400 جریان داشته، بررسی شده است. با توجه به نتایج این آزمایش، عدد ناسلت و ضریب اصطکاک با کاهش طول گام و کاهش فاصله فنر از دیواره لوله، افزایش داشته اند. همچنین بیشترین ضریب عملکرد حرارتی برای توربولاتور فنری با کمترین نسبت گام و کمترین فاصلهی فنر تا دیواره لوله در عدد رینولدز 4220 بدست آمد. شعبانیان و همکاران [4]، تحقیقی را بصورت آزمایشگاهی و عددی برای بررسی آثار سه نمونه توربولاتور پروانه ای، معمول و دندانه دار بر افزایش انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی انجام دادند.
آنها نشان دادند که در محدوده اعداد رینولدز بررسی شده، بیشترین ضریب عملکرد حرارتی برای توربولاتور پروانه ای با زاویه پروانه 90 درجه بدست آمده است. فرهبد و کهرم [5]، با وارد کردن یک مقطع مستطیلی به داخل لایه مرزی درهم و با نزدیک کردن تدریجی آن به دیواره، یک لایه مرزی درهم را تحریک نمودند. نتایج نشان داد که روی قسمت تحریک شده، متوسط ضریب انتقال حرارت به بیش از %60 در مقایسه با صفحه تخت در شرایط مشابه ولی بدون تحریک، افزایش انتقال حرارت دارد. بهرامی و همکاران [6]، اثر زبری سطح در همزنی لایه مرزی بر افزایش شدت توربولنس در کنار دیوارهها را بررسی نمودند.
نتایج نشان میدهد که ضریب اصطکاک و انتقال حرارت با افزایش زبری افزایش مییابند. خلکی و همکاران [7]، بر روی صفحه تخت یک مولد گردابه قرار دادند و با استفاده از روش عددی و مدل-های آشفتگی، گردابههای تولید شده و اثر آنها بر تحریک لایه مرزی و افزایش انتقال حرارت را بررسی کردند. نتایج نشان می-دهد که انتقال حرارت تا بیش از %25 افزایش داشته است. شیخ الاسلامی و گنجی [8]، اثر توربولاتورهای مارپیچ سوراخدار را بر افزایش نرخ انتقال حرارت بررسی کردند. در این آزمایش اثر مقادیر مختلف نسبت گام، نسبت قطر سوراخها به سطح توربولیتور و عدد رینولدز مورد مطالعه قرارگرفت، که بیشترین ضریب عملکرد حرارتی برابر 1/59 بدست آمد.
در مقاله حاضر، به بررسی عددی استفاده از توربولاتورهای رینگی بر بهبود عملکرد یک مبدل حرارتی دو لولهای آب-هوا پرداخته شده است. شبیهسازیها با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی به صورت سه بعدی و با در نظر گرفتن جریان هر دو سیال انجام شده اند. با توجه به کمتر بودن ضریب انتقال حرارت در سمت هوا، توربولاتورها در سمت هوا قرار گرفتهاند.
شبیهسازیها برای نسبتهای گرفتگی مختلف انجام شدهاند و میزان افزایش ضریب انتقال حرارت و ضریب اصطکاک تعیین شده است. به منظور تعیین نقطه بهینه، از تابع عملکرد مبدل که توسط وب و اکرت [10] معرفی شده، استفاده شده است. همچنین برای اعتبارسنجی نتایج عددی از مقایسه ضریب انتقال حرارت با نتایج تجربی جنیلینسکی و پتوخف [9]، استفاده شده که نتایج تطابق بسیار خوبی با هم دارند.
-2 مبدل مورد مطالعه
مبدل حرارتی مورد بررسی شامل هوا در قسمت پوسته و آب در قسمت لوله میباشد. هوای سرد با دمای 301 درجه کلوین وارد پوسته مبدل شده و پس از انتقال حرارت با آب گرم داخل لوله که دارای درجه حرارت ورودی 336 درجه کلوین و رینولدز = 12000 میباشد، از مبدل خارج میشود. آرایش جریان، ناهمسو درنظر گرفته شده است. طول مبدل 1/2 متر و قطر داخلی و خارجی لوله به ترتیب 3 و 5 سانتیمتر می باشد. هفت عدد توربولاتورها با فاصلهی 55 میلیمتر از یکدیگر در وسط مبدل قرار دارند. شماتیک مبدل و نحوه قرارگیری توربولاتورها در شکل - 1 - نشان داده شده است. در جدول 1، ابعاد مبدل متناظر با ابعاد نشان داده شده در شکل 1 ارائه شده است.
