بخشی از مقاله
چکیده
بحث و بررسی بر روی روش های کاهش مصرف انرژی بسیار سودمند و مهم میباشد . همواره روشهای کاهش مصرف انرژی در تجهیزات سرمایشی به سبب استفاده مداوم و همچنین مصرف بالای انرژی آن ها حائز اهمیت میباشد. دوغاب یخ یکی از متدهای رایج منایع ذخیره سرمایی1 می باشد که نقش بسزایی در کاهش مصرف انرژی تجهیزات سرمایشی ایفا میکند.
در این تحقیق که بصورت عددی و با استفاده از مدل چند فازی اولرین-اولرین انجام یافته است، الگوی جریان و مسائل وابسته به آن در جریان دوغاب یخ با در نظر گرفتن سیال محلول آب و اتانول و قطعات یخ در هندسه های دوار و تخت مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. از نتایج به دست آمده استنباط میگردد که از نظر تجمع ذرات و بیشینه مقدار کسر حجمی تفاوت محسوسی مابین هندسه با مقطع دوار و هندسه با مقطع تخت وجود ندارد. لیکن لوله تخت توزیع یکنواخت تری از ذرات را داشته و از نظر افت فشار نیز تفاوت زیادی مابین این دو هندسه وجود ندارد.
مقدمه
با توجه به رشد بی رویه مصرف انرژی و نیاز به کاهش آن که سبب کاهش بازده و راندمان سیستم نشود از اولویت ها و دغدغه های امروز جامعه بشریت است. در جوامع مختلف روش های گوناگونی برای بهینه سازی مصرف انرژی در نظر گرفته شده است. در بخش سرمایش و تهویه مطبوع استفاده از منابع ذخیره سرمایی 2 از راهکارهای بسیار موثر در این زمینه شناخته شده است.
دوغاب یخ به علت برخورداری از گرمای نهان قطعات یخ به عنوان سیال ثانویه دو فازی جایگزین پیشرفته و مناسبی برای ذخیره و انتقال انرژی سرمایشی در مقایسه با سیال های معمول تک فازی می باشد. اگر سیستم دوغاب یخ به عنوان منبع ذخیره سرمایشی استفاده شود امکان انتقال پیک مصرف انرژی الکتریکی به ساعات غیر پیک را فراهم می سازد و به این ترتیب باعث افزایش راندمان سیستم می شود و همچنین کاهش مصرف انرژی را در پی خواهد داشت.
جریان دوغاب یخ متشکل از یک محلول آبی مانند محلول آب و نمک ، محلول اتیلن گلیکول و آب، محلول الکل و آب که دارای نقطه انجماد پایین تر از صفر درجه سلسیوس هستند به همراه قطعات یخ با قطر کمتر از 1 میلی متر تا 0,1 میلی متر را شامل می شود. - R. Wissam et al, 2007- A. Kitanovski et al, 2005 - در طی فرآیند ذوب، قطعات یخ موجود در جریان دوغاب یخ توانایی تولید و آزاد سازی مقدار بسیار بالای حرارت نامحسوس را دارا می باشند. جریان دوغاب یخ دارای قابلیت تراکم شدید انرژی، نرخ سرمایشی سریع و همچنین قابلیت انتقال حرارت بسیار بالا را دارا هستند.
در جریان دوغابی یخ همواره چگالی قطعات یخ کمتر از سیال پایه می باشد و به علت وجود این اختلاف چگالی معمولا قطعات یخ در طی حرکت تمایل به تجمع در قسمت بالایی مسیر حرکت را دارا می باشند و این موضوع سبب میشود پرداختن به الگوی جریان و افت فشار در جریان دوغابی یخ بسیار مهم و حائز اهمیت برای استفاده های مهندسی و عملی باشد.
کارهای تجربی و عددی خوبی در زمینه جریان دوغاب یخ انجام گرفته است. ووآرنوز و همکاران - D. Vuarnoz et al, 2002 - بر روی پروفیل سرعت ذرات یخ با کسر جرمی 13 تا 19 درصد و حلال آب و اتانول در لوله صاف افقی با قطر 23 میلیمتر کار کردند. لی و همکاران - D.W. Lee et al, 2006 - به بررسی مشخصه های انتقال حرارت در دوغاب یخ به همراه سیال پایه آب و اتیلن گلیکول 6,5 درصد جرمی در داخل لوله صاف با قطر 13,84 میلیمتر پرداختند.
