بررسي تاثير استفاده از محيط ‌متخلخل در لوله‌هاي موج‌دار بر ميزان انتقال‌ گرما، افت ‌فشار و عملكرد آن در جريان آشفته

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

با توجه به افزايش جهاني قيمت انرژي، استفاده‌ي بهينه از انرژي موجود الزامي انكارناپذير براي رقابت در دنياي امروز مي‌باشد. يكي از تجهيزات كليدي به منظور صرفه‌جويي در مصرف انرژي، مبدل‌هاي حرارتي با راندمان بالا مي‌باشد. راهكارهاي متفاوتي براي افزايش انتقال حرارت در مبدل‌هاي حرارتي وجود دارد. استفاده از مواد متخلخل يكي از روش‌هاي غيرفعالي است كه در دهه‌هاي اخير در فرآيندهاي انتقال حرارت مورد توجه ويژه قرار گرفته است. محيط متخلخل به دليل افزايش سطح تماس با سيال و داشتن ضريب هدايت حرارتي بالاتر نسبت به سيال، انتقال‌ حرارت را به طور قابل توجهي افزايش مي‌دهد، اما باعث افزايش افت ‌فشار نيز خواهد شد. در پژوهش عددي حاضر، ماده متخلخل درون دامنه‌ي مبدل‌هاي لوله سينوسي با ابعاد مختلف قرار گرفته و در اين حالت جريان سيال و انتقال‌ حرارت مورد بررسي قرار گرفته است. در پژوهش حاضر معادلات جريان تراكم‌ناپذير و پايا در رژيم جريان آشفته با استفاده از روش حجم محدود گسسته شده و با الگوريتم coupled در نرم‌افزار فلوئنت حل شده‌اند. از مدل توربولانسي k-ω SST براي شبيه سازي جريان آشفته بهره گرفته شده است. همچنين از مدل تعادل گرمايي موضعي براي معادله‌ي انرژي و از مدل دارسي- برينكمن-فورشيمر براي معادله مومنتوم در محيط متخلخل استفاده شده است. ماده متخلخل همگن و ايزوتروپيك بوده و ضريب تخلخل آن ثابت و برابر 0/95 درنظر گرفته شده است. در اين مطالعه سيال عامل هوا بوده و شرط مرزي دماي ثابت 373 كلوين روي ديواره لوله و دماي 300 كلوين در ورودي لوله برقرار مي‌باشد. در اين بررسي ضريب انتقال‌حرارت جابه‌جايي، عدد ناسلت، ضريب اصطكاك و معيار ‌ارزيابي‌ عملكرد براي سه پارامتر هندسي(L*) برابر با 11، 19 و 25 محاسبه شده‌اند (L*)نسبت طول موج به نصف دامنه سينوسي بوده و ميزان موج‌دار بودن لوله را مشخص مي‌كند. در اين پژوهش تاثير دو پارامتر عدد دارسي و ضخامت ماده متخلخل بر روي انتقال ‌حرارت و افت ‌فشار در جريان آشفته‌ي درون لوله بررسي شده است. با مشاهده‌ي نتايج، مشخص شده است كه با اضافه كردن محيط متخلخل به دامنه‌ي لوله‌هاي سينوسي، جبهه‌ي دمايي گرم در اين نواحي افزايش يافته كه منجر به افزايش دماي خروجي از مبدل شده است. قرار دادن ماده‌ي متخلخل در قسمت واگراي لوله‌هاي سينوسي بر كاهش افت‌فشار ناشي از محيط متخلخل، تاثير مثبت خواهد داشت. نتايج بدست آمده حاكي از آن است كه در هر سه حالت ذكر شده براي ساختار هندسي لوله سينوسي، در يك عدد دارسي ثابت، با افزايش ضخامت ماده‌ي متخلخل انتقال حرارت، افت فشار و معيار‌ ارزيابي ‌عملكرد افزايش مي‌يابد. با افزايش ضخامت ماده‌ي متخلخل، نسبت افزايش انتقال‌ حرارت به افت ‌فشار در اعداد دارسي بزرگ از اعداد دارسي كوچك بيشتر خواهد بود، درحالي‌كه ميزان افزايش‌ انتقال‌ حرارت و افت‌ فشار در اعداد دارسي كوچك بيشتر از اعداد دارسي بزرگ مي‌باشد. نتايج نشان مي‌دهد با كاهش اندازه ذرات محيط متخلخل، انتقال‌ حرارت و افت ‌فشار افزايش و معيار ارزيابي ‌عملكرد كاهش مي‌يابد. همچنين بيشترين تغييرات در انتقال حرارت، افت فشار و معيار ارزيابي عملكرد در محدوده‌ي دارسي 3-^10 تا 5-^10 مي‌باشد. از بين موارد بررسي شده، در پارامتر هندسي 25 و عدد دارسي 0/01 با افزايش ضخامت ماده متخلخل، معيار‌ ارزيابي ‌عملكرد به بيشترين مقدار در اين پژوهش مي‌رسد. در اين حالت عدد ناسلت و ضريب ‌اصطكاك نسبت به لوله‌ي بدون ماده‌ي متخلخل به ترتيب 58% و 180% افزايش مي‌يابد.

210571

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

ايمان چيت ساز

احمد سوهانكار، محمود اشرفي زاده

محمدرضا توكلي نژاد