بخشی از مقاله
ارزیابی عملکرد لوله هاي U شکل از بعد افزایش نرخ انتقال حرارت و افت فشار جریان جوششی
چکیده
در این تحقیق ، مساله جریان جوشش جابجائی مبرد HFC-134a داخـل لوله هاي U شکل به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفته و اثـرات ناشـی از افزایش انتقال حرارت و افت فشار تحلیل و بررسی می شـود. دسـتگاهی که در این بررسی مورد استفاده قرار میگیرد، یـک سیسـتم کامـل تبریـد تراکمی بخار مجهز به کلیه وسایل اندازه گیـري مـورد نیـاز اسـت. در ایـن مطالعه، داده هاي تجربی براي لوله مستقیم و همچنین لولههـاي U شـکل با پـنج نسـبت خـم متفـاوت 12/62 ،9/71 ،7/27 ،5/16 ، 2R/D= 3/37 جمع آوري می گردد. آنالیز و بررسی نتایج بدست آمده نشان مـی دهـد کـه لوله هاي U شکل باعث افزایش ضریب انتقال حـرارت جوششـی تـا %35 و ازدیاد افت فشار تا %250 نسبت به لوله مستقیم مشابه می شود.
کلمات کلیـدي: ارزیـابی عملکـرد، انتقـال حـرارت، افـت فشـار، جریـان جوششی، لوله هاي U شکل.
مقدمه
امروزه با عنایت به محدودیت منابع انرژي ولزوم صرفه جویی در مصرف آنها، بهینه سازي مصرف انرژي در طراحی و ساخت تبادل گرهاي حرارتی، به ویژه اواپراتورها، از اهمیت ویژه اي برخوردار است.[1-2] این مساله به معنی افزایش انتقال حرارت همراه با کمترین میزان افزایش افت فشار است. موضوع کاربرد انتقال حرارت افزایشی در مبدلهاي حرارتی، به طور جدي دنبال می شود. اگرچه می توان سطوح افزایشی را در تمام مبدلها به کاربرد، ولی باید دید با توجه به اینکه استفاده از آنها باعث افزایش توان مصرفی میشود، آیا این کاربرد به صرفه است یا خیر؟
از طرفی در رابطه با مبرد HFC-134a، پتانسیل تخریب لایه اوزون (ODP) آن صفربوده و به همین دلیل استفاده از آن رو به افزایش است.
بنابراین، پژوهش حاضر بمنظور جمع آوري دادههاي تجـربـی انتقـال حـرارت و افـت فشار در جریان جوششی مبرد HFC-134a داخل لولههاي U شکل و ارزیابی عملکرد آنها از بعد افزایش انتقال حرارت و افت فشار انجام می گیرد.
شرح دستگاه آزمایش
براي انجام آزمایش یک سیستم جوشش درون لولهاي طراحی، ساخته و نصب گردید. در واقع این دستگاه یک سیستم تبرید تراکمی بخار مجهز به کلیه وسایل اندازه گیري مورد نیاز است. نماي شماتیک دستگاه آزمایشگاهی در شکل 1 نشان داده شده است.
اواپراتور مورد آزمایش (تست اواپراتور) شامل یک لوله مسی به قطر داخلی 8/25 mm، قطر خارجی 9/52mm و طول 1100mm میباشد. گرماي مورد نیاز تست اواپراتور توسط هیتر الکتریکی که به طور یکنواخت دور لوله مسی پیچیده شده (شار ثابت) تامین میگردد. مقدار توان مطلوب هیتر الکتریکی توسط یک دیمر صنعتی2 kW تنظیم می شود.
ترمو کوپل هاي استفاده شده از نوع سري T بوده که با دقت 0/1˚C کالیبره شده اند ، فشار سنجها نیز با دقت 2 kPa کالیبره گردیدهاند. براي اندازه گیري افت فشار جریان عبوري از تست اواپراتور، از یک دستگاه اندازه گیري اختلاف فشار که قادر به اندازه گیري اختلاف فشار تا 3 bar بوده و براي0 تا 150 kPa توسط شرکت سازنده کالیبره گردیده است استفاده می شود.
لولههاي U شکل با پنج شعاع خم متفاوت با نسبت هاي خم 12/62، 2R/D= 3/37 ,5/16 ,7/27 ,9/71 مورد بررسی قرار می گیرند. در شکل 2 نمایی شماتیک از یک خم برگشتی U شکل را که در آزمایشات مورد استفاده قرار گرفته نشان میدهد.
جمعأ 126 آزمایش با سه سرعت جرمی متفاوت 55، 77 و 99 kg/m2s براي جریان داخل لوله مستقیم و لولههاي U شکل انجام می شود.
براي محاسبه درجه حرارت اشباع و انتالپیهاي اشباع و سوپرهیت R-134a از مرجع [3] وسایر خواص از جمله ویسکوزیته از مرجع [4] استفاده می گردد.
ضریب انتقال حرارت جوششی درلوله هاي U شکل
بهطور کلی دلایل افزایش انتقال حرارت در لوله هاي U شکل مشخص نمی باشد. اما دو فرضیه را می توان براي افزایش انتقال حرارت با استفاده از لوله هاي U شکل مطرح کرد.
