بخشی از مقاله
چکیده:
انتقال حرارت و ضریب اصطکاک برای جریان آب در یک مبدل حرارتی دو لوله ای مورد مطالعه قرار گرفت.شبیه سازی برای دو نسبت متفاوت طول گام به عرض نوار پیچشی - y/w - انجام واثر نوار پیچشی حاوی پین بر روی انتقال حرارت برای جریان آشفته مطالعه شد. شبیه سازی ها در دمای ثابت دیواره لوله صورت گرفت. نرخ انتقال حرارت برای نسبت y/w برابر 3,33 در مقایسه با 5,71 بیشتر بود.همچنین حداکثر میزان خطای شبیه سازی برای عدد ناسلت و ضریب اصطکاک به ترتیب برابر با 19 و 20 درصد بود.
مقدمه:
در صنعت جهت افزایش میزان انتقال حرارت و کاهش هزینه ها نیازمند استفاده از مبدل هایی با اندازه کوچکتر و هزینه عملیاتی کمتر می باشیم. جهت دستیابی به بالاترین میزان انتقال حرارت می توان از روش های مختلفی بهره گرفت. تکنیک های کنترل جریان اکتیو و پسیو یکی از این روش ها می باشند
در تکنیک های کنترل جریان اکتیو، انرژی خارجی برای افزایش میزان انتقال حرارت مورد نیاز است. در حالی که تکنیک های کنترل جریان پسیو به انرژی خارجی برای افزایش انتقال حرارت نیازی ندارند. نوارهای پیچشی، نوارهای پیچشی حاوی پین، سیم های پیچشی، لوله های پیچشی و غیره نمونه هایی از تکنیک های کنترل جریان پسیو می باشند. مبدل های گرمایی نوار پیچشی، به علت ساختار متراکم و بالا بودن ضریب انتقال حرارت، در صنایع مختلفی همچون سیستم های تهویه و بازیابی گرما، صنایع هسته ای، نیروگاه ها، راکتورهای شیمیایی و صنایع غذایی استفاده می شوند.
وجود نوار پیچشی حاوی پین باعث افزایش اغتشاش جریان سیال شده که این امر به تبادل حرارت جابه جایی کمک نموده، ضریب انتقال حرارت افزایش یافته و در نتیجه گرادیان دما کاهش می یابد. همچنین وجود پین ها باعث انتقال بهتر حرارت از قسمت های نزدیک به دیواره به سمت قسمت مرکزی لوله شده که مکانیزم انتقال حرارت هدایتی دیگری عمود بر جریان اصلی بوجود می آید که در مبدلهای حرارتی مرسوم و همچنین انواع مشابه فاقد پین وجود ندارد.استفاده از روش های آزمایشگاهی نیازمند صرف وقت و هزینه بسیار زیادی می باشد؛ در حالی که به کمک روش های شبیه سازی می توان در کوتاهترین زمان ممکن و با کمترین هزینه به نتایج قابل قبولی دست یافت.
در سال های اخیر استفاده از روش های شبیه سازی به خصوص دینامیک سیالات محاسباتی به دلیل توانایی آن در تحلیل سیستم های پیچیده کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف مانند؛ نفت، گاز، پتروشیمی، صنایع غذایی، کشتی سازی و غیره یافته است.گوپته و دیت6 در سال 1989 ضریب اصطکاک و میزان انتقال حرارت را به صورت نیمه تجربی برای جریان هوا در یک لوله آنالوس حاوی نوار پیچشی مورد ارزیابی قرار داده وشبیه سازی نمودند. در سال 2001 ری و دیت7 دو لوله با سطح مقطع دایره ای و مربعی حاوی نوار پیچشی را شبیه سازی و میزان انتقال حرارت را در این دو لوله بررسی کردند. همچنین آنها به معادلاتی برای ضریب اصطکاک و عدد ناسلت دست یافتند. بعلاوه در سال 2003 این دو محقق نشان دادند که در لوله با سطح مقطع مربعی با افزایش عدد پرانتل و استفاده از نسبت پیچش پایین تر کارایی بهبود می یابد سارما و همکارانش8 در سال 2005 یک سری معادله برای پیش بینی مقادیر مربوط به ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت در لوله هایی که با نوار پیچیده تجهیز شده اند، برای محدوده وسیعی از اعداد رینولدز و پرانتل ارائه کردند. توافق خوبی بین داده های آزمایشگاهی و معادلات ارائه شده مشاهده شد.
