بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از روش های معمول برای بهبود انتقال حرارت در مبدل های حرارتی استفاده از موانع تولید کننده گرداب می باشد که میزان انتقال حرارت را در حد قابل توجهی تغییر می دهد. در این مطالعه ، میزان تغییرات انتقال حرارت در زاویه های مختلف میله گرداب و رینولدزهای متفاوت بررسی شده و مقادیر بهینه ی آن ها جهت بدست آوردن بیشترین میزان افزایش انتقال حرارت بدست خواهد آمد.
بدین منظور زاویه های میله گرداب در 4 جهت 30 ، 45 ، 60 و 75 درجه و در رینولدزهای 300 ، 900 ، 1800 مورد بررسی قرار گرفته و نیز برای بررسی تاثیر نانوذرات در میزان افزایش انتقال حرارت آب ، نانو ذره آلومینا با 3 درصد حجمی به سیال آب اضافه گردیده و نتایج آن با حالت بدون نانوذره مقایسه گردیده است. میله گرداب درون لوله در 3 ردیف با زاویه 120 درجه از هم قرار دارند ، که هر ردیف دارای 11 میله گردابه می باشد.
هدف از انجام این پروسه بررسی میزان افزایش انتقال حرارت سیال می باشد. دمای افزایش یافته درون این لوله حاصل ایجاد جریان چرخشی و گردابه ای در اثر برخورد سیال به میله های گرداب می باشد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که هر چه عدد رینولدز بالاتر باشد ، میزان افزایش انتقال حرارت بالاتر است و همچنین وجود نانو ذره آلومینا باعث افزایش انتقال حرارت سیال می گردد. در انتها مشاهده گردید که بیشترین میزان انتقال حرارت مربوط به زاویه 30 درجه میله گرداب و رینولدز 1800 می باشد.
.1 مقدمه
مبدل حرارتی نقش مهمی در صنعت روزمره داشته و افزایش راندمان آن همیشه مورد تحلیل و بررسی دانشمندان و مهندسین بوده است. امروزه با توجه به پیشرفت تکنولوژی از جمله در فرایند های صنعتی نیاز به مبدل هایی با بازده و کارایی بالا بیشتر احساس می شود.
محققان از روش های گوناگونی برای افزایش کارایی مبدل های حرارتی استفاده می کنند تا بتوانند در حجم های کوچکتری از مبدل های حرارتی بیشترین مقدار انتقال حرارت را داشته باشند .اصلی ترین معیار انتخاب مبدل حرارتی مناسب ، وابسته به کاربرد مورد نیاز می باشد .افزایش انتقال حرارت از طریق میله گرداب درون لوله ، موضوع بروز و کاربردی می باشد که استفاده زیادی در صنایع مختلفی مثل صنایع تبرید ، تهویه مطبوع ، نیروگاه ها و صنایع پتروشیمی و شیمیایی می شود .
برای افزایش انتقال حرارت در لوله ای که درون آن میله ی گردابه ای شکل است ، راه های مختلفی مثل تغییر در قطر میله گرداب ، تغییر در زاویه میله گرداب و همچنین تغییر در فاصله ی بین میله گرداب وجود دارد ، که در این تحقیق زاویه ی میله گرداب تغییر داده شده است. یکی از روش های موثر برای افزایش انتقال حرارت در سیستم های حرارتی ، استفاده از تولید کننده گردابه درون لوله می باشد .
تولید کننده های گردابه باعث تشکیل گردابه های طولی درون لوله شده و با ایجاد حرکت های 3 بعدی مارپیچی ، جریان های چرخشی قدرتمندی در جریان سیال ایجاد می کنند . این حرکت های چرخشی باعث افزایش اغتشاش در سیال و همچنین باعث افزایش دما ، سرعت ، فشار سیال می شود. در حالت کلی موانع تولید گردابه به 3 طریق در انتقال حرارت تاثیر می گذارند ، عبارت اند از افزایش لایه مرزی روی هر طرف از مانع ، چرخش جریان و ناپایداری جریان.
مبدل های حرارتی را می توان با توجه به رفتار سیال بررسی نمود . این کار به روش های مختلفی صورت می گیرد که عبارت اند از : روش تجربی ، روش تحلیلی و روش عددی. در سال های اخیر با پیشرفت علوم کامپیوتر روش های عددی رشد قابل توجهی در حل معادلات داشته اند و به لحاظ صرف هزینه و زمان قابل قبول ، توجه اکثر محققین را به خود جلب نموده اند.
در سال های اخیر محققان بسیاری به بررسی روش های نوین جهت افزایش میزان انتقال حرارت مبدلهای حرارتی پرداخته اند. از جمله: ماکسول [1] اولین بار در سال 1873 مفهوم توزیع ذرات جامد در سیال پایه را به منظور کاهش محدودیت انتقال حرارت برای سیالات با هدایت حرارتی پایین مطرح کرد. ایده فناوری مهندسی مولکولی یا نانو تکنولوژی ، اولین بار توسط ریچارد فرمن در سال 1959 مطرح شد. وی در آن سال در سخنرانی مشهور خود در انجمن فیزیک آمریکا ، دانشندان را به کار روی مواد در مقیاس اتمی دعوت کرد. این سخنرانی را میتوان اولین بحث در زمینه ی فناوری نانو دانست .
استفاده از ذرات در ابعاد نانومتری برای اولین بار در یک سری مطالعات در آزمایشگاه ملی آرگون توسط شول در سال 1995 مطرح شد. او اولین کسی بود که از لفظ نانوسیال برای سوسپانسیون های نانوذرات در مایع استفاده نموده و ادعا کرد که چنین سیالاتی در مقایسه با سوسپانسیونهای معمولی جامد در مایع خواص رئولوژیکی و پایداری بهتری دارند و میتوانند به طرز چشمگیری هدایت حرارتی ، نفوذ گرمایی و ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال را افزایش دهند.
