بخشی از مقاله
چکیده
هدف این تحقیق بررسی خواص انتقال حرارتی و اکسرژی مبدل حرارتی همراه با نوار مارپیچی با نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم به عنوان سیال سرد در غلظت های وزنی متفاوت، تحت شرایط رژیم جریان آرام و متلاطم قابل اندازه گیری می باشد. تاثیرات عدد رینولدز، تراکم نانو ذرات معلق، گام های متفاوت نوار مارپیچی روی خواص حرارتی و آنالیز اکسرژی مورد بررسی قرار گرفته است. براساس نتایج، افزودن نانو ذرات به سیال پایه، موجب افزایش قابل توجهی در خواص انتقال حرارتی آن می شود.
نانو ذرات اکسیدآلومینیوم محلول در آب با درصد های 0/1 و 0/4 درصد وزنی می باشد و نوار مارپیچی استفاده شده، دارای گام های 3 و 5 می باشد. مقایسه رفتار انتقال حرارت و آنالیز اکسرژی نشان می دهد، که مقادیر بهینه به دست آمده در عدد رینولدز5470، در استفاده توام از نانو سیال با غلظت 0/4 درصد وزنی و نوار مارپیچی با گام 3 بوده، که مقادیر اکسرژی هدر رفته، ضریب کلی انتفال حرارت، انتقال حرارت و آنتروپی تولیدی به ترتیب برابر با 24849،1463،1029 و 388 می باشد. به طورکلی راندمان مبدل حرارتی با افزایش هدایت حرارتی سیال و کاهش ضخامت لایه مرزی حرارتی، افزایش می یابد.
-1 مقدمه:
بررسی قانون دوم ترمودینامیک در مبدل های حرارتی دارای نانو ذرات از سابقه طولانی برخوردار نمی باشد. - Das and Roetzel, 2001 - برای اولین بار به بررسی قانون دوم ترمودینامیک برای مبدل های صفحه ای دارای نانو سیال پرداختند. - Can et al, 2001 - به بررسی پارامترهایی پرداختند که نقش اصلی را در کاهش بازدهی اکسرژی مبدل ها دارند. آن ها دریافتند که ایجاد اختلاف دمای زیاد باعث کاهش شدید بازده اکسرژی می گردد.
- San and Jan, 2011 - به بررسی نقش تغییرات هوایی محیط در عملکرد اکسرژیک مبدل حرارتی با جریان متقابل پرداختند. نتیجه ای که از تحقیق آن ها به دست آمد، این بود که تغییرات محیطی نقش چندانی در تغییرات اکسرژی فرایند ندارد.
- Yilmaz et al, 2010 - با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک به بررسی کارایی افزاینده های آشفتگی جریان پرداخته و دریافتند که این افزاینده ها در کنار افزایش اتلاف سبب افزایش بازده نیز می گردند. - Mahmud et al, 2010 - ویژگی های قانون اول و دوم ترمودینامیک جریان آرام توسعه یافته در مبدل حرارتی 2 صفحه ای با فرض اینکه سیال غیر نیوتنی می باشد، مورد بررسی قرار دادند.
- Naphon, 2014 - به بررسی نقش پره ها در افزایش بازده اکسرژیک مبدل های حرارتی در اندازه میکرو پرداخته و دریافتند که با استفاده از پره هایی می توان بازدهی اکسرژیک مبدل ها را تا بیش از %10 افزایش داد.
- Khairul et al, 2014 - مبدل صفحه ای شیاردار شده ای را بررسی کردند که از نانو ذرات آهن به عنوان سیال پایه استفاده می نمود. آن ها دریافتند که با استفاده از نانو سیالات میزان بازدهی اکسرژی تا %24 قابل افزایش می باشد.