آن ها همچنین توانستند ضریب انتقال حرارت متوسط را تحت شرایط دمای ثابت سطح بین 22,5-7,5 درجه سلسیوس اندازه گیری کنند. نیزگودا زیلاسکو و همکاران به بررسی اثر انتقال حرارت و ذوب ذرات یخ در لوله های افقی تحت شار حرارتی ثابت مابین 8-2 کیلووات بر متر مربع پرداختند. - B. Niezgoda-Zelasko et al, 2008- B. Niezgoda-Zelasko et al, 2006 - برخی از محققان سعی در ارائه مدل های ریاضی برای درک بهتر جریان دوغاب یخ داشتند.
اگر مقدار ذرات یخ موجود در جریان دوغابی یخ بیشتر از 10 درصد باشد میتوان این جریان را بوسیله جریان غیرنیوتونی پیش بینی کرد. - Grozdek et al, 2009 - به طور کلی چهار مدل جریان غیرنیوتونی برای پیش بینی رفتار جریان دوغابی یخ میتوان در نظر گرفت. این مدل ها با نام های بینگهام3، قانون توانی4، هرشل بولکلی 5و مدل کشن 6شناخته شده هستند. - Chhabra et al, 2008 - گیلپرت و همکاران برای توصیف جریان دوغاب یخ از مدل قانون توانی بهره جستند. همچنین برای به دست آوردن افت فشار در جریان دوغابی در حالت توربولانس از معادله دوج-متزنر 7استفاده کردند. - Kauffeld et al, 2005 -
دوئتس و همکاران با استفاده از مدل کشن به بررسی رفتار و ماهیت جریان دوغاب یخ پرداختند و همچنین برای محاسبه افت فشار در لوله صاف افقی از یک معادله اصطکاک نیمه تجربی بهره جستند. - Kauffeld et al, 2005 - وانگ و همکاران به حل عددی، تحلیلی و تجربی جریان دوغاب یخ و بررسی تاثیرات تراکم ذرات، سرعت و افت فشار در جریان دوغابی غیرهمگن پرداختند. یک مدل تحلیلی برپایه دینامیک جریان چندفازی برای پیش بینی افت فشار هر فاز از جریان دوغابی یخ ارائه دادند. همچنین برای صحت سنجی ، مدل تحلیلی خود را با نتایج آزمایشگاهی جریان آرام و مغشوش مقایسه کردند. - Wang et al,2017 -
بحث دیگری که میتوان در زمینه جریان دوغاب یخ مورد مطالعه قرار داد ایمنی انتقال جریان در مسیر و درون لوله هاست. انسداد و تجمع قطعات یخ در طی جریان دوغابی یخ میتواند مشکلات و تهدیدهای جدی برای عملیات انتقال این جریان بوجود آورد. تیان و همکاران به بررسی اثر کسر حجمی ذرات یخ، اندازه ذرات یخ، کسرجرمی اتانول به همراه آب به عنوان سیال پایه و قطر لوله، بر روی ایمنی انتقال جریان دوغابی یخ پرداختند. آن ها در شبیه سازی عددی خود کسر حجمی ذرات یخ را مابین 20 تا 25 درصد، قطر ذرات یخ را 100 میکرون ، کسر جرمی اتانول را 5 تا 10 درصد در نظر گرفتند.
نتایج آن ها بیان گر این مهم بود که کاهش قطر لوله میتواند نقش بسیار مفیدی در ایمنی انتقال جریان دوغاب یخ ایفا بکند. - Tian Qiqi et al, 2014 - شبیه سازی عددی همواره راه حلی مطمئن، کم هزینه و مناسب برای تحلیل و بررسی جریان های مختلف مخصوصا جریان های چندفازی است. این نوع جریان ها به دلیل پیچیدگی های فراوانی که دارند کمتر بصورت تئوری و تحلیلی به آن ها پرداخته شده است.
کارهای تجربی نیز با وجود کارآمدی نمیتواند از شرایط داخلی جریان و فعل و انفعالات درون جریان مارا آگاه کند ولی در این میان تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی 8 روشی کارآمد است که میتواند ما را از ابعاد و زوایای مختلف یک جریان باخبر سازد. در این تحلیل که بصورت عددی صورت گرفته است با توجه به منابع مختلف و معتبر موجود در این زمینه از مدل چند فازی اولرین-اولرین برای توصیف و شبیه سازی جریان دوغابی یخ بهره گرفته شده است. جریان در محدوده آشفته می باشد و همچنین در حالت عدم حضور انتقال حرارت بررسی شده است.
معادلات حاکم
در معادله بالا که به معادله پیوستگی معروف است کسر حجمی، چگالی، سرعت، زیروند به فاز ماده که میتواند جامد با و یا مایع با باشد همچنین زیروند به فاز دیگر در این معادله اشاره دارد. شدت انتقال جرم بین فاز مایع و جامد را بر اثر عمل ذوب قطعات یخ بیان میدارد.
