بخشی از مقاله
چکیده
سرماساز ضربانی یک کرایوکولر است که با ایجاد فشار نوسانی جهت دستیابی به دماهای کرایوجنیک به کار گرفته میشود. در مقاله پیشرو قصد داریم تاثیر شرایط مرزی مختلف شامل بار حرارتی ثابت و بیدررو را در مبدل حرارتی انتهای سرد سرماساز ضربانی با لوله اینرسی بررسی کنیم. جهت مدل کردن و شبیهسازی سرماساز از نرمافزارهای شبیهساز گمبیت و فلوئنت کمک گرفته شده است. در یک انتهای سرماساز از یک کمپرسور جهت ایجاد نوسانات فشار در یک فرکانس ثابت، استفاده شده است. دیوارههای کمپرسور بیدررو فرض شدهاند و گاز ایدهآل مورد استفاده هلیم میباشد.
برای تعریف سرعت نوسانی در ناحیه کمپرسور از توابع نوشته شده دستی با زبان برنامهنویسی C و برای نمایش تراکم و انبساط در آن از شبکهبندی دینامیکی استفاده شده است. مدل به کار گرفته شده یک مدل دو بعدی متقارن است که ابعاد آن بر پایه مدلهای تجربی موجود انتخاب شده است. نتایج حاصل از بررسی جریان و انتقال حرارت در هر دو حالت بررسی شده و ملاحظه میشود که چگونه سرماساز با دیواره بیدررو در قسمت مبدل حرارتی سرد به دمای پایینتری دست خواهد یافت. جهت بررسی صحت نتایج از نتایج پژوهشهای تجربی پیشین، که مدلسازی بر اساس ابعاد آنها صورت گرفته، استفاده شده است.
-1 مقدمه
کرایوجنیک 1شاخهای از علم است که به مطالعه دماهای بسیار پایین، شامل بررسی نحوه دستیابی به این دماها و نیز رفتار مواد در چنین دماهایی میپردازد. انستیتو ملی استانداردها و تکنولوژی2 در بولدر کلورادو3 دماهای زیر - 150C یا F -238 یا 123 K را به عنوان معیاری برای تعریف دماهای کرایوجنیک برگزیده است.[1] اجزای اصلی سرماساز لولهضربانی با لولهاینرسی عبارتند از: پیستون، کمپرسور، خط انتقال4، مبدل حرارتی پس خنککن5، مبدل بازیاب حرارتی6، مبدلهای حرارتی انتهای سرد و گرم7، لولهضربانی8، لوله اینرسی9 و مخزن ذخیره.10 در کمپرسور امواج فشاری که مورد نیاز سرماساز است تامین میگردد.
وظیفه مبدل حرارتی پس خنککن دفع گرما از گاز به محیط اطراف پس از تراکم و پیش از ورود به ریژنراتور است. مبدل بازیاب حرارتی وظیفه جذب گرما از گاز ورودی به لوله ضربانی و بدین ترتیب پیشسرد کردن آن در مرحله رفت که گاز متراکم از آن عبور میکند و از سوی دیگر بازگرداندن گرما و پیشگرم کردن گاز ورودی به کمپرسور در مرحله برگشت را بر عهده دارد. مبدل حرارتی انتهای سرد معادل اواپراتور در یخچالهای تراکمی بخار میباشد که در محل تقاطع مبدل بازیاب حرارتی و لوله ضربانی قرار میگیرد. در این قسمت بار سرمایی جذب سیستم میشود و همانند بخش مبدل حرارتی پسخنککن به صورت یک شبکه متخلخل مدل شدهاست.
[1] توان سرمایشی سیستم به دلیل جریان آنتالپی در طول لوله ضربانی میباشد که خود مستقیما به اختلاف فاز بین دبی جرمی و فشار گاز بستگی دارد. جهت این جریان از سر سرد لوله ضربانی به سر گرم آن میباشد. مبدل حرارتی انتهای گرم محلی است که گاز حرارت ناشی از تراکم را باز میگرداند. در این بخش به محض دریافت جریان آنتالپی از لوله ضربانی بار حرارتی به محیط اطراف انتقال داده می شود. نقش لوله اینرسی تنظیم اختلاف فاز بین جریان جرمی و فشار است. با کنترل قطر و طول لولهورودی میتوان به اختلاف فاز مطلوب بین دبی جرمی و فشار دست یافت که این امر در بهبود عملکرد سیستم سرماساز نقش مهمی ایفا میکند.
