بخشی از مقاله
چکیده
کنترل تولید اکسید نیتروژن، با توجه به قوانین سخت گیرانه محیط زیست، یک قید مهم در طراحی موتورهای دیزلی مدرن است. روشهای مختلفی برای کاهش این آلاینده مضر به وجود آمدهاست که یکی از مهمترین آنها استفاده از سامانه بازخورانی گاز خروجی میباشد. این سامانه دارای یک مبدل حرارتی است که تاثیر مستقیمی در کاهش آلاینده اکسید نیتروژن دارد. شبیه سازی سیالاتی-حرارتی این مبدل و بررسی عملکرد آن در کاهش هرچه بهتر اکسید نیتروژن تاثیرگذار است. در تحقیق حاضر مطالعه بر روی مبدل خنک کن سامانه بازخورانی گاز خروجی به دو صورت تجربی و عددی انجام گرفت.
برای شبیه سازی جریان آشفته و انتقال حرارت از مدل آشفتگی k- و برای ارتباط معادلات سرعت- فشار از الگوریتم سیمپل استفاده گردید. برای انجام شبیه سازی، دبی جرمی و دما به عنوان شرط مرزی ورودی و فشار به عنوان شرط مرزی خروجی در نظر گرفته شد. عملکرد خنک کن سامانه بازخورانی گاز خروجی از طریق آزمون تجربی مورد بررسی قرار گرفت و متوسط راندمان آن در آزمون تجربی 73 درصد به دست آمد. مقایسه نتایج تجربی و عددی نشان داد که اختلاف بین راندمان عددی و تجربی حدود 5 درصد است. این امر بیانگر این است که بین نتایج محاسبات عددی و نتایج تجربی حاصل از آزمون موتوری همخوانی نزدیکی وجود دارد.
-1 مقدمه
امروزه موتورهای دیزل به طور گسترده در صنعت، کشاورزی و حمل-ونقل مورد استفاده قرار میگیرد.[2 ,1] یکی از محدودیتهای موتور دیزل تولید آلاینده اکسید نیتروژن میباشد. تشکیل اکسید نیتروژن به علت دمای بالای احتراق، اختلاط ناهمگن سوخت و هوا و زمان کوتاه اختلاط رخ میدهد.به دلیل آن که اکسید نیتروژن در دماهای بالا تشکیل می شود راه حل کاهش تشکیل آن کاهش دمای بیشینه احتراق می باشد. بیشینه دمای احتراق می تواند با بازخورانی قسمتی از گاز خروجی به ورودی موتور کاهش یابد.
با بازخورانی گاز خروجی به اتاق احتراق ظرفیت گرمایی ویژه هوا افزایش و غلظت اکسیژن هوا ورودی به اتاق احتراق کاهش می یابد و در نتیجه باعث کاهش تشکیل اکسید نیتروژن میشود.[4 ,3] به دلیل اینکه گاز خروجی دارای دمای زیادی است نمیتواند تاثیر زیادی در کاهش دمای بیشینه احتراق داشته باشد. بنابراین برای تاثیر گاز خروجی بر کاهش دمای بیشینه احتراق دمای آن باید قبل از بازخورانی تا حد معینی کاهش یابد. برای این منظور باید از یک خنک کن استفاده شود. خنک کن یک مبدل حرارتی است که گاز بازخورانی شده به ورودی موتور را خنک میکند. معمولا برای خنککاری گاز بازخورانی شده از آب استفاده میشود.
مبدل حرارتی به عنوان یک جز مهم در صنایع مختلف محسوب می-شود. ساختار هندسی مبدلها بر روی عملکرد و بازده حرارتی آن تاثیر بسزایی دارد. مبدلهای حرارتی با ساختارهای هندسی متفاوت توسط محققان بسیاری مورد مطالعه قرار گرفته است.[10-5] یکی از مبدلهای حرارتی که به طور گسترده در صنعت خودروسازی استفاده می شود خنک کن سامانه بازخورانی گاز خروجی می باشد. این خنک کن باید مقدار زیادی از گرما را در یک بخش کوچک انتقال دهد.
استهلیک و همکاران دو نوع مبدل حرارتی پوسته و لوله با بافل ساده و حلزونی را مورد مطالعه قرار دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از بافلهای حلزونی باعث افزایش انتقال حرارت و کاهش افت فشار بین ورودی و خروجی در مبدل می شود.[12] اوزدن و همکاران یک نوع مبدل پوسته و لوله را به صورت عددی مورد مطالعه قرار دادند. در این مطالعه از تعداد بافل متفاوت - بین 6 تا 12 بافل ساده - ، اندازه بافل متفاوت - بین 25 تا 36 درصد - و نرخ جریان /5 ، 1 و2 کیلوگرم بر ثانیه - kg/s - استفاده شد. نتایج نشان داد که بافل با اندازه 25 درصد عملکرد بهتری را ارائه کرد. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی نشان داد که استفاده از تعداد بافل کم باعث ایجاد جریان های بازگشتی در پشت بافلها می شود. اما این مشکل می-تواند با افزایش تعداد بافلها و بهبود مشخصات انتقال حرارت برطرف گردد.
