بخشی از مقاله
چکیده :
به کارگیری روش های عددی در تحلیل فرایندهای صنعتی، موضوع بسیاری از مطالعات مححقان در دهه های اخیر بوده است. بررسی انتقال حرارت و جرم در یک برج خنک با جریان هوای طبیعی موضوع پژوهش حاضر می باشد. تحلیل جریان هوا به کمک دیدگاه اویلر و تحلیل جریان قطرات آب با بکارگیری دیدگاه لاگرانژ در یک هندسه سه بعدی انجام می گیرد. حل معادلات ناویراستوکس به همراه مدل توربولانس k- جهت آنالیز جریان پیوسته هوا استفاده شده است. مدلسازی حرکت قطرات در ناحیه پکینگ، از طریق کنترل سرعت ذرات در این ناحیه صورت می گیرد بدین صورت که سرعت قطرات در این ناحیه، به گونه ای تنظیم می شود که در نهایت انتقال حرارت بدست آمده با نتایج تجربی همخوانی داشته باشد. پس از بدست آمدن سرعت مذکور، تاثیرات عواملی مانند قطر ذرات، دبی و دمای آب گردشی، ارتفاع نازل ها و نوع قرارگیری آنها بر تقرب دما و دامنه خنک کنندگی بررسی می شود. در نهایت خواهیم دید که قطر قطره های خروجی از نازل و رطوبت هوای محیط اثر عمده ای بر پارامترهای مذکور داشته باشد برج خواهد داشت. همچنین نتایج، تاثیر مطلوب جهت گیری پاشش نازل ها به سمت بالا را نشان می دهند.
کلمات کلیدی : برج خنک کن، گردش جریان طبیعی، حل عددی, دینامیک سیالات محاسباتی، جریان دوفاز
-1 مقدمه
امروزه افزایش جمعیت و به طبع آن افزایش فعالیت های کشاورزی، تجاری و صنعتی، میزان تقاضا را برای مصرف آب و برق افزایش داده است. برج های خنک کن یکی از سیستم های موجود در صنعت هستند که سهم زیادی در این میزان دارند. نوع خاصی از این برج ها که استفاده از آن در مناطقی با منابع کم آب و انرژی رایج است برج های خنک کن با سیستم گردشی آب و جریان طبیعی هواست. این نوع برج های را به اختصار برج خنک کن طبیعی می نامند. مطابق شکل 1، برای خنک سازی آب، آن را به نازل هایی در بالای برج پمپاژ می کنند که پس از خروج از نازل ها از سه منطقه اسپریٌ، پکینگٍ و بارشَ عبور می کند. در اثر انتقال جرم وحرارت آب گرم با هوا و در نتیجه آن کاهش چگالی هوای منطقه ی بالای برج، جریان هوا بصورت طبیعی از پایین برج به سمت بالای آن حرکت می کند.
در طراحی یک برج خنک کن، هدف رسیدن به کمترین تقربُ - اختلاف بین دمای آب گردشی ورودی و دمای حباب تر هوا - و بیشترین دامنه خنک کنندگیِ - اختلاف بین دمای ورودی و خروجی آب گردشی - است. در بهترین حالت که یک حالت حدی است این دو پارامتر با هم برابر خواهند شد.شبیه سازی این سیستم به کمک حل همزمان و تحلیل معادلات جرم، ممنتوم و پیوستگی در سرتاسر برج، امری مشکل به نظر می رسد. همچنین استفاده مدل های مقیاسی کوچک نیز به دلیل دوفازی بودن جریان، امری تقریبا غیر ممکن است. اما این مشکلات، برای روش های عددی عامل محدود کننده ای به شمار نمی آیند.
برهمین اساس، توجه محققین زیادی به سمت استفاده از شیوه های عددی در حل معادلات انتقال حرارت، جرم و ممنتوم به منظور تحلیل برج های خنک کن جلب شده است. .[5-1] اساس مدلسازی در این مراجع، توسعه تئوری Merkel جهت به کارگیری در شرایط مختلف برج های خنک کن بود.به منظور بررسی انتقال حرارت و جرم در تبخیر قطرات خروجی از نازل و فیلم مایع روی پکینگ ها، مطالعات متعددی صورت گرفته است که از جمله آن ها می توان به کار فیسنکو و همکاران 6] و [7 اشاره کرد. آن ها نتایج حاصل از حل معادلات اویلر-لاگرانژ را با نتایج تجربی مقایسه کردند و نشان دادند که قطر قطرات آب تاثیر مستقیمی بر شار حرارتی دارد.
همچنین تاثیر پارامترهای دیگر ازجمله تاثیرات هوای محیط، نسبت آب گردشی به هوا، و دمای آب گردشی نیز بررسی شد.تحقیقات صورت گرفته در [10-8] از جمله مطالعات دیگری است که در زمینه بررسی ضرایب انتقال حرارت صورت گرفته است. در این پژوهش ها، کایسر و همکاران مدل های ریاضی جهت بررسی انتقال حرارت در برج های خنک کن ارائه دادند.Majumda و چندین محقق دیگر در [16-11] انتقال حرارت و جرم را در برج های خنک کن به کمک روش های عددی بررسی کرده اند. آن ها تاثیرات متقابل فاز هوا و آب را به کمک افزودن یک ترم منبعّ - که از کارهای آزمایشگاهی قبلی حاصل شده بود - به معادلات ممنتوم، انرژی و انتقال جرم اعمال کردند.
هر چند این بررسی ها با خطای زیادی همراه بود ولی برخی جزئیات را در مورد نواحی مختلف برج نشان داد.تحلیل یک نمونه برج خنک کن با گردش هوای طبیعی با استفاده از روش های عددی موضوع مورد تحقیق در مقاله حاضر است. در این آنالیز، هوای مرطوب بعنوان فاز پیوسته و قطرات آب بصورت فاز ذراتْ در نظر گرفته شده، و تاثیر متقابل این دو فاز بر هم بصورت ترم منبع در معادلات ظاهر گردیده است. جهت انجام عملیات مربوط به پردازش و پس پردازش، نرم افزار فلوئنتَ مورد استفاده قرارگرفته است. در ادامه ابتدا به معادلات حاکم بر فازهای پیوسته و ذرات پرداخته شده، سپس روش محاسبه خواص و شرایط مرزی برای هر دو فاز توضیح داده خواهد شد.
-2 معادلات حاکم
با توجه به اینکه کسر حجمی ذرات کمتر از 3 درصد است دیدگاه اویلر- لاگرانژ برای تحلیل جریان بکار گرفته شده است. در این دیدگاه، جریان به دو فاز پیوسته و مجزا تقسیم می شود که در اینجا فاز پیوسته هوای مرطوب و فاز مجزا قطرات آب خروجی از نازل است. بر همین اساس, به منظور محاسبه کمیت های مجهول شامل سرعت، فشار ودما، معادلات ممنتوم، انرژی و جرم برای هر دوفاز به صورت جداگانه بررسی شده و تاثیر این دوفاز برهم در هریک از معادلات فوق به صورت ترم منبع بیان گردیده است.
-1-2 معادلات حاکم بر فاز هوا
در این پژوهش، هوای مرطوب بعنوان فاز پیوسته در نظر گرفته شده است. به منظور محاسبه میدان سرعت، فشار و دما در این فاز، معادلات ممنتوم و پیوستگی و معادلات اضافی از جمله توربولانس حل می گردد.
