بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله شبیهسازي پدیده انتقال حرارت در مبدلهاي حرارتی فشرده با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، عملکرد حرارتی مبدلهاي با لولههاي پرهدار - Fin-Tube - از نوع Plate Fin با پرههاي کنگرهاي مورد تحلیل و مقایسه قرار گرفته است.
براي کندانسور کولر خودرو به عنوان یک مبدل فشرده پرمصرف تأثیر حضور پرههاي کنگرهاي در سرعتهاي مختلف هواي ورودي به پره، بررسی شده است. شکل کنگرهاي پرهها با انحراف مسیر جریان هوا، مانع از فرار سریع هوا شده و با جایگزین کردن لایه مرزي ضخیم با چندین لایه مرزي نازکتر، سبب کاهش مقاوت حرارتی و افزایش ضرایب انتقال حرارت میشوند. از آنجائیکه روشهاي تجربی براي تحلیل پدیدههاي سیالاتی-حرارتی و بهبود راندمان مبدلهاي با لوله هاي پره دار نیازمند انجام آزمایشات بسیار هزینهبر و گران قیمت است، لذا در تحقیقات اخیر از دینامیک سیالات محاسباتی به منظور پیشبینی و تحلیل پدیدههاي مذکور استفاده شده است.
بیشتر تحقیقات قبلی، بر روي مدلهاي دو بعدي انجام شده است که در مقایسه با نتایج تجربی از دقت کافی برخوردار نمیباشند. در این تحقیق، مدلهاي سه بعدي مبدلهاي لولههاي پرهدار ساخته شده و پس از المانبندي مناسب، با اعمال شرایطی مشابه شرایط عملکردي کندانسور کولر خودرو، به کمک دینامیک سیالات محاسباتی تحلیل شدهاند. مقایسه نتایج با نتایج تست تجربی انجام شده کاهش چشمگیر خطاهاي تحلیل در مقایسه با تحلیلهاي دو بعدي گذشته را اثبات می کند.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر، با توجه به افزایش میزان تقاضا براي استفاده از مبدلهاي حرارتی کارآمدتر، کوچکتر و ارزانتر توسط صنایع، تحولات بزرگی در فرآیند انتقال حرارت ایجاد شده است. از اینرو مهندسان و طراحان با ارائه راهکاري جدید به نام طراحی و استفاده از مبدل حرارتی فشرده1 توانستهاند که در فرآیند انتقال حرارت سطح بالاتري از واحد حجم ایجاد نمایند. از اینرو با استفاده از مبدلهاي حرارتی فشرده انتقال انرژي بیشتر و مقرون به صرفهتري را نسبت به دیگر انواع مبدلهاي حرارتی میسر ساخته است.
امروزه از مبدلهاي حرارتی فشرده در طیف وسیعی از صنایع همانند صنایع خودروسازي، صنایع هوانوردي و فضانوردي، ساخت تجهیزات برقی و الکترونیکی، خنک کنندهها و غیره استفاده میشود. این امر منجربه آن شده که بهینهسازي2 در طراحی مبدلهاي حرارتی فشرده، از اهمیت ویژهاي برخوردار باشد. این بهینهسازي از طریق استفاده از انواع گوناگون طراحیها و یا انتخاب مواد مناسب، به منظور کاهش هزینه ولی با اثر بخشی بالا حاصل میشود. بهبود عملکرد حرارتی مبدلهاي حرارتی براي افزایش کارآمدي مبدلها و یا افزایش سطح انتقال حرارت به گونهاي است که افت فشار زیادي را ایجاد نمینماید.