ساندهاس برای نخستین بار در سال 1850 توانست مشاهدهکند که اگر یک انتهای بسته لوله گرم و انتهای باز آن سرد باشد در اثر گرادیان دمایی ایجاد شده در آن، نوسانات فشار ایجاد خواهد شد.[3] در سال 1992، وانگ فرایند عملکرد سرماساز لوله ضربانی را بوسیله یک شبیهسازی عددی مورد تحلیل و بررسی قرار داد.[4] در سال 1997 وی تاثیر پارامترهای مختلفی نظیر وجود داشتن دو ورودی، افزایش دبی جرمی در انتهای سرد لولهضربانی و موارد دیگری را بر روی عملکرد دستگاه مورد تحلیل و بررسی قرارداد4]،.[5 در سال 2003 لینگ و همکارانش به کمک روش عددی خود به بهبود هندسه دستگاه پرداخته و اثر هندسه را بر توان سرمایشی مورد مطالعه قرار دادند.[6]
در سال 2009 نیز بانجاره به کمک همکارانش برای سرماسازهای اریفیسدار و سرماسازهای با دو ورودی نوع استرلینگ یک مدلسازی ارائه کردهاست و نشانداد که چگونه در فرکانسهای بالا ورتکسهای ایجاد شده سبب کاهش عملکرد میشوند8]،.[7 در سال 1387 طاهری به مدلسازی تجربی دستگاه سرماساز لوله ضربانی تک مرحلهای پرداخت و برای طولهای متفاوت در لوله ضربانی اثر اغتشاشات را در نظرگرفت.[10]
وی نخست به شبیهسازی تجربی این سرماساز تحت شرایط مرزی مختلف برای مبدل حرارتی سرد پرداخت، سپس نشان داد که برای حالت دماثابت چگونه الگوی چرخشی مربوط به پروفیل سرعت، سبب کاهش کارآیی سیستم میشود. هدف این مقاله بررسی نتایج حاصل از شبیهسازی عددی سرماساز لولهضربانی با لولهاینرسی تحت شرایط مرزی بیدررو و شار حرارتی ثابت در مبدل حرارتی انتهای سرد است.
بدین منظور از نرمافزارهای شبیهساز گمبیت1 و فلوئنت2 استفاده شده شده است. در این پژوهش جهت نشان دادن انبساط و انقباض مربوط به شبکهبندی صورت گرفته در بخش کمپرسور، از شبکهبندی دینامیکی و برای تعریف شرط مرزی مربوط به حرکت نوسانی پیستون از توابع3 نوشته شده دستی استفاده شده است، بدین صورت که تابع ورودی مربوط به معادله نوسانی سرعت در دیوارهی بالایی کمپرسور، با زبان برنامهنویسی C نوشته شده و توسط نرم افزار فراخوانده میشود. ابعاد مدل بر پایه پژوهشهای تجربی که در گذشته صورت گرفتهاند بوده و نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با نتایج آزمایشات تجربی پیشین سنجیده شده است.
-1-1 مدل سازی سرماساز لولهضربانی با لوله اینرسی
لوله اینرسی یک لوله دراز و باریک است که به منظور تنظیم اختلاف فاز بین جریان جرمی و فشار استفاده میشود. جهت مدلسازی یک مدل دو بعدی با تقارن محوری مطابق شکل - - 1 به کار گرفته میشود. اجزای این مدل به ترتیب از چپ به راست عبارتند از:
-1 کمپرسور پیستونی دو جهته
-2 خط انتقال دهنده
-3 مبدل حرارتی پسخنککن
-4 مبدل بازیاب حرارتی
-5 مبدل حرارتی انتهای سرد
-6 لوله ضربانی
-7 مبدل حرارتی انتهای گرم
-8 لوله اینرسی
-9 مخزن ذخیره ساز
