چکیده

در دهه‌های اخیر، به دلیل مکفی نبودن ضرایب حرارتی سیالات و بالا بودن اندازه‌ها و هزینه‌های مبدل‌های حرارتی، فن‌آوری‌های بهبود انتقال حرارت و کاهش ابعاد در آنها توسعه داده شده‌ و به طورگسترده‌‌ای در صنایع تبرید، خنک‌سازی سلول‌های پردازش، صنایع شیمیایی و غیره استفاده شده‌اند؛ در همین راستا، امروزه و در حدود سه دهه‌ی اخیر، با ظهور تکنولوژی نانو، استفاده از محلول‌های با پایه‌ی مایعات و شامل نانوذرات (ذرات معلق جامد و با ابعاد نانومتری) جهت افزایش انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی رشد چشم‌گیری یافته است. بکارگیری این شیوه، نشان داده که استفاده از نانوذرات جامد درون سیالات موجب افزایش قابل توجه ضرایب انتقال حرارت و تغییر خواص آنها می‌گردد؛ این در حالی است که سابقاً افزایش ظرفیت تبادل گرمای مبدل‌های حرارتی با ایجاد تغییر در پارامترهایی همچون شرایط مرزی، هندسه جریان، هندسه مبدل و یا با تغییر نوع سیال، صورت می‌پذیرفته است. همچنین، علاوه بر تکنولوژی استفاده از نانوسیالات، می‌توان از روش‌های تحقیقاتی مختلف دیگری در جهت بهبود عملکرد حرارتی مبدل‌ها نیز بهره گرفت؛ یکی از این روش‌ها، استفاده از لوله‌هایی با هندسه‌ی سینوسی در محور جریان است. از همین رو و متناسب با ترکیب تکنیک‌های نوین اشاره شده در بالا، در این پایان‌نامه، مباحثی تفصیلی به همراه مدل‌سازی عددی جریان و انتقال حرارت درون مبدل‌های لوله سینوسی تحت جریان نانوسیالات، ارائه شده است. این پژوهش به بررسی عددی انتقال حرارت و افت فشار جریان آرام نانوسیالات منتخب و نیز مقایسه‌ی نتایج آن با انتقال حرارت توسط سیال پایه معمول درون لوله‌های مستقیم، می‌پردازد. در حقیقت در پژوهش حاضر جهت رسیدن به حالت بهینه، بررسی عددی برای سیال‌های پایه و نانوسیال با غلظتهای حجمی مختلف و کسر حجمی متفاوت نانوذره درون لوله مستقیم و سینوسی (با قطر و نسبت دامنه به طول موج‌ مختلف) انجام گرفته است. با توجه به اینکه تعداد جایگشت‌های مذکور به عدد 288 می‌رسد، لذا از امکانات ماکرونویسی سالیدورک جهت تولید ژورنال‌های اتوماتیک در نرم‌افزار‌های فلوئنت و گمبیت استفاده شده است. این امر موجب افزایش دقت در عین سرعت کار مدل‌سازی عددی می‌گردد؛ در این کار، مدل سه‌بعدی در نرم‌افزار SolidWorks ایجاد شده و شبیه‌سازی‌ها با استفاده از محیط Ansys Fluent صورت پذیرفته‌اند. نتایج نشان می‌دهند که استفاده از نانوسیالات درون مبدل‌های لوله‌سینوسی می‌تواند اثر قابل توجهی در افزایش تبادل حرارت داشته باشد. در کنار این اثرات مفید، معایبی نیز مطرح می‌گردند که مهم‌ترین آنها افزایش سهم افت فشار در جریان، بخاطر حضور ذرات معلق جامد می‌باشد. از طرفی، نانوسیال آب و اکسید مس، دارای بیشترین نرخ تبادل حرارت و کمترین افت فشار نسبت به بقیه نانوسیالات می‌باشد. همچنین در رینولدزهای مختلف و در هندسه‌ی مشخص سینوسی، پس از رینولدزهایی (که قابل محاسبه‌اند)، دیگر، ناسلت و افت اصطکاکی، تغییر آنچنانی نسبت به لوله مستقیم نداشته و خاصیت منحصر به فرد یا قابل توجهی ایجاد نخواهند نمود؛ نتیجه دیگر، برتری افزایش ناسلت نسبت به افزایش افت اصطکاکی در لوله‌های سینوسی نسبت به لوله‌های مستقیم‌الخط می‌باشد. از طرفی، فشرده نمودن و متراکم کردن مبدل‌های لوله سینوسی موجب افزایش تبادل حرارت در مقایسه با افت فشار تحمیلی می‌گردد. از این رو، بهینه‌یابی میزان کسر حجمی نانوذرات برای این طرح، هم‌ارز با بهینه‌یابی هندسه و جریان، بر اساس یک معیار ارزیابی عملکرد بسیار حائز اهمیت است.


