بخشی از مقاله
چکیده
لولههای میکروفین دار یکی از وسایل معروف برای بهبود سرمایش بهمنظور چگالش و تبخیر کردن میباشند. مبدلهای میکروفین دار دارای کاربردهای زیادی مانند سردکننده توربینهای گازی، بدنه هواپیما و همچنین در زمینه بیوشیمی میباشند.
در این پژوهش، اثر پارامترهای هندسی لوله میکروفین دار بر روی انتقال حرارت جابه جایی اجباری و نیز افت فشار در جریان آشفته آب در محدوده عدد رینولدز 12000 تا 60000 به وسیله روشهای عددی مورد بررسی قرار گرفته است.
بهمنظور صحت سنجی روش حل و نیز شبکه ایجاد شده، ابتدا جریان درون یک لوله صاف بدون وجود میکروفین بررسی خواهد شد و نتایج حاصل از این شبیه سازی با روابط موجود در کتب مرجع انتقال حرارت مقایسه خواهد شد. همچنین در انتها نیز نتایج شبیهسازی با نتایج پژوهشهای تجربی مشابه مقایسه شده اند. نتایج شبیه سازی نشان داد استفاده از میکروفینها موجب افزایش عدد ناسلت بین 7 درصد تا 107 درصد نیز افزایش ضریب اصطکاک بین 48 درصد تا 220 درصد خواهد شد.
-1 مقدمه
امروزه در صنعت سرمایش و گرمایش، مبادله کننده های حرارت نقش مهمی ایفا میکنند. با توجه به بحران انرژی و مسائل زیستمحیطی، استفاده از تجهیزات اقتصادیتر و سازگارتر با محیط زیست بهعنوان یکی از موضوعات مهم علم انتقال گرما تبدیل گشته است. افزایش انتقال حرارت یکی از فاکتورهای مهم در به دست آوردن بازده انرژی و بهبود آن در کاربردهای سرد کردن در یخچالها و تهویه هوا میباشد.
افزایش مساحت سطح انتقال حرارت جابجایی یکی از بهترین و رایج ترین روشهای افزایش انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی است. این سطح هر چه بیشتر باشد، مقدار انتقال حرارت بیشتر میشود.عموماً در مواردی که مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی یک سمت مبدل حرارتی کم باشد، با نصب یک سری صفحات فلزی که آنها را پره و یا فین مینامند، مساحت سطح تبادل حرارت آن سمت را افزایش میدهند.
فین عبارت است از پرههای بسیار نازک از جنس آلومینیوم، مس، برنج، کربن استیل، گالوانیزه و یا استیل ضدزنگ که بر روی لولههای انتقال حرارت مونتاژ میگردد. فین باعث ازدیاد سطح تبادل شده و سرعت انتقال را افزایش میدهد. اما نوع دیگری از لولههای فین دار وجود دارند که به منظور افزایش انتقال حرارت سطح درونی لوله را زیاد میکند. لولههای میکروفین دارد که در صنعت از آنها استفاده میشوند از جنس مس هستند.
سلن و همکاران افت فشار و ضریب اصطکاک در لوله صاف و میکروفین دار را بهصورت آزمایشگاهی مطالعه کرد . دستگاه آزمایش شامل یک مبدل دو لولهای بود که آب گرم در لوله درونی و آب خنککننده در لوله بیرونی جریان داشت. با جمعآوری اطلاعات آزمایشگاهی نتیجه گرفته شد که افت فشار درون لولههای میکروفین دار با عدد رینولدز تغییر میکند اما رابطه بلازیوس قدیمی برای پیشبینی ضریب اصطکاک جوابگو نیست. به همین دلیل آنها بر اساس اطلاعات آزمایشگاهی رابطه جدیدی ارائه کردند که بتواند ضریب اصطکاک را هم در لولههای میکروفین دار و هم در لولههای صاف پیشبینی کند.
درخشان و اخوان افت فشار و ضریب اصطکاک را برای جریان نانوسیال کربن نانوتیوب در لوله میکروفین دار و بدون میکروفین بررسی کردند. لوله تحت شرط دیواره با شار حرارتی ثابت قرار داشت و سیال پایه روغن و درصدهای جرمی %0/05، %0/1 و %0/2 نانوسیال کربن نانوتیوب درون لوله صاف و لوله میکروفین دار مورد آزمایش قرار گرفت
نتایج آنها نشان میداد با افزایش زاویه میکروفین ها از 0 تا 90 افت فشار زیاد شده و همچنین با افزایش عدد گراشف نیز افت فشار بیشتر میشود. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که اثر افزودن کربن نانوتیوب به سیال پایه در تأثیر قابلتوجهی در میزان افت فشار و ضریب اصطکاک ندارد. آنها اظهار کردند که با در نظر گرفتن میزان افزایش افت فشار، بهکارگیری نانوسیال در لوله صاف در عدد ریچاردسون بالا راهی مؤثر برای کاربردهای صنعتی است. آنها یک رابطه تجربی برای برآورد ضریب اصطکاک پیشنهاد دادند.
