بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
بسم الله الرحمن الرحیم
اسلاید 2 :
عنوان سمینار : استفاده از تحريك لايه مرزي جهت بهبود فرايند خنك كاري پره هاي توربين
اسلاید 3 :
امروزه در بسیاری از کاربرد های صنعتی به دلیل محدودیت فضا و هزینه نیاز به افزایش ضریب انتقال حرارت با استفاده از روش های مختلف احساس می شود ، وبهبود فرآیند خنک کاری پره های توربین یکی از اساسی ترین نیازهای صنعتی است .افزایش و یا کاهش آهنگ انتقال گرما از روی سطوح جامد از مسائل مورد توجه محققین علوم مهندسی در زمینه انرژی است.
مقدمه :
اسلاید 4 :
در نتیجه تحقیقاتی که در این مورد انجام گرفته و از آنجا که پره های ردیف اول و دوم توربین گازی نیاز به سرد شدن و انتقال حرارت شدید دارند به منظور افزایش عمر پره های توربین تلاش شده که با استفاده از تحریک لایه مرزی سیال عامل ، در خنک کاری پره های توربین میزان انتقال حرارت افزایش داده شود.
اسلاید 5 :
ايجاد محرك در داخل لايه مرزي، سبب مي شود كه در اثر برخورد جريان با آنها، الگوي جريان عوض شده و پايداري لايه مرزي تغيير كند .
شكل وموقعيت مانع براي تغيير در روند تحريك لايه مرزي بسيار با اهميت تلقي مي شود .
جريان سيال خنك كاري در طول پره توربين را مثل جريان در روي يك صفحه تخت در نظر میگیریم ، كه با قرار دادن موانع مختلف در مسير جريان سيال خنك كاري و
تحريك لايه مرزي قصد افزايش
ميزان انتقال حرارت را داريم.
اسلاید 6 :
عوامل موثر بر ضریب انتقال حرارت
سرعت جريان
لزجت سيال
سطح مقطع تماس جريان با جدار جامد
در ميان اين عوامل مي توان لزجت سيال را به عنوان عاملي موثر بر کاهش ضریب انتقال حرارت به دلیل کاهش سرعت سیال در مجاورت سطوح جامد و شکل گیری لایه مرزی نام برد .به طوریکه مکانیزم انتقال حرارت در لایه چسبیده به دیوار بصورت انتقال حرارت هدايت بوده كه اين سبب كاهش شديد انتقال حرارت مي باشد، اين لايه نقش يك لايه مقاوم در برابر انتقال حرارت جابجايي اجباري را ايفا مي كند.
اسلاید 7 :
با تغيير الگوي جريان درون لايه مرزي و تغيير در ميدان سرعت مي توان ضريب انتقال حرارت را افزايش داد.
خطوط جریان در اطراف مانع بهینه با هدف افزایش در انتقال حرارت و گردابه تشکیل شده در اطراف مانع
اسلاید 8 :
اساس تحريك لايه مرزي بهره گيري از پديد ههاي مختلف سيالاتي نظير نقطة سكون، گردابه، جدايش لايه مرزي، ايجاد جت سيال درون لايه مرزي مي باشد. با استفاده از اين پديد ه ها الگوي جريان درون لايه مرزي به هم خورده و ضخامت لايه مرزي تغيير مي كند. يك روش عمده براي ايجاد اين اثر، قرار دادن موانع خارجي درون لايه مرزي و يا ايجاد برجستگيها وفرورفتگي ها مختلف بر روي خود سطح صفحه مي باشد.
براي بررسي اثر تحريكي مانع، يك مانع مثلثي به قاعده a ، ارتفاع b و به فاصله h از صفحه تخت و یک مانع مربعی در کناره دیواره مورد بررسی قرار گرفته است .
(هندسه مورد استفاده براي بررسي تاثير قرارگيري مانع مثلثي
در كنارديواره بر ضريب انتقال حرارت صفحه )
اساس تحریک لایه مرزی
اسلاید 9 :
( هندسه مورد استفاده براي بررسي تاثير قرارگيري مانع مربعي
در كنارديواره بر ضريب انتقال حرارت صفحه )
با توجه به موانع موجود در لایه مرز ی در دو ناحیه نیاز به شبکه بندی ریز داریم : یکی در کنار صفحه تخت و دیگری در محل قرار گیری مانع . بنابراین در جهت طول (xها ) از ابتدای میدان ، شبکه بندی درشت انتخاب شده است و با یک ضریب انقباض مناسب تا قبل از محل قرار گیری مانع ریز میشود .
