بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقایسه عملکرد حرارتی یک ترموسیفون دوفازی بسته در اثر استفاده از نانوسیال های اکسید فلزی
1 – مقدمه
ترموسیفون دو فازیی بسته یا لوله گرمایی بدون فتیله متشکل از یک ظرف استوانه ایی که طور معمول شامل سه بخش تبخیرکننده، آدیاباتیک و کند انسور است. حرارت ورودی به بخش تبخیر کننده ترموسیفون موجب حوششں و تبخیر سیالعامل مهیب شود، سپسں بخار با از دست دادن گرمایی نهان خود در بخش چگالنده به صورت یک فیلم مایع تحت تاثیر نیروک گرانش به بخش تبخیرکننده باز ميگردد. از آنجایی که گرمایک نهان تبخیر سیال مقدار بالایی می باشد، مقادیر زیادیک حرارت با حداقل اختلاف دما بین دو سر لوله انتقال مییابد. در عمل هدایت حرارتی موثر ترموسیفون ها ۲۰۰ الی ۵۰۰ برابر مس که یک فلز با قابلیت حرارتی بالا می باشد است .
روش هایک زیادک به منظور بهبود هدایت حرارتی سیالات مورد بررسی قرار گرفته است. انواع مختلف جامدات فلزیک و غیر فلزی را می توان به منظور افزایدش هدایت حرارتی سیاللات به آنها اضافه کرد. این ایده برای اولین بار توسط ماکسول [۲] در ۱۰۰ سال قبل مطرح گردید، اما به علت سایز بزرگ و دانسیته بالاک ذرات مورد استفاده، مشکل ته نشینی ذرات و افزایش مقاومت در برابر جریان و ساییدگی احتمالی مجراها یک جریان را به همراه داشت. به همین علت این نوع سوسپانسیونها چندان مورد توجه قرار نگرفتند. با پیشرفت تکنولوژک و ظهور نانوفناوری که امکان ساخت ذراتی با ابعاد کوچکتر از ۵۰ نانومتر فراهم گردید. سیالاتی که در آنها ذرات با سایز نانو متر سوسپانسں شده اندرا اصطلاحانانو سیالات می گویند که اولین بار توسط چویی [۳] از آزمایشگاه مرکزیک آرگونی ایالات متحده مطرح شد.
یکی از روشی های موثر در بهبود عملکرد حرارتی یک ترموسیفون دوفازی بسته استفاده از نانوسیال در سیستم به عنوان محیط انتقال حرارت می باشد. شانگ و همکاران نشان دادند که عملکرد حرارتی یک لوله گرمایی در صورت استفاده از نانوسیال نقره به جا یک سیال خالص به مراتب افزایش پیدا میکند. تسا و همکاران [5] اثر مشخصات ساختاریک نانوذرات را بر عملکرد حرارتی یک لوله گرمایی مورد مطالعه قرار دادند. آنها تاکید کردند که مقاومت حرارتی لوله گرمایی که از نانو سیال استفاده می کند، کمتر از حالتی است که از آب خالص به عنوان سیال عامل استفاده می شود. ناقون و همکاران [6] از نانوسیال به عنوان سیال عامل در یک لوله گرمایی استفاده نمودند. نتایج تجربی آنها از افزایش ۶۰ درصدک در راندمان سیستم تنها در اثر استفاده از 0.1 % از نانو ذرات در سسیال پایه حکایت داشت. پارماتتانوات و همکاران [V] افزایش تقریبی 20٪ در عملکرد حرارتی یک ترموسیفون دوفازی بسته در اثر استفاده از نانو سیال نقره/آب نسبت به آب خالص را گزارش کرده اند۔
در این مطالعه، از نانو سیال های اکسید آلومینیوم/آب و اکسید مسی/آب به عنوان یک محیط انتقال حرارت جدید در داخل یک ترموسیفون دوفازی بسته استفاده می شود و هدف مقایسه عملکرد حرارتی سیستم وقتیکه از نانوسیال های اکسید فلزی و یا آب خالص به عنوان سیال عامل استفاده می شود، می باشد.