وو و همکاران انتقال حرارت را هندسههای مختلف لوله میکروفین دار مورد بررسی قرار دادند .[3] نتایج آنها نشان میداد که مدل ارائه شده توسط آنها قابلیت پیشبینی %90 از دادهها را با خطای در حدود %30 را به همراه دارد.
اسلام و میارا با استفاده از نرمافزار فلوئنت رفتار جریانی تک فاز و نیز مشخصههای انتقال حرارت درون لوله میکروفین دار را مورد پژوهش قرار دادند .[4] آنها از روش k- برای شبیه سازی جریان آشفته در این لولهها استفاده کردند. نتایج شبیهسازی عددی نشان داد که با مشاهده خطوط جریان در مقطع عرضی لوله مشخص می شود که میکروفین ها در لوله چهار جریان دایرهای شکل در گوشههای لوله ایجاد میکنند بهطوری که جریان در ناحیه مرکزی لوله متراکمتر است. همچنین آنها اظهار داشتند که پیچیدگی جریان اطراف میکروفین ها به ضریب اصطکاک لوله بستگی دارد و این رفتار جریانی در مقطع عرضی نقش مهمی در افزایش انتقال حرارت ایفا میکند.
آگرا و همکاران افزایش انتقال حرارت و افت فشار در لوله صاف و دو لوله میکروفین دار مختلف که در پژوهشهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گرفتند را بهصورت عددی مورد بررسی قرار دادند . [5] آنها ابتدا با استفاده از نرمافزار گمبیت به رسم هندسه و ایجاد شبکهبندی مناسب پرداختند و در مرحله بعد با استفاده از نرمافزار فلوئنت با رعایت کلیه شرایط مرزی حاکم بر شرایط آزمایشگاهی شبیهسازی عددی جریانی و حرارتی را انجام دادند. نتایج بهدستآمده از شبیهسازی عددی برای ضریب اصطکاک علاوه بر رابطه بلازیوس، با روابط ارائه شده در پژوهشهای آزمایشگاهی مقایسه شد و نشان داده شد که حداکثر اختلاف نتایج عددی با روابط ارائهشده آزمایشگاهی حداکثر %5 و حداکثر اختلاف با رابطه بلازیوس حداکثر %10 میباشد.
با مطالعه پژوهش های انجام شده روی لولههای میکروفین دار مشخص میشود که علیرغم وجود فعالیتهای آزمایشگاهی و عددی مختلف انجام شده روی این موضوع، نتایج مختلف و بعضاً متناقض بهدستآمده است و در مورد تأثیر حضور لولههای میکروفین دار در انتقال حرارت و افت فشار نتیجهگیری یکسانی وجود ندارد. از سوی دیگر به دلیل اینکه پارامترهای هندسی میکروفین بر انتقال حرارت و میزان افت فشار تأثیرگذار است، خلأ وجود یک مطالعه که به بررسی تأثیر متغیرهای هندسی بر انتقال حرارت و افت فشار بپردازد، احساس میشد.
در این مطالعه، ابتدا شبیه سازی جریانی و حرارتی درون لوله صاف و نیز نمونه های مختلف لوله میکروفین دار انجام خواهد شد. تفاوت این لوله ها در تعداد میکروفین، ارتفاع آن ها، زاویه پیچش و زاویه راس فین ها خواهد بود ضمن اینکه دما و دبی جریان ورودی و دمای دیواره نیز تغییر خواهد کرد.
-2 معادلات حاکم
از آنجا که سیال درون لوله های میکروفین دار آب می باشد می توان از معادلات حاکم برای جریان تراکم ناپذیر استفاده کرد. جهت تعیین اینکه نوع جریان آب درون لوله میکروفین دار و اطراف فین ها جریان آرام و یا آشفته است از عدد رینولدز استفاده میشود. عدد رینولدز نشان دهنده نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای ویسکوزیتی میباشد و یک عدد بدون بعد میباشد. عدد رینولدز از رابطه - 1 - محاسبه میشود.
که v سرعت خطی سیال، D قطر لوله، چگالی سیال، ویسکوزیته دینامیکی و ویسکوزیته جنبشی سیال
است. اگر عدد رینولدز محاسبه شده کمتر از 2300 باشد جریان آرام و در غیر این صورت جریان آشفته میباشد. با توجه به هندسه لوله و سرعت جریان، مقدار عدد رینولدز در محدوده 12000 تا 60000 میباشد که با توجه به مطالب بیانشده، جریان درون لوله میکروفین دار آشفته میباشد.
در جریان آشفته نمیتوان یک رابطه کلی بین میدان تنش و میدان سرعت متوسط ایجاد کرد. برای تحلیل جریان آشفته روش های مختلفی ارائه شده است که یکی از این روشها بیان معادلات بر اساس مقادیر متوسط زمانی است. در این روش مؤلفه های سرعت، دما و فشار به شکل مجموع دو جمله متوسط و نوسانی بیان میشوند.