اولاً، در خم U سیال دو فاز وارد یک مسیر دایرهاي میشود که در این مسیر فاز مایع از سیال دو فاز تحت تاثیر نیروي جانب مرکز قرار گرفته و در نتیجه ضخامت فیلم مایع جاري بر روي جداره رو به داخل و جداره رو به خارج لوله نسبت به لوله مستقیم تغییر می نماید. به همین دلیل در این لوله ها، ضرایب انتقال حرارت محلی در طول خم U شکل ماکزیمم خواهد بود. ثانیأ، شکل گیري رژیم جریانی متفاوت با آنچه تاکنون دیده شده است محتمل می باشد به نحوي که این الگوي جدید جریان میزان انتقال حرارت را افزایش دهد.
در شکل هاي 3 تا 5، ضرایب انتقال حرارت بدست آمده براي لوله مستقیم و لوله هاي U شکل بر حسب کیفیت بخار ترسیم شدهاند. هر کدام از این شکلها براي یک سرعت جرمی بخصوص میباشد.
با مشاهده و بررسی این شکلها مشاهده میشود که ضرایب انتقال حرارت با افزایش کیفیت بخار براي همه سرعت هاي جرمی و نسبت هاي خم تا کیفیت حدود 0/8 زیاد می شود علت این امر کیفیت بخار بالا است ، زیرا با افزایش کیفیت بخار ضخامت لایهاي مایع روي دیواره داخلی لوله نازکتر شده و مقاومت حرارتی کمتري و در نتیجه ضریب انتقال حرارت بزرگتري را موجب میشود. از طرفی با افزایش کیفیت بخار به مقادیر بالاتر از حدود 0/8 ضریب انتقال کاهش می یابد، علت این امر نیز، رخ دادن خشک شدگی جزئی روي دیواره لوله است. همچنین میتوان نتیجه گرفت کهعموماً ضریب انتقال حرارت با افزایش سرعت جرمی و ثابت ماندن سایر پارامترها افزایش می یابد.
از طرفی از شکل هاي 3 تا 5 نتیجه می شود که تقریبأ براي کلیه لوله هاي U شکل، همانطوریکه انتظار می رفت ضرایب انتقال حرارت بالاتري نسبت به لوله مستقیم حاصل می گردد.
همچنین از شکلهاي 5-3 مشاهده می شود که در تمامی دبیهاي جرمی، در نسبت خم 5/16 ماکزیمم ضرایب انتقال حرارت حاصل می گردد.
شکل-3 تغییرات ضریب انتقال حرارت با کیفیت بخار براي لوله مستقیم و لولههايU شکل در سرعت جرمی 55 kg/m2s
شکل-4 تغییرات ضریب انتقال حرارت با کیفیت بخار براي لوله مستقیم و لولههايU شکل در سرعت جرمی 77 kg/m2s
شکل-5 تغییرات ضریب انتقال حرارت با کیفیت بخار براي لوله مستقیم و لولههايU شکل در سرعت جرمی 99 kg/m2s
افت فشار در لوله U شکل
به طور کلی خم نقش جداکنندگی فازها را بر عهده دارد. به طور مثال یک خم موجب برخورد حبابها با یکدیگر و تشکیل جریان اسلاگ میشود و یا باعث جدا شدن قطرات مایع از فیلم مایع در جریان حلقوي و تداخل آن در ناحیه بخار میشود. وجود یک انحناء در لوله باعث ایجاد یک جریان ثانویه به شکل یک گردابه دوبل میشود. این گردابه دوبل در راستاي یک قطر لوله به سمت خارج و بر روي سطح لوله به سمت داخل انحناء میباشد. در سرعتهاي ظاهري کم وجود نیروي جاذبه و این واقعیت که سرعت فاز بخار از فاز مایع بیشتر است این الگو را به شدت پیچیده میکند.
افت فشار جریان دو فازي در خم ها نه تنها به وسیله ایجاد جریان ثانویه بلکه با جدایی فاز ها به علت نیروي گریز از مرکز (که مایع به سمت خارجی دیواره متمرکز می شود در حالی که بخار به سوي قسمت داخلی خم جریان می یابد) تحت تاثیر قرار می گیرد. این امر حرکت نسبی بین فازها و در نتیجه افت فشار را افزایش می دهد. همچنین در خروجی خم افت فشار مهمی به وسیله فرایند اختلاط مجدد فازها ایجاد می گردد.
بنابراین انتظار می رود که استفاده از لوله U شکل باعث افزایش میزان افت فشار در اواپراتور شود.
تغییرات گرادیان فشار با کیفیت بخار براي لوله U شکل در شکل هاي 6 الی 8 نشان داده شده است. هر کدام از این شکلها براي یک سرعت جرمی مشخص ترسیم شده اند. اثر شعاع انحناء U از شکلهاي 6 الی 8 قابل بررسی می باشد. از این شکل ها دیده میشود که وجود خم U، افت فشار بالاتري را در مقایسه با جریان لوله مستقیم ایجاد میکند و این میزان با افزایش شعاع انحناء، کاهش می یابد. می توان علت آن را بدین صورت بیان کرد که شعاع انحناء کم ( 2R/D کوچکتر) باعث بوجود آمدن نیروي گریز از مرکز بزرگتري در لوله (F=mV2/R) می گردد که نتیجه آن تشدید در جریان ثانویه و افزایش افت فشار می باشد.
