آموزش شبیه سازی یک مبدل حرارتی با سیال کاری دارای نانوسیال با مدل دوفازی Mixture
500,000 تومان
آخرین بروزرسانی : 30 آذر, 1400
بررسی اجمالی محصول
با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی یک مبدل حرارتی با سیال کاری دارای نانوسیال یا مدل دوفازی به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.
تمامی محصولات شامل فایل های Geometry و Mesh بوده و آموزش محصولات به صورت یک جلسه آنلاین یک ساعته خواهد بود.
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.
سیال پوسته (سرد) | ||||||
قطر کلی مبدل | طول مبدل | قطر نازل ورودی | قطر نازل خروجی | تعداد بفل | طول بفل | نوع سیال |
1 م. | 4.5 م. | 0.15 م. | 0.15 م. | 4 | 0.7 م. | Al2O3+water |
سیال لوله (گرم) | ||||||
قطر لوله | طول لوله | قطر نازل ورودی | قطر نازل خروجی | طول فاصله نازل وروردی تا لولهها | طول فاصله نازل خروجی تا لولهها | نوع سیال |
0.15 م. | 3 م. | 0.3 م. | 0.3 م. | 0.5 م. | 0.5 م. | water |
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.
خصوصیات مدل | |||||
گسسته سازی | زمان حل | مدل چندفازی | نوع حلگر | مدل توربولانسی | Wall Func. |
مرتبه دوم | پایا | Mixture | Coupled | K-e | Standard |
همچنین خصوصیات سیالهای استفاده شده نیز به قرار زیر خواهد شد. (تمامی واحدها طبق واحد استاندارد فلوئنت میباشد.)
خصوصیات سیال | ||||
نوع سیال | ویسکوزیته | ضریب هدایت | چگالی | ظرفیت گرمایی ویژه |
Al2O3 | 0.001003 | 40 | 3970 | 765 |
Water | 0.001003 | 0.6 | 998.2 | 4182 |
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.
دیدگاه
دیدگاهی ثبت نشده.