نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی یک مبدل حرارتی با سیال کاری دارای نانوسیال با مدل دوفازی Mixture

مبدل­ های حرارتی

بطور کلی مبدل­ های حرارتی تجهیزاتی به منظور انتقال انرژی حرارتی بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف می­باشند. مبدل­ های حرارتی کاربردهای فراگیری در مواردی از جمله تولید توان، صنایع شیمیایی و غذایی، الکترونیک، مهندسی محیط زیست، بازیابی گرمای اتلافی، صنایع ساخت و تولید، صنایع تهویه، یخچال­ها، صنایع فضایی و غیره دارد.

مبدل­ ها را می­توان از لحاظ پارامترهای مختلفی دسته بندی کرد که برخی از آنها به صورت زیر می­باشد.

1- انتقال حرارت مستقیم سیال­ها (recuperator) / غیرمستقیم (regenerator): به معنی چگونگی مکانیزم انتقال حرارت به این صورت که دوسیال عامل به طور مستقیم انتقال حرارت دهند یا به با واسطه­ای در محلی ذخیره و سپس مکانیز انتقال صورت پذیرد.

2- تماس مستقیم / غیرمستقیم

3- شاخصه­های هندسی: لوله، صفحه و صفحات سطوح گسترده

4- مکانیزم انتقال حرارت: تک فاز/ دوفاز

5- جهت سیال: جریان موازی، مخالف، ضربدری

شاخصه­ های اصلی برای انتخاب یک مبدل حرارتی از بین گونه ­ها و انواع متفاوت آن را می­ توان در پارامترهای زیر بیان نمود.

• مبدل حرارتی میبایست خصوصیات مربوط به پروسه­ی کلی سیستم را ارضاء نماید.
• مبدل حرارتی باید دوام مناسب با توجه به شرایط محیطی سایت را دارا باشد.
• مبدل حرارتی میبایست تعمیرپذیر با توجه به شرایط کاری را دارا باشد. به این ترتیب پیکره­بندی­ایی میبایست انتخاب شوند که جلوگیری از تمیزکاری مداوم یا تعویض قطعات حساس به خوردگی­های فیزیکی و شیمیایی یا لرزش را داشته باشد.
• مبدل حرارتی باید به صرفه باشد. هزینه­های نصب و تعمیرات یک مبدل شامل ضرردهی در تولیدات با توجه به زمان گذرنده برای تعمیر و بازسازی و در دسترس نبودن یک مبدل حرارتی باید محاسبه و به میزان کمینه باشد.
• همواره در یک سایت صنعتی محدودیت­هایی با توجه به قطر، طول، عرض، وزن و پیکربندی لوله و مجاری­های سیال­ها وجود دارد باید مورد توجه قرار گیرد.

تاثیر نانو سیال بر کارایی مبدل حرارتی

روش ­های زیادی برای بهبود خصوصیات حرارتی یک مبدل حرارتی وجود دارد. این موارد شامل ایجاد کردن صفحات برای افزایش سطح انتقال حرارت، ایجاد لرزش و استفاده از میکروکانال­ها می­باشد. همچنین راندمان حرارتی می­تواند با افزایش ضریب رسانش سیال­ها کاری نیز افزایش یابد. سیال­هایی که به طور معمول در صنعت استفاده می­شوند اعم از آب، اتیلن گلیکول، روغن موتور و … اغلب دارای ضریب رسانش پایین­تری نسبت به جامدات می­باشند که از این رو زیاد بودن ضریب رسانش حرارتی جامدات می­تواند به منظور بهبود عملکرد در قالب ذرات ریز جامد (نانو ذرات) اضافه شده داخل سیال به کار برده شود. از طرفی این ذرات همچنین می­توانند عامل رسوب گذاری یا انسداد کانال­ها یا خوردگی آن­ها شوند که خود مضراتی در قبال افزایش ضریب رسانش به منظور افزودن راندمان می­شود.

مواد بسیار زیادی به منظور استفاده به عنوان نانوذره می­تواند به کارگرفته شود. از آنجایی که رسانش حرارتی موادی چه در حالت فلز یا نافلز به صورت Al₂O₃، CuO، TiO₂، SiC، TiC، Ag، Au، Cu و Fe بطور کلی چند مرتبه بالاتر هستند حتی در غلظت کم نتیجه­ای تاثیرگزار در ضریب انتقال حرارتی را شامل می­شوند.