رحیمی و همکارانش - 2009 - 9 از یک نوار پیچشی جهت بهبود انتقال حرارت استفاده نمودند و به ترتیب 31 و 22 درصد افزایش در عدد ناسلت و عملکرد لوله ناصاف در مقایسه با نمونه کلاسیک مشاهده کردند.در سال 2009 یام سا-آرد10 و همکارانش به بررسی فاکتور کارآیی حرارتی نوار پیچشی در یک لوله مدور پرداختند و مشاهده کردند که این فاکتور با نسبت عرضی نوار پیچشی در ارتباط بوده و بهترین فاکتور کارایی حرارتی در توان ثابت پمپ درحداکثر عرض نوار پیچشی بدست آمد. گوا و همکارانش - 2011 - 11 نیز یک لوله مدور حاوی نوار پیچشی با عرض کمتر که در مرکز قرار نداشت را مورد مطالعه قرار دادند.
نتایج گویای این بود که برای جریان آرام انتقال حرارت جابجایی بهبود می یابد. کومار و همکارانش12 در سال 2012 به بررسی عددی یک مجرای مربعی شیار دار حاوی نوار پیچشی پرداختند و دریافتند که برای سیالات با عدد پرانتل بالا فاصله شیار و نسبت پیچش بایستی بالا بوده و برای سیالات با عدد پرانتل پایین باید فاصله شیار را بالا نگه داشت و نسبت پیچش را کاهش داد. در همین سال زانگ و همکارانش13 چندین نوار پیچشی با فواصل منظم را در یک لوله مدور شبیه سازی کردند.
نتایج موید تئوری بهبود میزان انتقال حرارت جریان اصلی بوده که منجر به جداسازی لایه مرزی سرعت و دما می شود. بنابراین میزان انتقال حرارت در شرایطی که مقاومت جریان به میزان کمی افزایش یابد بطور چشمگیری بهبود می یابد.در سال 2012 یاداو و پادالکار14 به بررسی ضریب انتقال حرارت و افت فشار در یک لوله مدور حاوی نوار پیچشی که در برگیرنده نصف طول لوله بود پرداختند ودریافتند که ضریب انتقال حرارت و افت فشار در مورد این لوله به میزان 9-47 درصد و 31-144 درصد بالاتر از مورد لوله صاف می باشد.
محققین دیگری نیز به بررسی چنین لوله های مدوری حاوی نوارهای پیچشی با طول کوتاه و هم چنین نوار های پیچشی هم اندازه با طول لوله پرداختند درصورتیکه برروی لوله های نوارهای پیچشی حاوی پین مطالعه ای انجام نشده است. در مطالعه حاضر برای دو نسبت متفاوت y/w، 3,33 و 5,71 اثر افزایش پین بر روی عدد ناسلت و ضریب اصطکاک برای 9 سرعت متفاوت جهت هر دو هندسه در محدوده جریان آشفته بررسی شده و نتایج با داده های آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت که بیانگر تطابق خوبی بین داده های بدست آمده از نرم افزار با نتایج ازمایشگاهی بود.
مشخصات مدل و شبکه بندی آن:
شکل : 1 ابعاد نوار پیچشی حاوی پین
مدل مورد نظر یک مبدل حرارتی دو لوله ای بوده، قطر لوله خارجی 50 میلیمتر و قطر لوله داخلی 21 میلیمتر می باشد که بصورت هم مرکز قرار گرفته اند. درون لوله داخلی نوار پیچشی با ضخامت 1,4 میلیمتر، عرض21 میلیمتر و طول 1190 میلیمتر قرار دارد. فاصله هر گام 70 میلیمتر می باشد که حاوی پین هایی استوانه ای شکل به طول 21 میلیمتر و قطر 6 میلیمتر می باشد که با فاصله 30 میلیمتر از یکدیگر قرار گرفته اند.
برای ایجاد مدل و شبکه بندی آن از نرم افزار گمبیت162,4,6 استفاده شد. در این سیستم سه ناحیه تعریف گردید که دو ناحیه آن شامل سیال های ورودی به لوله داخلی و خارجی بوده وناحیه جامد تعریف شده همان نوار پیچشی حاوی پین ها می باشد. برای لوله داخلی از شرط مرزی سرعت ورودی و برای لوله خارجی ورودی فشار در نظر می گیریم. از آنجا که فشار استاتیک در خروجی معلوم است شرط مرزی انتخابی برای خروجی ها فشار خروجی بود. استفاده از این شرط مرزی به جای خروجی جریان موجب تسریع در همگرایی می شود. برای ناحیه جامد از مش سه وجهی نا منتظم با اندازه 0,003 متر که در حدود 33109 شبکه و برای نواحی سیال نیز از مش سه وجهی نا منتظم با اندازه 0,004 مترکه شامل 473782 شبکه بوده است استفاده گردید.