وانگ و همکاران از سیلر برای بهبود بازده مبدل پوسته و لوله استفاده کردند. در این مطالعه شکافهای بین پوسته و صفحه بافل با استفاده از سیلر پوشانده شد. نتایج تجربی نشان داد که با این کار بازده انتقال حرارت بین 18/2 تا 25/5 درصد افزایش پیدا می کند.
وانگ و همکاران مطالعاتی را بروی مبدل پوسته و لوله انجام دادند. در این مطالعه پارامترهای عملکردی مبدل نوع پوسته-لوله با بافل حلزونی با استفاده از دینامیک سیالات عددی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج عددی با پارامترهای قرار دادی مبدل پوسته و لوله با بافل ساده مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج عددی نشان داد که با یک نرخ جریان یکسان افت فشار در مبدل پوسته-لوله با بافل حلزونی نسبت به مبدل پوسته-لوله با بافل ساده به طور متوسط 13 درصد کمتر است. همچنین نتایج عددی نشان داد که در یک افت فشار کلی نرخ انتقال حرارت در مبدل پوسته-لوله با بافل حلزونی 5/6 درصد بیشتر از مبدل پوسته-لوله بابافل ساده است و نرخ جریان در مبدل پوسته-لوله با بافل حلزونی 6/6 درصد بیشتر از مبدل پوسته - لوله با بافل ساده است.
ژانگ و همکاران یک نوع مبدل پوسته و لوله با بافل چهار تکه حلزونی را به صورت عددی مورد مطالعه قرار دادند . در این مطالعه ویژگی انتقال حرارت و توزیع جریان مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه از نرم افزار فلوئنت برای شبیه سازی عددی و همچنین از نرم افزار گمبیت برای شبکه بندی مدل هندسی استفاده گردید. نتایج نشان داد که بین دادههای عددی و تجربی همخوانی نزدیکی وجود دارد.
لیو و همکاران مشخصات انتقال حرارت و توزیع جریان را در یک مبدل پوسته و لوله به دو روش تجربی و عددی مورد مطالعه قرار دادند. این مبدل حرارتی به منظور خنک کاری گازهای بازخورانی خروجی یک نوع موتور دیزل طراحی شده بود. در این مبدل از بافلهای حلزونی و لوله های مارپیچ استفاده شده بود. در این مطالعه تاثیر شکل لوله و بافل بر انتقال حرارت و افت فشار مورد بررسی قرار گرفت
با بررسی مطالعات پژوهشگران می توان دریافت که بیشتر مطالعات در زمینه تاثیر بافل های مختلف بر انتقال حرارت و مشخصات جریان در مبدل های پوسته و لوله ساده بوده و در زمینه مبدلهای پوسته و لوله U شکل سامانه بازخورانی گاز خروجی تحقیقات اندکی انجام گرفته شده است.
در تحقیق حاضر یک نوع مبدل پوسته و لوله U شکل مورد استفاده در موتور دیزل سبک به دو روش محاسبات عددی و آزمون تجربی مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مشخصات جریان، افت فشار و انتقال حرارت در مبدل U شکل مورد مطالعه قرار گرفت و با نتایج تجربی حاصل از آزمون موتوری مقایسه گردید. برای انجام این شبیه سازی از نرم افزار محاسبات عددی Ansys Fluent 16 و سیستم رایانهای با مشخصات رم 16 گیگ و پردازنده 8 هسته ای - Core - TM - i 7-4750 CPU - استفاده گردید.
-2 مواد و روشها
1-2 پارامترهای هندسی مبدل
مبدل مورد مطالعه در این تحقیق از 9 لوله U شکل مارپیچ1 با مقطع بیضوی ساخته شده است، شکل1و.2 لوله های مورد استفاده در این مبدل از استیل ضد زنگ با چگالی 7800kg/m3 و گرمای ویژه 500 J/ - kgK - ساخته شده اند همچنین جنس پوسته مبدل نیز از نوع آلومینیوم با چگالی 2702 kg/m3 و گرمای ویژه 903 J/ - kgK - می باشد.
شکل :1 شکل کلی سامانه بازخورانی گاز خروجی با مبدل U شکل
شکل :2 لولههای U شکل مارپیچی
شکل :3 قسمتی از لوله مارپیچی EGR
جدول :1 مشخصات هندسی لوله
2-2 موتور و فرآیند آزمون
1-2-2 بستر آزمون مهمترین مسئله در این مطالعه بررسی پارامترهای انتقال حرارت و مشخصات توزیع جریان در مبدل پوسته و لوله U شکل با لولههای مارپیچ به دو روش محاسبات عددی و آزمون تجربی میباشد. به منظور رسیدن به این هدف از یک موتور دیزل سبک چهار سیلندر پرخوران ساخت شرکت ایرانخودرو استفاده گردید. مشخصات موتور مورد استفاده در جدول 2 آورده شده است. در این آزمون جهت اعمال تغییرات دور و بار از دینامومتر نوع جریان گردابی با بیشینه بار 220kW و گشتاور 525N.m استفاده گردید.
جدول :2 مشخصات موتور تحت آزمون
