بخشی از مقاله
چکیده:
در علوم مهندسی و صنعت، انتقال حرارت نقش مهمی را ایفا میکند. دو عامل مهم در جهت افزایش انتقال حرارت، نوع هندسه و سیال مورد استفاده می باشد؛ که در این تحقیق به این دو مهم پرداخته شد. نوع هندسه مورد مطالعه در این پژوهش، یک نوع لوله خمیده به - قطر m - 0/0045 می باشد. برای پی بردن به میزان افزایش انتقال حرارت در لوله خمیده مطابق با هندسه مسئله در گام بعدی پژوهش، سیال مورد استفاده جهت افزایش انتقال حرارت، نانو سیال اکسید آلومینا که با افزودن نانو ذره اکسید آلومینا به سیال پایه آب ایجاد میشود در دو غلظت %2 و %2/5 و سه کسر حجمی 40 20 و 50 نانومتر و بررسی قرار گرفت.
در روند حل مسئله، با استفاده از روش دوفازی حجم مخلوط معادلات حاکم از قبیل پیوستگی، مومنتوم و انرژی به صورت سه بعدی در مختصات استوانهای، گسسته سازی شده و با اعمال شرایط مرزی و روش حجم محدود و با استفاده از روش فشار مبنا توسط نرم افزار انسیس فلوئنت حل گردید، و نتایج به دست آمده از ضریب انتقال حرارت، در جریان داخل هندسه مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته شد. که شاهد افزایش انتقال حرارت با استفاده از نانو سیال بودیم، که علت آن به واسطه ایجاد سرعت محوری و سرعت ثانویه و اعمال نیروی سانتریفیوژ در طول مسیر لوله خمیده می باشد، که در نهایت باعث افزایش انتقال حرارت بیشتر در طول لوله می شود. نتایج حاصل از شبیه سازی بیان گر این بود که بیشترین افزایش انتقال حرارت در غلظت حجمی %2/5 رخ می دهد، که در این حالت افزایش انتقال حرارتی %26 نسبت به سیال پایه، را به دنبال داشت.
-1 مقدمه و مبانی نظری:
سیالات سرمایشی و گرمایشی رایج مانند آب، اتیلن گلایکول و روغن که نقشی اساسی را در صنعت ایفا می کنند، بواسطه پایین بودن هدایت پذیری، انتقال حرارت مناسبی ندارند. برخلاف تلاشهای فراوان برای استفاده از سطوح گسترش یافته و میکروکانالها هنوز هم این معضل مرتفع نگریده است. از طرفی چون جامدات هدایت پذیری حرارتی بالایی دارند، بسیاری از محققین تلاش خود را به خواص حرارتی سوسپانسیون های سیال و جامد معطوف نموده اند.
از نظر تاریخی، نظریه اضافه کردن فلزات به سیالات بیش از صد سال قدمت دارد و اولین بار توسط ماکسول [1] در سال 1904 میلادی ارائه شده است، لیکن بعلت استفاده از فلزات با ابعاد بزرگ مشکلاتی همچون ته نشینی، افت فشار، افزایش توان مصرفی پمپ، بسته شدن کانالها، ساییدگی زودرس کانالها و اجزای آنها حادث گردید و این نظریه بصورت کاربردی درنیامد. تا اینکه با پیشرفت علم و خصوصا شاخه نانوتکنولوژی، تولید نانوذرات عملی شد. اصطلاح نانوسیال برای اولین بار توسط چویی [2] در سال 1995 مورد استفاده قرار گرفت.که سیال حاوی نانو ذره را در آزمایشگاه آرگون تولید کرد و آنرا نانو سیال نامید بعد از وی نیز محققین زیادی شروع به مطالعه و پژوهش در این امر نمودند.
نانوسیالات کلوئیدهای مهندسی متشکل از سیال پایه و نانوذرات هستند. سیال پایه می تواند هر سیالی باشد، اما بطور معمول از سیالات صنعتی مثل آب، اتیلن گلایکول و روغن استفاده می شود. نانوذرات، که بواسطه اندازه کوچک خود دارای ذرات با قطر کمتر از 100nm نسبت سطح به حجم کوچک، جرم کم و اینرسی پایین هستند که بترتیب باعث نرخهای بالاتر انتقال حرارت و جرم، پایداری کلوئیدی بیشتر و سایش کمتر می شود. نانوسیالات بواسطه خواص انتقال حرارتی خود، مورد مطالعه قرار می گیرند. آنها هدایت پذیری حرارتی، انتقال حرارت جابجایی و شار گرمایی بحرانی را افزایش می دهند. هدایت پذیری حرارتی در حدود%15 تا %40 و ضریب انتقال حرارت جابجایی تا %40 نسبت به سیال پایه می تواند افزایش یابد.[3]
اکبری و همکاران [4] در لوله صاف به شبیه سازی عددی انتقال حرارت با جریان آرام پرداختند. نانو سیال مختلط از آب و Al2O3 را با مدل تک فازی و سه مدل دو فازی - حجم سیال، حجم مخلوط و اویلری - را مورد مقایسه قرار دادند. معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی، پایا، تراکم ناپذیر و سه بعدی با استفاده از روش حجم کنترلی برای جریان آرام در یک لوله افقی با شار حرارتی یکنواخت به صورت عددی حل شده است.