2- شرح دستگاه و روش ازمایش ها
شماتیک سیستم مورد استفاده در این پژوهشی به منظور مطالعه عملکرد حرارتی یک ترموسیفون دو فازی بسته در شکل (۱) نشان دادہ شدہ است. قسمت اصلی سیستم بر ترموسیفون دوفازی بسته یک لوله مسی به طول ۱۰۰۰ میلیمتر و با قطر داخلی و ضخامت بترتیب ۲۰ و ۱ میلیمتر می باشد. در این پژوهش گرمایش لوله توسط یک گرمکن الکتریکی با توان اسمی ۱۰۰۰ وات و سرمایش آن بوسیله غلاف که به طور هم محور با بخش چگالنده است انجامر می شود. از سوسپانسیون نانوذرات اکسید آلومینیومر و اکسید مس (که خواص فیزیکی آنها در جدول (۱) نشان داده شده است) در آب، در این آزمایشها استفاده شدهاست. نانوسیالاها در کسرها یک حجمی ۱، ۲ و ۳ درصد تهیه شده اند.
توسط آمپر سنج و ولت متری که در مدار قرار گرفته است، میتوان توان ورودی به بخش تبخیر کنندہ را حساب کرد:
کل اتلاف حرارتی ناشی از تشعشع و جابجایی آزاد سیستم می باشد:
نرخ انتقال حرارت از طریق تشعشع و جابجایی آزاد به ترتیب توسط روابط (3) و (4) حساب می شوند:
چرچیل و همکاران [۸] رابطه یک را برای محاسبه ضریب انتقال حرارت در حالت جابجایی آزاد پیشنهاد کردند:
بعد از انجام محاسبات مشخص شد که کل حرارت اتلافی از سیستم تقریبا معادل 2.49 درصد از توانا ورودی باء بخشں تبخیر کنندہ است۔ دمایک قسمت هایک مختلف سطح ترموسیفون توسط V ترموکوبل اندازه گیری می شود. همچنین از دو دماسنج با دقت بالا براک اندازه گیرک دمایک آب ورودی و خروجی از چگالنده استفاده می شود. تمام ترموکوبلها به یک دستگاه ثبت کننده دادهها متصل هستند که امکان مشاهده دادهها را بر روک مونیتور فراهم میاورد. از دو ترمومتر دیجیتالی با دقت ۰/۱°C به منظور اندازه گیریک دمایک آب ورودی و خروجی از چگالنده استفاده می شود.
۳- تابع تجربی و تحت آهنگ گرمای منتقل شده توسط بخش چگالنده به آب داخل غلاف از رابطه (6) بدست می آید.
راندمان سیستم به صورت نسبت توان خروجی از بخش چگالنده به توان ورودی به بخشی تبخیر کنندہ تعریف می شود:
۱-۳ - اثر غلظت نانو سیال
در شکل (۲) براک توان هایک مختلف ورودی به بخش تبخیر کننده (۱۹۵/۲ - ۶۸/۶ وات) و در غلظت های مختلف نانوسیال اکسید آلومینیوم/آب و اکسید مسی/آب راندمان سیستم در نسبت پرشدن 45٪ نشان داده شده است. زمانی که سیستم ترموسیفون دوفازی بسته با نانوسیال شارژ می شود، راندمان سیستم نسبت به حالتی که از آب خالص به عنوان سیال عامل استفاده می شود افزایش مییابد. به طورک که ۱ % از نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید مس در آب در توان ورودی 97.1 وات، میتواند راندمان سیستم را از 75.1 به ترتیب به با 81.56 و 79.4 درصد برساند. برایک فر دو نانوسیال با افزایش غلظت توانایی سیستمبر در انتقال حرارت نیز افزایش می۔ یابد، اما این افزایش در راندمان سیستم شکل منظمی ندارد، یعنی در توان های پایین تر آهنگ افزایش راندمان سریعتر می باشد و در توان های بالاتر این آهنگ رشد به مراتب کندتر است. در توانها یک ورودی بیش از 146.2 وات تغییر قابل ملاحظه یک در راندمان سیستم ملاحظه نمی - شود. بیشترین افزایش در راندمان سیستم در صورت استفاده از نانو سیال به جاک آب در غلظت 3% حجمی از نانوسیال اتفاق می افتد، این افزایش در راندمان برا نانوسیال اکسید مسی/آب در توان ورود 48.4 وات، به میزان 13.4 درصد و براک نانو سیال اکسید آلومینیوم/آب در توان ورودی 97.1 وات، به میزان 14.7درصد میباشد.
