بخشی از مقاله
چکیده
جریان عبوری از کانال های موازی که بیشتر در مبدل های حرارتی فشرده استفاده می شوند به علت کوچک و فشرده بودن اندازه و حجم این نوع مبدل ها معمولا از انواع جریان آرام می باشد . وجود جریان آرام در کانال های موازی به علت سرعت کم آن موجب کاهش انتقال حرارت و کمی ضریب انتقال حرارت در این نوع کانالها می گردد . برای افزایش انتقال حرارت می توان از سطوح گسترده در بدنه کانال استفاده کرد ،که در مطالعه حاضر ما تاثیر ایجاد موج های نیم استوانه ای در دو نوع پیکربندی متقارن و غیر متقارن را مورد بررسی قرار داده ایم . سیال مورد مطالعه ما ، هوا با عدد پرانتل ْ/ً Pr = و جریان سیال ، آرام و عدد رینولدز بر اساس قطر هیدرودینامیکی قرار دارد و مطالعات بر اساس روش حجم محدود با استفاده از الگوریتم Simple و با استفاده از نرم افزار تجاری FLUENT حل شده اند .
مقدمه
بررسی و آزمایشات بسیاری برای توسعه افزایش میزان انتقال حرارت در مبدل های حرارتی فشرده در جریان های آرام انجام پذیرفته است که هدف این مطالعات تعمیم نحوه ایجاد گسیختگی در لایه مرزی تشکیل شده در سطوح انتقال حرارت و جایگزینی سیال مرکز کانال با سیال کنار دیواره در نتیجه ایجاد لایه مرزی حرارتی جدید که موجب افزایش گرادیان دمایی نزدیک دیواره می شود بوده است . اما باید توجه داشت که این تغییرات در لایه حرارتی بوسیله ایجاد سطوح گسترده علاوه بر افزایش نرخ انتقال حرارت موجب ایجاد افت اصطکاکی بیشتری نسبت به کانال های صاف می کند که این به نفع ما نیست .
در نتیجه ایجاد سطوح گسترده در کانال ها نیازمند بررسی میزان مزایا و معایب آن دارد . سطوح موج دار1 از جمله وسایلی هستند که به طور متناوب با گسیختن لایه مرزی حرارتی و هیدرولیکی موجب افزایش انتقال حرارت و میزان دبی جرمی عبوری در رژیم آرام می گردد .در این شبیه سازی عددی ما به بررسی تاثیر موج های - - Pr /7 در 5H 1000 2500 خواهیم پرداخت. در این حل عددی خواص سیال ثابت ، حالت پایدار و جری استوانه ای در کانال ها بر روی عملکرد حرارتی و هیدرولیکی آنها در حالت دو بعدی کانال برای هوا 0 - ان کاملا توسعه یافته است
.مجموعه روابط پارامتری میان شکل هندسی موج ها ، تاثیر فاصله موج ها ، دامنه موج ها ، تراکم موج ها بر روی عملکرد حرارتی و رفتار هیدرولیکی سیال قابل بررسی هستند . همچنین مسیر اصلی جریان سیال ، ساختار گردابه های تشکیل شده جریان ثانویه حاصل از حفرا ها باید مورد مطالعه قرار گرفته و تاثیر آنها بر روی انتقال حرارت و افت قشار بررسی شود و یا کانال های صاف مقایسه گردد .
افزایش انتقال حرارت
در سال های اخیر با توجه به افزایش روز افزون استفاده از مبدل های حرارتی در صنعت بهینه سازی ، افزایش میزان انتقال حرارت ، کاستن هزینه های ساخت و همچنین فشرده و کم حجم نمودن مبدل های حرارتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است و آزمایشهای تجربی و مطالعات عددی فراوانی برای بررسی تاثیر پارامتر های مختلف مؤثر در افزایش نرخ انتقال حرارت در مبدل های حرارتی انجام گرفته است . به طور کلی از دو طریق می توان افزایش میزان انتقال حرارت را در مبدل های حرارتی مورد بررسی قرار داد : افزایش میزان انتقال حرارت از طریق افزایش سطوح مؤثر در انتقال حرارت ؛ نظیر نصب پره ها یا سایر سطوح گسترده ؛ افزایش میزان انتقال حرارت از طریق اصلاح و بهینه سازی مشخصه های جریان سیال در نزدیکی سطوح انتقال حرارت ؛
از جمله مواردی که باعث بهینه سازی عملیات انتقال حرارت در مبدل های حرارتی می شوند می توان به موارد ذیل اشاره نمود :
کاهش اندازه مبدل های حرارتی برای شار انتقال حرارت ثابت ؛
بالا بردن ظرفیت مبدل حرارتی موجود ؛
افزایش اختلاف دمای سیال های عامل موجود در عملیات انتقال حرارت ؛
کاهش قدرت پمپاژ سیال برای شار انتقال حرارت ثابت ؛
این ضوابط معمولا اساس ارزیابی افزایش میزان انتقال حرارت در یک کاربرد معین هستند .