در محل قرار گیری مانع شبکه بندی ریز و یکنواخت انتخاب شده است و بعد از محل مانع نیز شبکه بندی با ضریب انبساط مناسبی تا انتهای صفحه درشت شده است .
اسلاید 10 :
(نمايي نزديك از شبكه بندي مورد استفاده براي مانع مثلثي)
نمايي نزديك از شبكه بندي مورد استفاده براي مانع مربعي
اسلاید 11 :
بررسي نتايج مربوط به مانع مربعي : بررسي ها نشان مي دهد كه عبور جريان از مانعي كه داخل لايه مرزي قرار مي گيرد ( موانع نزديك سطح )، موجب ايجاد گردابه بعد از مانع، جت در زير مانع (نزديك ديواره )، نقطه سكون در پيشاني (محل برخورد با مانع ) و منطقه بازگشت درپشت مانع و در فاصله دورتر مي گردد .
اين عوامل تاثير قابل ملاحظه اي بر ميزان انتقال حرارت دارند . وجود جت در زير مانع باعث از بين رفتن روند رشد لايه مرزي شده و جريان با سرعت بيشتري در كنار ديواره به حركت در مي آيد . به عبارت دیگر حركت جت لايه مرزي را شستشو مي دهد كه در اثر اين عامل ضريب انتقال حرارت به شدت افزايش مي يابد.
مقايسه ضرايب انتقال حرارت بر روي صفحه تخت در جريان آشفته براي مانع مستطيلي با ابعاد 8*8 در فواصل عمودي مختلف D از سطح صفحه
اسلاید 12 :
نمودار نشان مي دهد كه با افزايش فاصله مانع از سطح صفحه، كه به نظر مي رسد ناشي از كم شدن شدت جت باشد، مقدار ضریب انتقال حرارت کاهش یافته است .
نتايج نشان مي دهد متوسط ضريب انتقال حرارت در طول 1 تا 1/7 متر روي صفحه تخت با قرار گرفتن مانعي به ابعا د 8*8 میلیمتر و به فاصله 2 میلیمتر از سطح صفحه 17/48 درصد افزایش می یابد. در صورتی که اگر همین مانع در فاصله 4 و 8 و16 میلیمتری قرار گیرد به ترتیب 15/94 و 7/5 و 2/3 درصد افزایش ضریب انتقال حرارت خواهیم داشت .
جهت بررسي طول مانع و اثر آن بر ضريب انتقال حرار ت، مانعی در فاصله 4 میلیمتری از سطح صفحه قرار داده شده و با تغییر طول مانع a به اعداد 8 و 12 و 16 و 24 میلیمتر نتایج تغییر ضریب انتقال حرارت را به دست می آوریم .(ارتفاع ثابت)
نتایج نشان میدهد که با افزایش طول
مانع مقدار ضریب انتقال حرارت کاهش
می یابد
h=1/a
اسلاید 13 :
مقايسه ضريب انتقال حرارت صفحه بدون مانع با حالتهايي كه مانع بر روي صفحه قرار گرفته است نشان مي دهد كه ميزان تغييرات ارتفاع مانع به طول مانع در موقعيتي يكسان تاثيربيشتري بر افزايش ضريب انتقال حرارت دارد، مثلا در مانع های 8*12 و 12*8 ميليمتر متوسط ضريب انتقال حرارت به ترتیب 20/5 و 12/1 درصد افزایش داشته است.
نمودار ضريب انتقال حرارت صفحه تحريك شده و صفحه تحريك نشده براي مانع مربعي مشاهده مي شود.
اسلاید 14 :
در تمام نمودارهاي مربوط به ضريب انتقال حرارت منحني تغييرات ضريب انتقال حرارت قبل از رسيدن به مانع به سمت كاهش و پس از مانع بطور ناگهاني تغيير شديدي در مقدار آن ملاحظه مي شود.