فصل اول: مقدمه 
1-1 توليد نانوسيالات و كاربردهاي آنها 3 
1-2 مزايا و معايب استفاده از نانوسيالات در تبادل‌هاي حرارتي 4 
1-3 روش‌هاي افزايش تبادل و انتقال حرارت در مبدل‌هاي حرارتي 5 
1-3-1 روش‌هاي فعال 5 
1-3-2 روش‌هاي غيرفعال 6 
1-4 تعريف مسأله، تئوري و فرضيات 6 
1-4-1 هندسه و شرایط مرزی 7 
1-4-2 فرضیات مسئله 7 
1-5 هدف پژوهش حاضر و نقشه راه 9 
فصل دوم: مروري بر تحقيقات انجام شده 
2-1 تاريخچه تحقيقات در خصوص ويژگي‌هاي انتقال حرارت نانوسيالات 12 
2-2 تاريخچه بررسي برتري انتقال حرارت در نانوسيالات نسبت به سيالات معمول 16 
2-3 تاريخچه بررسي برتري انتقال حرارت سيالات درون لوله‌هاي با هندسه سينوسي، منحني يا مارپيچ 25 
2-4 تاريخچه بررسي تبادل حرارت نانوسيالات درون لوله‌هاي با هندسه سينوسي، مارپيچ يا منحني 32 
2-5 معيارهاي تحليل مبدل در تحقيقات 35 
2-6 اهم نتايج كاربردي بدست آمده توسط محققين 36 
2-6-1 نتايج بر روي استخراج روابط ترموفيزيكي نانوسيالات 36 
2-6-2 نتايج محققين روي لوله سينوسي يا مارپيچ 38 
فصل سوم: مدل‌سازي جريان- انتقال حرارت و ارائه روابط 
3-1 خواص ترموفيزيكي نانوسيالات 47 
3-1-1 چگالي (دانسيته) نانوسيالات 47 
3-1-2 حرارت مخصوص نانوسيالات 48 
3-1-3 هدايت‌پذيري حرارتي نانوسيالات 48 
3-1-4 ويسكوزيته نانوسيالات 49 
3-2 معادلات حاكم بر جريان و انتقال حرارت نانوسيالات درون لوله 51 
3-2-1 معادله بقاي جرم (پيوستگي) براي نانوذره 51 
3-2-2 معادله بقاي جرم (پيوستگي) براي سيال پايه 51 
3-2-3 معادله بقاي مومنتوم براي نانوسيال 52 
3-2-4 معادله بقاي انرژي براي نانوسيال 52 
3-3 توسعه‌یافتگی هیدرودینامیکی و حرارتی 53 
3-4 معیار ارزیابی عملکرد مبدل‌ها و سیستم‌های تبادل حرارت (PEC) 54 
3-5 نحوه‌ ايجاد مدل سه‌بعدي 54 
3-5-1 مدل‌سازی سه‌بعدی لازم در محیط سالیدورک 61 
3-5-2 مدل‌سازی و ایجاد شبکه محاسباتی در محیط گمبیت 63 
3-5-3 مدل‌سازی و تحلیل عددی در محیط فلوئنت 66 
3-5-4 بررسی استقلال از مش روی نتایج عددی 67 
فصل چهارم: ارائه نتایج و بحث روی آنها 
4-1 اعتبارسنجی و صحه‌گذاری نتایج 74 
4-2 نتایج مربوط به کانتورهای سرعت، دما و فشار 79 
4-3 نتایج مربوط به کانتورهای سطوح هم مقدار سرعت در صفحه‌ی انحنا 84 
4-4 مقایسه‌ی پروفیل سرعت در مقاطع مختلف لوله سینوسی 87 
4-5 مسیرهای حرکت ذرات در طول لوله سینوسی 89 
4-6 یافته‌های مربوط به محاسبات انتقال حرارتی و عدد ناسلت 89 
4-6-1 تغییرات عدد ناسلت با تغییر شرایط هندسی، شرط مرزی و نوع سیال 89 
4-6-2 تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی با تغییر شرایط هندسی، شرط مرزی و نوع سیال 98 
4-6-3 بررسی تغییرات دما در مناطق مختلف لوله سینوسی با تغییر پارامترها و شرایط 100 