در این مقایسه نشان دادندکه مدل تک فاز و مدل های دو فازی مورد مطالعه در زمینه های هیدرو دینامیک تقریبا یکسان هستند اما در زمینه انتقال حرارت دچار اختلاف زیادی هستند. نتایج بدست آمده توسط سه مدل دوفازی تقریبا برابر هستنداما مشکل در دست بررسی انتقال حرارت نزدیک تر مدل های دو فازی به داده ها ی تجربی نسبت به مدل تک فازی است.با این حال مدل های دوفازی با افزایش کسر حجمی آلومینا ضریب انتقال حرارت همرفتی بیشتری نشان داد.
نتایج حاصله از دو عدد رینولدز 1050و1600 و سه درصد نانو ذرات کمتر از %2 بدست امده است. در این تحقیق به مدلسازی مسائل انتقال حرارت نانوسیالات پرداخته شده است، بدین صورت که در ابتدا مدل دوفازی بروش حجم مخلوط مورد بررسی قرار می گیرد بطور کلی دو روش متفاوت برای مدلسازی و بررسی افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی در نانوسیالات وجود دارد، اولین مدل روش مدل سازی تک فازی می باشد که در این روش سیال پایه با نانو ذرات بصورت یک فاز همگن در نظر گرفته می شود و دومین مدل که تحقیق حاضر با این روش مدل شده روش دوفازی حجم مخلوط است که در این مدل سیال پایه و نانو ذرات به صورت غیر همکن مدلسازی می شود.
شکل 1 شماتیک لوله خمیده
با توجه به مزایای زیاد مبدلهای حرارتی لوله مارپیچ مخروطی و مطالعات اندک انجام شده بر روی انتقال حرارت در لوله های خمیده، دراین مطالعه سعی شده است به عملکرد لوله های خمیده با مقطع دایره پرداخته شود.در این مطالعه با استفاده از تغییر قطر نانو ذرات و تغییر غلظت نانو ذرات اکسید آلومینا به بررسی میزان انتقال حرارت در لوله خمیده پرداخته شده است.
-2 روش ومراحل تحقیق:
در این مطالعه برای بدست آوردن الگوی جریان آرام ومشخصات انتقال حرارت در لوله خمیده با استفاده از روش دوفازی مخلوط معادلات جرم مومنتم و انرژی تحلیل می شود. هندسه مدل: در شکل 1 هندسه مسئله ومقطع جریان نشان داده شده است. در شکل 2 لوله خمیده توسط نرم افزار انسیس ترسیم شده است. بخشی از شبکه ایجاد شده در دیواره لوله خمیده در شکل3 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 :
هندسه مورد مطالعه، با اعمال شرایط مرزی و با روش دینامیک سیالات محاسباتی [5] و روش دوفازی حجم مخلوط حل میشود. جهت گسسته سازی معادلات از روش مرتبه دوم و از الگوریتم SIMPLE استفاده شده است. سرعت ورودی 0/3m/s و با فشار ثابت 1 اتمسفر انتخاب شده است که جریان آرام مد نظر مسئله حاصل گردد. در ابتدا لوله خمیده با قطر 0/0045m با استفاده از سیال آب مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج میزان انتقال حرارت جابجایی آن استخراج گردید. سپس نانو سیال آلومینا اضافه گردید و هندسه مورد مطالعه شبیه سازی گردید. نتایج حاکی از آن بود که در لوله خمیده با افزایش نانو سیال افزایش قابل ملاحظه انتقال حرارت مشاهده گردید .
بعد از آن با تغییر قطر نانو ذرات 20 ، 40 و 50 نانومتر و تغییر غلظت 2 و %2/5 بهینه ترین حالت برای انتقال حرارت مشخص شد. دوار بودن لوله، جریان ثانویهای با حرکت چرخشی تولید میکند که باعث میشود ذرات سیال به سمت ناحیهی مرکزی لوله حرکت کنند. جریان ثانویه با کاهش گرادیان دما در مقطع عرضی لوله، نرخ انتقال حرارت را افزایش میدهد شبیه سازی جریان وانتقال حرارت با استفاده از نرم افزار تجاری انسیس15 انجام شد. وشرایط مرزی و محاسبات با یک دستگاه pc -core i7 شد. شرط همگرائی 10-4 در نظر گرفته شد تا جوابهای قابل قبول تری از محاسبات بدست آیند.