( نمودار تغييرات ضريب انتقال حرارت صفحه براي مانع
مربعي دركناره ديواره در منطقه تحريك شده )
( نموداركانتور دما و خطوط جريان در اطراف مانع
مربعي و صفحه)
اسلاید 15 :
بررسي نتايج مربوط به مانع مثلثي :
در شکل زیر نمودار تغییرات ضریب انتقال حرارت بر روی صفحه همراه با مانع مثلثی نشان داده شده است . مسیر a-b قبل از مانع و مسیر b-c در ابتدای مانع میباشد . در مسیر c-d میبینیم مقدار ضریب انتقال حرارت با شیب ثابتی کاهش پیدا میکند که این تغییر به واسطه طول مانع میباشد که ر چه این مقدار بیشتر باشد مسیری که منحنی hx با شیب ثابت طی میکند نیز بیشتر است پس از گذشتن جریان از زیر مانع جريان به مقدار كمي سرعت مي گيرد كه اگر در جلوي مانع نقطه سك وني وجود داشت، سرعت آن نيز بيشتر مي شد ، ولي در جلوي مانع نقطه سكون وجود نداشته و تنها جريان از زير مانع به طور معمول عبور مي كند و بواسطه فشار منفي نسبي جت ضعيفي تشكيل مي شود و اين فشار منفي در پشت پايين مانع ، گردابه تشكيل مي دهد كه اين اثر نيز كاهش ضريب ا نتقال حرارت را به دنبال دارد (مسیر d-e ) .
اسلاید 16 :
از طرفی به خاطر جرياني كه از بالاي مانع عبور كرده است گردابه اي در فاصله اي دورتر از مانع تشكيل مي شود كه جهت گردش آن عكس گردابه اول است به دليل اينكه دو گردابه مجاورهم داراي جريان چرخشي عكس هم هستند سيال بين اين دوجريان محبوس شده و درجه حرارت آن به بيشترين مقدار خود مي رسد که در مسیر e-f ضریب انتقال حرارت به کمترین مقدار خود میرسد .
در نهايت آخرين تاثير مانع بر جريان وضريب انتقال حرارت بواسطه بوجود آمدن گ ردابه دوم كه بزرگتر از اولي است ، مي باشد كه اين گردابه باعث افزايش ضريب انتقال حرارت شده است (مسیر f-g) .
بعد از منطقه گردابه نيز لايه هاي بالاي گردابه مستقيما در كنار سطح قرار مي گيرند و از اين رو گراديان دما در كنار سطح دوباره به يك حد ماكزيمم مي رسد و در ادامه نيز به تدريج سيال كنار ديواره گرم مي شود ودر نتيجه گراديان دما و بر اثر آن ضريب انتقال حرارت سير نزولي به خود مي گيرد.
اسلاید 17 :
خطوط جريان در اطراف مثلث با زاويه 90 درجه
اسلاید 18 :
(نمودار تاثير مثلث با زواياي مختلف بر ضريب انتقال حرارت درناحيه تحريك)
(نمودار تغييرات ضريب انتقال حرارت صفحه براي مثلث با فواصل مختلف از صفحه )
اسلاید 19 :
(نمودار تغييرات ضريب انتقال حرارت از صفحه براي مثلث با ارتفاع های مختلف )
(نمودار تغيير قاعده مثلث بر ضريب انتقال حرارت)
اسلاید 20 :
جمع بندي
در مورد تاثير مانع مثلثي مي توان ادعا كرد كه افزايش ارتفاع مانع و زاويه مانع از صفر تا نود درجه و نيز افزايش رينولدزجريان باعث افزايش ضريب انتقال حرارت مي شود و نيز افزايش فاصله مانع از صفحه و طول مانع باعث كاهش ضريب انتقال حرارت از سطح مي شود .
در مورد تاثير مانع مربعي مي توان گفت كه افزايش فاصله مانع و طول مانع، موجب كاهش ضريب انتقال حر ارت و افزايش ارتفاع مانع، موجب افزايش ضريب انتقال حرارت مي شود.
از اينرو نحوه انتخاب يك مانع مناسب براي انجام تحريك، در مرحله نخست بستگي به نوع توربين و ابعاد پره هاي آن دارد . علاوه بر آن عواملي همچون عدد رينولدز جريان، ضخامت لايه مرزي در محل قرارگيري مانع، در انتخاب نوع مانع نقش زيادي دارند . براي انتخاب بهترين مانع با بيشترين اثر تحريكي در افزايش ضريب انتقال حرارت مي توان از روش هاي بهينه سازي همچون الگوريتم ژنتيك استفاده نمود به طور كلي با توجه به طول پره و ناحيه تحريك هر مانع، مي توان موانعي ر ا در فواصل مشخصي از هم قرار داد تا فرايند خنك كاري در تمام طول پره توربين به بهترين نحو، صورت گيرد.