ایستمن و همکارانش [3] در تحقیقات خود مشاهده کردند که رسانایی حرارتی نانوسیال حاوی نانو ذرات مس با کسر حجمی 0,3 % و اتیلن گلیکول، در مقایسه با سیال پایه، حدود %40 افزایش یافته است. ژوان و همکاران [4] بطور تجربی خصوصیات انتقال حرارت جابجایی و عملکرد جریان نانوسیال آب و مس را در یک لوله با شار حرارتی ثابت روی دیواره بررسی کرده و مشاهده کرده اند که خصوصیات انتقال حرارت نانوسیالات با افزایش کسر حجمی نانوذرات، بیشتر میشود.
ونگ ویزز و همکاران [5] اثر خواص ترمو فیزیکی نانوسیال Water/TiO2 را به عنوان خنک کننده با غلظت % 0,2، در مبدل حرارتی دو لوله ای بررسی کردند. نتایج بررسی این محققان نشان داده است که ضریب انتقال حرارت نانوسیالات % 11-6 بیشتر از آب خالص بوده است. همچنین دریافتند که ضریب انتقال حرارت جابجایی با افزایش عدد رینولدز، نرخ جریان جرمی آب داغ و نانوسیال و نیز کاهش دمای نانوسیال، افزایش می یابد. کیهانی و همکاران [6] به بررسی انتقال حرارت و افت فشار نانوسیال آب AL2O3 / در یک لوله افقی با جریان متلاطم پرداختند. نتایج حاکی از افزایش ضریب انتقال حرارت با افزایش کسر حجمی نانوسیال می باشد.
افزایش بیشتر انتقال حرارت با نانوسیال Fe3O4 در لوله ای با نوار پیچ خورده داخلی بصورت آزمایشگاهی توسط سیام ساندر و همکاران [7] بررسی شده است. تحقیقات آنها نشان داده است که افزایش انتقال حرارت برای نانوسیال با درصد حجمی 0,6 ، در یک لوله معمولی به اندازه ی %30,96 بوده درحالیکه با نوار پیج خورده، این میزان % 18,49 ، افزایش یافته است.
این آزمایش با گام 5 و در محدوده عدد رینولدز 22000B3000 انجام شده است . شارما و همکاران [8] با استفاده از نانوسیال Al2O3 با کسر حجمی 0,5 درصد در یک لوله معمولی 30,30 درصد افزایش انتقال حرارت را مشاهده کردند. آنها این آزمایش را در لوله ای با نوار پیچ خورده داخلی با گام 5 نیز انجام داده و 42,17 درصد افزایش در انتقال حرارت نسبت به آب را بدست آوردند. چینگ سونگ و همکاران [9] در سال 2017 بر روی ویژگی انتقال حرارت و جریان در یک لوله با حلقه های V شکل کار کرده اند. که آنها دریافتند که حلقه های V شکل باعث افزایش کارایی حرارت تا 5,8 برابر یک لوله صاف و در نتیجه افت فشار 82 برابر می شود.
در این مطالعه ، شبیه سازی عددی انتقال حرارت در مبدل حرارتی توسط نرم افزار FLUENT 18 ANSYS انجام شده است . طراحی و شبکه بندی لوله مجهز به میله گرداب ، به ترتیب توسط نرم افزار CATIA و ANSYS MESHING انجام شده است .
.2 شرح مسئله ، شبکه و شرایط مرزی
مدل هندسی در این تحقیق ، تاثیر افزایش انتقال حرارت در لوله مجهز به میله گرداب ، با تغییر زاویه میله گرداب و تغییر در سرعت ورودی سیال و همچنین تغییر در نوع سیال ورودی بررسی شده است . آرایش لوله مجهز به میله گرداب ، مکان میله گرداب و هندسه تولید کننده گرداب و به طور کلی هندسه یک لوله مجهز به میله گرداب در شکل 1 نشان داده شده است . ابعاد هندسی مدل به صورت L=0.5 m - طول لوله - و D=0.02 m - قطر لوله - و E=0.008 m - طول میله گرداب - و P=0.02 m - فاصله بین میله گرداب - و d=0.002 m - قطر میله گرداب - و 30'45'60'75 - زاویه میله گرداب - در نظر گرفته شده است.
در این تحقیق ، میله گرداب درون لوله در 3 ردیف با زاویه 120 درجه از هم قرار دارند ، که هر ردیف دارای 11 میله گرداب می باشد . میله های گرداب درون لوله ، در شکل 2 نشان داده است . جنس لوله و میله گرداب آلومینیوم می باشد. با تغییر زاویه میله گرداب ، میزان افزایش انتقال حرارت در لوله مجهز به میله گرداب ، بررسی شده است. از این لوله مجهز به میله گرداب یک بار سیال آب و بار دیگر نانو سیال آلومینا با 3 درصد حجمی عبور کرده است. این پژوهش در 3 رینولدز 300 و 900 و 1800 انجام شده است که بررسی شود در کدام عدد رینولدز ، میزان انتقال حرارت بیشتری است .
شبکه بندی در نرم افزار ANSYS و در بخش workbench به صورت 3 بعدی انجام شده است . به منظور تولید شبکه سازمان یافته دامنه حل به بخش های مجزا تبدیل شده است. در شکل 3 و4 شبکه بندی برای یک مدل نمونه از لوله مجهز به میله گرداب نشان داده شده است. برای دقت و افزایش صحت نتیجه از مش ترکیبی استفاده شده است.