امروزه دو گروه عمده از تکنیک های افزایش انتقا ل حرارت که در دنیا شناخته شده اند تکنیک های فعال1 و غیر فعال هستند . تکنیک های غیر فعال با استفاده از سطوح هندسی ویژه و یا افزودنی های خاص در مسیر سیال باعث افزایش انتقال حرارت می شوند. برای مثال : افزودن پره به سطوح ، ایجاد نا همواری در سطوح و یا استفاده از وسایل خاص در مسیر سیال جهت ایجاد جریان چرخش سیال از جمله تکنیک های غیر فعال هستند .
تکنیکهای فعال نیازمند استفاده از منابع قدرت خارجی هستند همانند منابع ایجاد میدان های الکتریکی و یا منابع ایجاد ارتعاش در سطوح است . این در حالی است که استفاده از روش های فعال به علت پر هزینه بودن و مشکلات ساخت، طرفداران بسیار کمی را در خصوص مطالعات و آزمایشات جلب می کند ، بر خلاف آن افزایش انتقال حرارت از طریق تکنیک های غیر فعال به علت استفاده از سطوح هندسی مختلف بسیار مورد توجه قرار گرفته است . سطوح افزایشی یا سطوح گسترده به طور نا محدودی در تکنیک های غیر فعال برای افزایش انتقال حرارت در مبدل های حرارتی استفاده می شوند ، از جمله این صفحات گسترده یا پره ها می توان به پره های مسطح 1 ، پره های روزنه دار 2، پره های نواری خمیده 3، پره های سوراخ دار4، و پره های چین دار 5 یا پره های موج دار6 اشاره نمود .
از طرف دیگر برخی از این سطوح علاوه بر اینکه از طریق افزایش سطح موجب بالا رفتن انتقال حرارت می شوند می توانند از طریق تغییرات در میدان سیال موجب بهبود ضریب انتقال حرارت شوند . از جمله این سطوح که باعث تغییرات در میدان سیال می شوند پره های نواری خمیده و پره های روزنه دار و پره های موج دار هستند . از بین این سطوح ، سطح های موج دار به خاطر سادگی ساخت و همچنین قابل کاربرد بودن هم در مبدل های tube-fin و هم در مبدل های plate-fin به طور ویژه ای مورد توجه هستند .
کانال های موج دار از بر آمدگی های کنار هم که در روی سطوح انتقال حرارت واقع شده اند تشکیل شده و در این نوع کانال ها مسیر جریان اصلی موازی برآمدگی ها است اما مسیر جریان محلی در داخل برآمدگی ها همیشه تغییر می کند . لایه مرزی حرارتی تشکیل شده در نواحی برآمدگی در فواصل معینی به صورت متناوب توسط الگوی جریان قطع شده و دوباره شروع می شود .
در اعداد رینولدز پایین جریان سیال آرام و الگوی جریان قابل پیش بینی است . در رینولدز های بالا بسته به نوع و شکل هندسی موج ها جریان جدایی و گردابه ها در مسیر اصلی جریان تشکیل می گردند که تاثیر محسوسی بر روی میدان دما دارند و موجب افزایش انتقال حرارت و افزایش میزان افت فشار در مقایسه با کانال های صاف می شوند که افزایش افت فشار موجب محدودیت در طراحی این نوع کانال ها می شود . بنابر این در کانال های موج دار افزایش میزان انتقال حرارت تحت تاثیر ایجاد موج های داخلی تا زمانی قابل قبول و مقرون به صرفه است که موجب حداقل میزان افت فشار گردد