2-3 اثر نسبت پر شدن
در شکل (۳) اثر نسبت پرشدن بر روی راندمان سیستم، در غلظتعاک مختلف از دو نانو - سیال نسبت به آب خالص نشان داده شده است. مشاهده می شود با افزایش نسبت پرشدن از ۱۵ تا ۳۵ % راندمان سیستم افزایش مییابد، ولی در نسبت هایک پرشدن بیشتر از ۳۵% شاهد کاهش تدریجی راندمان سیستم هستیم. در نسبت هایک پرشدن بالاتر صداها و لرزش هایک شدیدک در سیستم به وجود می آید که در مراجع علمی به آن اصطلاحا جوشش نوسانی گفته شده است. از این رو براک ایمنی بیشتر، آزمایشی در نسبت های پرشدن بیشتر از 45% انجام نگرفت. برایک هر دو نانوسیال حداکثر راندمان در غلظت حجمی ۳ درصد و در نسبت پرشدن ۳۵٪ حاصل می شود. در صورت استفاده از نانوسیال اکسید آلومینیوم/آب به جاک آب خالص حداکثر افزایش در راندمان سیستم در نسبت پرشدن 15% و به میزان ۱۹/۳۸ درصد و در صورت استفاده از نانوسیال اکسید مس/آب به جاک آب خالص در نسبت پرشدن 23% و به میزان 16.7 درصد صورت می پذیرد، حداکثر راندمان قابل حصول در سیستم با استفادہ از نانوسیال اکسید مسی/آب، ۹۱/۵ و با استفاده از نانو سیال اکسید آلومینیوم/آب، 94.4 می باشد.
۳-۳- توزیع دما در سطح خارجحتی ترموسیفون دوفازی بسته
اختلاف دما بین بخش تبخیرکننده و چگالنده یک سیستم ترموسیفون دوفازی بسته بیان - کننده عملکرد حرارتی آن می باشد. هر چه این اختلاف کمتر باشد به این معنی است حرارت از بخش تبخیر کننده با افت کمتری به بخش چگالنده منتقل شده و در نتیجه راندمان سیستم بهتر می باشد. شکل (4) توزیع دما در نسبت پرشدن 45% و توان ورودی ۱۹۵/۲ وات در غلظت های مختلف حجمی از نانوسیال ها را نشان می دهد. اختلاف دما بین دو سر سیستم در صورت استفاده از نانوسیال به جاک آب خالص کمتر میکی باشد که همین نکته موید بهبود راندمان سیستم در صورت استفاده از نانوسیال می باشد. با افزایش غلظت نانوسیال این اختلاف کمتر شده و در نتیجاء عملکرد حرارتی سیستمبر مطلوبتر می گردد۔
در تمام آزمایشات صورت گرفته استفاده از نانوسیال ها به عنوان سیال عامل به جایک سیال خالص منجر به بهبود عملکرد حرارتی ترموسیفون دوفازی بسته گردید. می توان علت این افزایش راندمان در سیستم را به صورت زیر خلاصه کرد:
