بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد نانو سيالات در طراحي گرمايي مبدل حرارتي فشرده
چکيده :
مبدل هاي حرارتي فشرده به طور وسيعي در کاربردهاي مختلف سيستم هاي گرمايش سيال شامل سيستم هاي حرارتي اتوموبيل به کار مي روند. رادياتورها براي سيستم هاي خنک سازي موتور، تبخيرکننده ها وکندانسورها ،خنک کننـده هـاي داخلـ و٠٠٠ نمونه هاي واقعي هستند که مي توانند در تجهيزات اساسي يافت شوند. پيشرفت هاي جديد علمي خنک کننـده هـاي گرمـايي جديدي را به وجود آورده که نانو سيالات يکي از آنهاست . اين سيالات نسبت به خنک کننده هاي قراردادي مثـل ( آب ، اتـيلن گلايکول ، نفت موتور و...) خصوصيات گرمايي بيشتري را بدليل حضور ذرات معلق به ابعاد نانو مانند ... را ارائـه مي دهند. در اين مقاله يک تجزيه وتحليل تئوري و با روش نرخ با استفاده از ترکيب نانوسيال بـه عنـوان خنک کننده روي مبدل هاي حرارتي لوله هاي پره دار اتوموبيل انجام مي شود و خصوصيات مختلف به صورت ترسيمي نمـايش داده مي شود.
١- مقدمه
عملکرد گرمايي رادياتور اتوموبيل نقش مهمي را در عمکرد سيستم سردسازي اتوموبيل ها و ديگر سيستم هاي مرتبط دارد. مبدل هاي خنک کننده هوا که در رادياتورها و کندانسورها و تبخير کننده ها يافت مي شود نقش مهمي در وزن آن و همچنين طراحي تعادلي جلو و عقب آن دارد همچنين تاثير آنها در رفتار ديناميکي اتوموبيل غير قابل انکار است . براي بهبود انتقال گرما از يک سطح بطور معمول عوامل اغتشاش و عناصر زبر را به سطح اعمال مي کنند فرضا نوعي از سطوح افزايش انتقال گرما که به تازگي کاربرد زيادي پيدا کردند داراي پره هاي ساده , موجي و سوراخدار هستند[١].
در سال هاي اخير رشد و افزايش توجه منجر به مطالعه مفهوم جديد مبدل حرارتي شده است بطوري که محققين يک راه حل مناسب از لحاظ ابعاد و بازده براي کاربرد هاي صنعتي در مقايسه با نوع قديمي آنها ارائه کرده اند مبدل هاي حرارتي فشرده به طور معمول با آرايش جريان عمود بر هم طراحي مي شوند که بر حسب نسبت سطح تبادل بر واحد حجم توصيف مي شود[٣].
٢- مروري بر کارهاي گذشته
Ganga و همکارانش يک روش عددي را بر مبناي روش NTU-... که شامل يک رادياتور ديزلي نوع
معرفي کرند و خصوصيات رادياتور را براي مواد سازنده لوله و پره هاي مختلف ارائه دادند[٤].
E.carluccio آناليز عددي رادياتور نفت - هوا را که از آلياژ آلومينيوم و مورد استفاده CFD است را معرفي کرد و با داده هاي تجربي مقايسه کرد[٥].
A.witry et.al عملکرد گرمايي صفحه آلومينيومي رادياتورهاي مورد استفاده CFD را معرفي کرد و دريافت که سطوح انتقال حرارت بالا ، افت فشار کمتر ، اندازه کوچکتر و کاهش سرعت جريان ماده خنک کننده را به دليل برخورد و خوردگي صفحات را داراست [٦].
J.mahmodi آناليز هاي تجزيه و تحليل هاي تئوري و تجربي را روي مس انجام داد او مدل D CFD٢ را توسعه داده و متوجه شد که پارامترهاي ورودي و خروجي در طراحي رادياتور مهم هستند[٧].
C.oliet و همکارانش يک مدل عددي را ارائه داند آنها اطلاعات کاملي را بر اساس مطالعه پارامتري در طراحي تشعشعي ارائه دادند[٨].در رادياتورها که اجزاي اصلي در کنترل دماي موتور اتومبيل ها هستند يک مايع که عمدتا مخلوط آب و گلايکول است وجود دارد که توسط هوا خنک مي شود . وقتي هوا در مجرا (کانال ها) جريان مي يابد توسط سطوح پره شروع بکار مي کند و مايع در لوله ها جريان مي يابد با پيشرفت هاي اخير ، نانو تکنولوژي کاربرد گسترده اي به دليل وجود مواد با اندازه هاي نانو که خصوصيات گرمايي ، الکتريکي و نوري منحصر به فردي را دارا هستند داشته است .
اخيرا ذرات نانو در انتقال حرارت جابجايي سيالاتي مانند آب ، اتيلن گليکول و روغن موتور بکار مي روند که موجب ايجاد يک گروه جديد از سيالات مبدل گرما با بازده بالا شده که با نام نانو سيالات شناخته مي شوند[٩].
Vasu ارتباطات ترموفيزيکي را با محاسبه ضريب هدايت گرمايي ، ويسکوزيته و عدد ناسلت در جريان آرام و متلاطم نانوسيالات مختلف مانند را توسعه داده و متوجه شد که اين سيالات خصوصيات گرمايي بالاتري نسبت به خنک کننده هاي سابق دارند[١٠- ١١].
در اين مقاله تجزيه و تحليل عددي با روش با استفاده ازنانو سيالات به عنوان خنک کننده هاي رادياتور فشرده اتوموبيل انجام شده و خصوصيات رادياتورهاي مختلف نشان داده مي شود.
٣- هندسه مبدل حرارتي فشرده
سومين همايش بين المللي مبدل هاي گرمايي - ١٨ و ١٩ آبان ١٣٩٠ - تهران
مبدل حرارتي فشرده از چهار بخش اصلي تشکيل شده مخزن ورودي ماده خنک کننده ، مخزن خروجي ، کلاهک فشرده و هسته اصلي مخزن ماده خنک کننده که يا در بالا و يا در پايين هسته قرار داده مي شود. جريان ماده خنک کننده را معمولا تحت فشار قرار مي دهند تا با استفاده از کلاهک فشار نقطه جوش ماده خنک کننده افزايش يابد تا قابل استفاده در دماهاي بالاتر عملياتي باشد. اجزاي ديگر، پره ها و لوله هاي خنک کننده هستند لوله هاي مسطح بيشتر براي کاربردهاي اتوموبيل مورد استفاده قرار مي گيرد دليل اصلي آن هم کشش پروفايل بالا در مقايسه با لوله هاي مدور است .
جهت ماده خنک کننده و هوا برهم عمود هستند (شکل -١) بنابراين نرخ دفع حرارت وقتي مقاومت جريان کاهش ميابد، افزايش پيدا مي کند. به دليل پارامترهاي عددي زياد , روش NTU-... مي تواند براي آناليز بسيار مفيد باشد.
ماده خنک کننده
٤- فرمل بندي مسائل
نصب رادياتور با وجود موتور ديزلي نوع و مبدل حرارتي فشرده با جريان متقاطع بـا سـيالات غيـر قابـل اختلاط در (شکل -١ ) که شامل ٦٤٤ لوله ساخته شده از آلياژ برنج و ٣٤٦ پره هاي پيوسته ساخته شده از جـنس مـس مـي باشد بررسي شده است .شرايط عملياتي فاکتورهاي مهندسي در جدول (١و٢) آمده است [٤].
٥- معادلات مورد استفاده در محاسبات
Ha ضريب انتقال گرما و جهت به سمت هوا [٤] :
بازده پره را ميتوانيم از روابط زيرمحاسبه کنيم :
براي محاسبه بازده موثر پره ميتوانيم از روابط زير استفاده کنيم :
افت فشار براي سمت سطح پره :
ضريب اصطکاک f را از فرمول زير بدست مي آيد :
نرخ ظرفيت حرارتي هوا :
٥-١- معادلات مورد استفاده زمانيکه نانو سيال به عنوان خنک کننده مطرح شود
ضريب انتقال حرارت نانو سيال در جريان متلاطم به صورت زير نشان داده مي شود[٩] :
براي از داده هاي تجربي با انحراف استاندارد %٦.٤ و انحراف ميانگين %٠.٥ ( شکل - ٢ ) حاصل مي شود[١٢] .
شکل ٢- مقايسه Nu از طريق رابطه و داده هاي تجربي