رسانش حرارتی نانوسیال­

روش­های زیادی برای محاسبه و اندازه­ی میزان افزایش و بهبود خواص حرارتی نانوسیال ارائه شده است که در این میان طیف وسیعی از چه روش­های تجربی تا تحلیلی را شامل می­شود.

1-مدل­های کلاسیک:

در 1837 مکسول رابطه­ای را برای محاسبه ضریب رسانش موثر نانوسیال با ذرات کروی به صورت زیر ارائه داد.

که در این رابطه زیروندهای p، f و nf به ترتیب مشخص کننده­ی ذره، سیال و نانوسیال در حالت ذره­های کروی می­باشد. همانطور که مشخص است در این رابطه اثری از تاثیر شکل­های دیگر ذرات اعمال نشده است. برای بهبود این مدل رابطه­ی زیر توسط همیلتون و کروسر ارائه شد.

در این رابطه n ضریب شکلی می­باشد. همچنین  میزان کروی بودن ذره است که بیانگر نسبت مساحت سطح یک کره به ذره غیر کروی با حجمی برابر یکدیگر می­باشد.

2-  حرکت برونی نانوذرات

حرکتی برونی برگرفته از حرکت تصادفی ذرات داخل سیال می­باشد که موجب انتقال انرژی داخل سیال می­باشد. به منظور محاسبه این نوع خاصیت که تاثیر بر روی رسانش نانوسیال می­گذارد، ضریب رسانش را به دو بخش استاتیک و برونین تقسیم می­کنند که بخش استاتیک آن در بخش پیشین بیان شد و بخش برونین آن به قرار زیر می­باشد.

که همچنین میزان f نیز با توجه به رابطه تجربی داس و همکاران برای CuO به صورت زیر است (برای سایر ذرات به دلیل نبود آزمایش می­تواند یک درنظر گرفته شود.):

و برای محاسبه مقادیر مربوط نیز از رابطه زیر استفاده می­شود.

3- خوشه­ای شدن نانو ذرات

خوشه­ای شدن میتواند اثر سریع انتقال حرارت در طول فاصله­ای نسبتا طویل را به علت خواص قوی­تر حرارتی جامد نسبت به سیال در پی داشته باشدکه در رابطه­ی زیر ارائه شده است.

4- لایه سیال اطراف نانوذره

ذرات سیال ساختار لایه­ای شکل را در اطراف ذره تشکیل می­دهند که در این حالت خواص این بخش­های از سیال نزدیک­تر به جامد می­شود. در این صورت این بخش عامل افزایشی نسبی در میزان رسانش حرارتی می­شود که توسط آزمایش­های یو و چویی به صورت زیر میباشد.

انتقال حرارت جابجایی نانوسیال:

در آنالیز انتقال حرارت جابجایی نانوسیال­ها تخمین صحیح خواص از اهمیت ویژه­ای برخوردار می­باشد. در این جدول زیر تخمین پارامترهای نانوسیال پرداخته شده است.

در نهایت نیز روابط موجود داخل جدول زیر برای سیال­ها با ذرات خاص در آزمایشات مشخص و به صورت تجربی همانند روابط گفته شده­ی قبل برای ویسکوزیته بیان شده است.

مدلسازی عددی

به منظور مشاهده و مدلسازی تاثیرات بیان شده از یک مدل مبدل حرارتی پوسته لوله با چهار لایه بفل به منظور افزایش تاثیرات گردش سیال پوسته به صورت زیر با مشخصات هندسی آمده در جدول استفاده شده است.

در ادامه نیز به منظور مدلسازی شبکه­ی زیر به حجم 400 هزار المان برای مبدل مورد نظر ایجاد گشت.

در نهایت نیز به منظور مدلسازی نانوذرات از مدلسازی چندفازی به روش Mixture استفاده شده است. در این مدل فاز جامد نیز به عنوان سیال فرض شده و خواص مشابه با مواردی که پیشتر نیز بیان شد برای آن استفاده شده است. در این صورت دوفاز سیال به وجود خواهد آمد که برهم کنش آنها با یکدیگر موجب شبیه­سازی مدل عددی مورد نظر می­گردد.

همچنین خصوصیات سیال­های استفاده شده نیز به قرار زیر خواهد شد. (تمامی واحدها طبق واحد استاندارد فلوئنت می­باشد.)

در نهایت نیز نتایج به قرار زیر در قالب کانتورهای دمایی و خطوط جریان حرکتی سیال (به منظور مشاهده تاثیر بفل­ها) به قرار زیر می­باشد.