- Jaisankar et al, 2009 - ، - Krishna et al, 2009 - به این نتیجه رسیدهاند که افزایش حرارت در نوار مارپیچ طول کامل، بهتر از نوار با فضاهای پر و خالی میباشد؛ کاهش در عملکرد انتقال حرارت در نوارهای مارپیچ با میله پر نسبت به نوارهای مارپیچ با فضای خالی مینیمم میباشد؛ کاهش در فاکتور اصطکاک برای نوارهای مارپیچ با فضای خالی نسبت به نوارهای مارپیچ با میله پر، ماکزیمم میباشد. و افزایش قابل ملاحظهای در بهبود انتقال حرارت در درج نوار مستقیم 2 اینچی فضای خالی وجود ندارد؛ درحالی که - Jaisankar et al, 2009 - اثبات کردهاند که کاهش %17 و %29 انتقال حرارت با نوارهای مارپیچ با میله پر و فضای خالی در مقایسه با نوارهای مارپیچ با طول کامل، وجود دارد.
-2 تئوری:
طرز تهیه نانو سیال، اولین قدم کلیدی در کاربردی کردن این مفهوم برای تغییر راندمان انتقال حرارت می باشد، تهیه نانو سیال را که از طریق افزودن نانو ذرات به سیال پایه صورت می گیرد، نباید مانند یک اختلاط ساده جامد- مایع در نظر گرفت، زیرا تهیه نانو سیال مستلزم ایجاد شرایط خاص و ویژه ای است. برخی از این شرایط خاص عبارتند از یکنواخت بودن سوسپانسیون، پایدار بودن سوسپانسیون و توده ای شدن کم ذرات و عدم تغییر ماهیت شیمیایی سیال، برای رسیدن به چنین خواص ویژه ای از راه کارهای مختلف استفاده می شود. دو نوع روش در حالت کلی برای ساخت نانو سیال وجود دارد: یک مرحله ای و دو مرحله ای، روش یک مرحلهای تهیه نانوسیال به دلایل فنی اغلب کمتر مورد استفاده محققین قرار گرفته است، در عوض در اغلب کارهای تحقیقاتی محققین در گزارشهای خود به استفاده از روش دو مرحلهای جهت تهیه نانو سیال اشاره کردهاند.
علت این مسأله نیز آسانتر بودن فرمولاسیون نانوسیال با نانو پودرهای آماده و خریداری شده است. در روش دو مرحلهای برای تهیه نانو سیال، میتوان از انواع پودرها با اندازه های مختلف به راحتی استفاده کرد مسأله ای که در روش یک مرحلهای با مشکلات بیشتری همراه است. در روش دو مرحلهای، ابتدا نانو ذره مورد نظر تهیه گردیده و سپس به سیال پایه افزوده میگردد؛ به نظر میرسد، این روش با توجه به این که میتوان نانو ذرات را بیشتر و اغلب آسانتر از روش تک مرحلهای تهیه کرد، اقتصادی بوده و برای کاربردهای صنعتی بهتر باشد. نانو ذراتی که به روش دو مرحلهای تهیه میگردند، باید تا حد ممکن پایدار بوده و ذرات پراکنده شده، در سیال تجمع پیدا نکرده و کلوخه و تهنشین نشوند، برای رسیدن به چنین وضعیت پایداری، بایستی مسأله پایدارسازی تعلق نانو ذرات در سیال مورد توجه قرار بگیرد.
.1-2 معادلات
ظرفیت گرمایی و چگالی نانو ذرات اکسید آلومینیوم در کل گستره دمایی بررسی شده ثابت است. از روابط - 1 - و - 2 - برای محاسبه ظرفیت گرمایی و چگالی نانوسیال استفاده شده است، که در آنφ غلظت نانو ذرات و Cpw ، Cp np به ترتیب ظرفیت گرمای ویژه آب و نانو ذره می باشند، همچنین nf ، w ، np به ترتیب چگالی نانو سیال، آب و نانو ذره می باشند:
ویسکوزیته نانوسیال را میتوان با روابط موجود برای مخلوط دو فازی تخمین زد. فرمول انیشتین را برای ارزیابی ویسکوزیته موثر ارائه دادند
