بخشی از مقاله
چکیده:
بررسی های قبلی نشان داده که ویژگی های انتقال حرارت لوله های مارپیچ مخروطی، بهتر از لوله های مستقیم است دلیل آن هم مربوط به وقوع جریان ثانویه در سطوح نرمال به جریان اصلی در داخل ساختار مارپیچ مخروطی می باشد. در این مطالعه شبیه سازی عددی مکانیزم جریان و انتقال حرارت لوله های مارپیچ مخروطی برای طراحی یک مبدل حرارتی بهینه مورد بررسی قرار می گیرد.
الگوی جریان داخل لوله و تغیرات دمای آب مشخص شده است و تاثیر شکل هندسی سطح مقطع لوله بر عملکرد مبدل حرارتی بررسی شده است. نتایج نشان می دهدکه زاویه مخروط اثر قابل توجهی روی انتقال حرارت لوله مارپیچ مخروطی دارد به این صورت که با افزایش انحنا نیروی گریز از مرکز نیز افزایش می یابد که این امر باعث افزایش جریان داخل لوله می گردد و جریان ثانویه لایه مرزی را می شکند بنابراین انتقال حرارت افزایش می یابد. همچنین لوله های با سطح مقطع مربعی عملکرد بهتری در مقایسه با سایر مقاطع نشان داد که این به خاطر تشکیل جریان ثانویه قوی تر می باشد.
مقدمه و مبانی نظری:
توسعه یا بهبود سرعت انتقال حرارت یکی از تاکیدات اصلی در زمینه مهندسی است. میزان انتقال حرارت را می توان به وسیله روشهای فعال هم چون روشهای غیر فعال گسترش داد که این نیازمند توسعه و پیشرفت های بهتری و همچنین امکانات و تجهیزات زیادی دارد که می تواند پیچیدگی ها، هزینه های عملیاتی و یا نیاز به سرمایه ها را در سیستم افزایش دهد در تضاد با آن سرعت افزایش انتقال حرارت غیرفعال را می توان با تغییر دادن هندسه افزایش داد. روش غیر فعال نسبت به روش فعال مطلوب تر است. یک روش غیر فعال برای افزایش سرعت انتقال حرارت، استفاده از لوله های مارپیچ مخروطی می باشد.
مبدلهای حرارتی مارپیچ مخروطی یکی از مبدلهایی هستند که درراکتورهای شیمیایی، مهندسی اقیانوس، صنایع غذائی، سیستم های پایپینگ و غیره کاربرد های فراوانی دارند. امروزه لوله های مارپیچ مخروطی به دلیل داشتن ساختار فشرده، ضریب انتقال جرم و حرارت بالا و توزیع زمان اقامت بالا در صنایع زیادی به عنوان مبدل حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند. نوع هندسه، جریان ثانویه ای با حرکت چرخشی تولید می کند که باعث می شود ذرات سیال به سمت ناحیه مرکزی مارپیچ مخروطی حرکت کنند.
جریان ثانویه با کاهش گرادیان دما در سطح مقطع عرضی لوله نرخ انتقال حرارت را افزایش می دهد. در شکل 1 ساختار کلی لوله مارپیچ مخروطی استفاده شده در این مطالعه نشان داده شده است. جایاکومار و همکاران انتقال حرارت در لوله مارپیچ را بررسی نمودند نتایج نشان می دهد که عدد ناسلت محلی در اثر پیچش ایجاد شده در جریان، به گام مارپیچ وابسته است. [1]نوباری جریان تراکم ناپذیر ویسکوز را در یک حلقه مارپیچ به صورت عددی مورد مطالعه قرار داد نتایج حاکی از آن است که تعداد چرخش منجر به افزایش ضریب اصطکاک می گردد. [2]
رنی انتقال حرارت در یک مبدل مارپیچ را به صورت تجربی بررسی کرد نتایج نشان داد که جریان ثانویه در قسمت داخلی لوله بوجود می آید. [3]کاهانی استفاده از نانو سیال را در کویل مارپیچی به صورت تجربی بررسی نمود. نتایج نشان داد که مارپیچ بودن کویلها اثر قابل توجهی در میزان انتقال حرارت دارد. [4]در این مطالعه به بررسی انتقال حرارت لوله های مارپیچ مخروطی با مقطع مربعی پرداخته شده است که در این زمینه مطالعات کمی انجام شده است.
با توجه به مزایای زیاد مبدلهای حرارتی لوله مارپیچ مخروطی، دراین مطالعه سعی شده است به عملکرد لوله های مخروط مارپیچ با مقطع مربع پرداخته شود. در این مطالعه عملکرد حرارتی مبدل های حرارتی مارپیچ مخروطی با سطح مقطع و زوایای مختلف مخروط مقایسه شدند که نشان داده شود کدام یک بهتر عمل خواهند کرد.
-2روش ومراحل تحقیق:
در این مطالعه برای بدست آوردن الگوی جریان و مشخصات انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی مارپیچ مخروطی، معادلات ناویر- استوکس و انرژی در حالت سه بعدی حل شده اند.
هندسه مدل:
دو نمونه از شبکه ایجاد شده در سطح مقطع لوله های مارپیچ مخروطی در شکل 2 نشان داده شده است. با توجه به اینکه انتقال حرارت از دیواره لوله صورت می گیرد شبکه های ایجاد شده در کنار دیواره ها ریزتر است تا دقت محاسبات را افزایش دهد.
شرایط مرزی و روش حل عددی :
ابعادسطح مقطع لوله مارپیچ مخروط برابر 785 میلی مترمربع وگام مارپیچ برابر 60 میلی متر انتخاب شد. برای ورودی لوله - پائین مارپیچ - شرط مرزی سرعت ورودی برای سیال اعمال شده است و سرعتهای ورودی برابر 0/1 متر بر ثانیه و دمای 298 کلوین در نظر گرفته شده است. برای دیواره دمای 308 کلوین در نظر گرفته شده است.
تعداد دورهای مارپیچ نیز در تمامی شبیه سازیها 3 دور 1080 - درجه از ابتدای لوله - است. شرایط مسئله جهت مقایسه مطابق مرجع 3 در نظر گرفته شده است. شبیه سازی جریان و انتقال حرارت با استفاده از نرم افزار انسیس 15 انجام شد. دراین شبیه سازی معادلات حاکم در جریان آرام با الگوریتم simple E حل شد و مش بندی و شرایط مرزی و محاسبات با یک دستگاه pc -core i7 شد. شرط همگرائی برابر 10-5 در نظر گرفته شد تا جوابهای قابل قبول تری از محاسبات بدست آیند.
-3ارائه وتحلیل نتایج:
در این مطالعه سه هندسه مارییچ مخروطی با سه نوع زاویه شامل 65،70،75 مورد بررسی قرارگرفت. مطالعات اولیه نشان داده اند که به علت نیروی سانتریفیوژ در اثر انحنای لوله، گرادیان فشار شعاعی زیادی در ناحیه مرکزی جریان بوجود می آید. در شکل 3 کانتور های سرعت جریان آب رسم شده اند. با توجه به شکل جریان سیال در ناحیه ی دیواره بیرونی دارای سرعت بیشتری است و علت آن جریان ثانویه ای است که در داخل لوله بوجود آمده است. سرعت جریان سیال در نزدیکی دیواره های داخلی و بیرونی صفر است و برای این که موازنه مومنتوم برقرار باشد جریان ثانویه بوجود آمده است.