از آنجائیکه در مبدلهاي حرارتی فشرده، مقاومت حرارتی غالب، مقاومت سمت هوا میباشد با - توجه به ضریب انتقال حرارت نسبتاً کوچک در سمت هوا - ، مباحث انتقال حرارت در سمت هوا در مبدلهاي حرارتی در صنعت تهویه مطبوع از جایگاه ویژهاي برخوردار است. دونپورت و همکارانش در سال 1983 مطالعاتی در خصوص انتقال حرارت و ضریب اصطکاك در مبدل حرارتی فین - لوله با پرههاي Louvered انجام دادند .[1] گري و وب در سال 1986 روابطی را به منظور پیشبینی ضریب اصطکاك 3 - f - و نیز ضریب کلبورن 4 - j - براي آرایشهاي مستطیلی و مثلثی در مبدلهاي فین - لوله ارائه دادند
آچاچیا و کاول در سال 1988 موضوع انتقال حرارت در مبدل حرارتی با چندین پره را مورد مطالعه قرار داده و عملکرد انتقال حرارتی آن را نسبت به انواع دیگر مبدلهاي حرارتی ارزیابی نمودند. همچنین آنها با انجام یک سري آزمایشات پدیده انتقال حرارت و افت فشار مبدل با لوله صاف و سطوح فیندار صفحهاي پرهدار با استفاده از تجهیزات تست تونل باد تحلیل نمودند
کایانسایان در سال 1994 پدیده انتقال حرارت در مبدلهاي حرارتی فین - لوله را براي چندین آرایش مختلف و براي طیف وسیعی از عدد رینولدز - از100 تا - 30000 مشخص نموده و در محدودههاي عدد رینولدز مشخص شده ، فرآیند انتقال حرارت را مورد بررسی قرار دادند
وانگ و همکارانش در خصوص بررسی پدیده انتقال حرارت و نیز محاسبه افت فشار ایجاد شده در اثر استفاده از مبدل حرارتی فشرده فین - لوله از نوع Plate Fin، آزمایشاتی را انجام و نتایج آنرا در سال 1996 منتشر نمودند .[5] وانگ و همکارانش از یک تونل باد براي انجام آزمایشات خود استفاده نمودند. تمام تجهیزات براي اندازهگیري و ثبت دادهها از قبیل ترموکوپل، فشارسنج، وسایل اندازه گیرنده جریان هوا و ...، در ابتدا صحهگذاري و کالیبره شده و سپس مورد استفاده قرار گرفتند. دماي آب ورودي در لولهها ثابت و برابر 60 درجه سانتیگراد و سرعت جریان هوا براي انجام آزمایشات بین 0/3 تا 6/2 متر بر ثانیه متغیر درنظر گرفته شد. ضریب اصطکاك و ضریب کلبورن بدست آمده در آزمایشات انجام شده در جدول 1 ارائه شده است:
جدول - 1 مقادیر ضریب کلبورن و ضریب اصطکاك فانینگ بر اساس عدد رینولدز در آزمایش وانگ و همکارانش [5]
-2 دینامیک سیالات محاسباتی
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD شاخهاي از دینامیک سیالات است که از آن به طور گستردهاي براي حل، تجزیه و تحلیل مسائلی که شامل جریان سیال و انتقال حرارت و پدیدههاي مرتبط با آن از قبیل واکنشهاي شیمیایی هستند، استفاده میشود. با این حال، هر آنچه که به عنوان خروجی از شبیهسازي CFD بدست میآید،صرفاً تقریبی بوده و به منظور صحهگذاري نتایج میبایست نتایج حاصل را با نتایج تجربی مقایسه نمود.
فضاي محاسبات عددي یا CFD چیزي نیست جزء همان فضاي فیزیکی و واقعی جریان که همان معادلات فیزیکی در فضاي گسسته شدهاند. بنابراین هرچه لزجت سیل بالاتر باشد احتمال رشد ناپایداريهاي موجود در جریان کمتر و پایداري جریان بیشتر تضمین خواهد شد. معادلات اساسی و پایه در تحلیل CFD معادلات ناویر استوکس بوده که براي جریان سیال تک فاز تعریف شده است. این معادلات بعدها با حذف ترم تغییرات ویسکوزیته به معادله اویلر ساده شد.
-1-2 معادلات حاکم بر دینامیک سیالات محاسباتی
-1-1-2 معادلات قوانین بقا
رفتار یک سیال را میتوان از طریق بردار سرعت آن - با اجزاي سرعت در جهات x، y و z یعنی u، v و - w، از طریق فشار سیال p، چگالی ρ، ویسکوزیته μ، ضریب هدایت حرارتی k و دما مشخص نمود. این خواص میتواند با مکان و زمان تغییر یابد. با استفاده از CFD این تغییرات براي اجزاي کوچکی از سیال بر اساس قوانین بقا محاسبه میشوند. این تغییرات میتواند به هنگام عبور سیال از مرزهایی با شرایط متفاوت، اتفاق بیافتد. این روش به روش اویلر معروف است، یعنی ردیابی تغییرات در یک توده ثابت در حالیکه ذرات در حال حرکت میباشند.