4-7 یافته‌های مربوط به محاسبات افت مسیر سینوسی 103 
4-7-1 بررسی میزان افت فشار در حالت‌های مختلف با شرط مرزی شار ثابت 104 
4-7-2 بررسی میزان افت فشار در حالت‌های مختلف با شرط مرزی دما ثابت 106 
4-8 نتایج انتقال حرارت در چندین تناوب لوله و ارزیابی توسعه‌یافتگی 109 
4-9 نتایج مربوط به بهبود انتقال حرارت و وضعیت افت‌های مسیر نسبت به لوله مستقیم‌الخط 112 
4-10 بررسی اثرات عدد رینولدز بر میزان انتقال حرارت نسبت به نتایج هم‌ارز در لوله مستقیم‌الخط 114 
4-11 بررسی معیار ارزیابی عملکرد در مبدل‌های لوله سینوسی نسبت به انواع لوله مستقیم 117 
4-12 بررسی اثر نسبت دامنه به طول موج در بحث انتقال حرارت لوله‌های سینوسی 118 
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و ارائه‌ی پیشنهادات 
5-1 نتیجه‌گیری در خصوص انتخاب نوع و درصد کسر حجمی نانوسیال 122 
5-2 نتیجه‌گیری درباره‌ استفاده از مبدل‌های لوله سینوسی بجای مبدل‌های رایج 123 
5-3 ارائه‌ی تجمعی نتایج به طور دسته‌بندی شده 123 
5-4 ارائه‌ی پیشنهادات در حوزه‌ی تحقیق حاضر 126 

فهرست شكل‌ها 
عنوان صفحه 
شكل ‏1‌-1: سطوح روکش‌شده یا اندود‌شده 6 
شكل ‏1‌-2: هندسه و شرط مرزی مسائل مورد مطالعه در این پایان‌نامه 7 
شكل ‏1‌-3: شماتيك يك لوله موج سينوسي جهت تحليل و محاسبات انتقال حرارتي 9 
شكل ‏1-4: شماتيك يك مبدل با لوله سينوسي 10 
شكل ‏2‌-1: شماتيك مدار آزمون ژوان و لي [20] 37 
شكل ‏2‌-2: اثرات انتقال حرارت بر حسب رينولدز براي نانوسيالات در مقايسه با آب [20] 37 
شكل ‏2‌-3: افزايش دماي نانوسيال آب- اكسيد تيتانيوم به صورت تابعي از موقيعت [144] 38 
شكل ‏2‌-4: افزايش انتقال حرارت به صورت تابعي از موقعيت درون كانال سينوسي [145] 39 
شكل ‏2‌-5: كانتور دما بترتيب براي نسبت دامنه به طول موج 0.667 ، 0.444 و 0.222 40 
شكل ‏2‌-6: افزايش ناسلت به صورت تابعي از نسبت دامنه به طول موج درون كانال سينوسي 40 
شكل ‏2‌-7: مدل جريان مارپيچي نانوسيالات- پاتيپاكا و همكاران [129] 41 
شكل ‏2‌-8: اثر كسر حجمي آلومينا در نانوسيال بر انتقال حرارت در مدل جريان مارپيچي 42 
شكل ‏2‌-9: توزیع عدد رینولدز بهینه در تحقیق شکوهمند و سلیم‌پور [146] 42 
شكل ‏2‌-10: انواع لوله‌های منحنی بررسی شده توسط هیومینیک ‎[132] 43 
شكل ‏2‌-11: پروفیل سرعت بر حسب تغییرات موقعیت شعاعی 44 
شكل ‏2‌-12: نتایج تجربی عدد ناسلت بر حسب تغییرات رینولدز توسط سلیم پور ‎[147] 44 
شكل ‏2‌-13: نتایج تجربی عدد ناسلت بر حسب تغییرات عدد دین توسط سلیم پور ‎[147] 45 
شكل ‏3‌-1: نمونه‌اي از مدلسازي سه‌بعدي يك لوله با هندسه سينوسي 54 
شكل ‏3‌-2: خاصيت تناوبي لوله سينوسي و كاهش حجم محاسبات 55 
شكل ‏3‌-3: استفاده از شرط تقارن براي كاهش محاسبات در هندسه در نظر گرفته شده 55 
شكل ‏3‌-4: ماكرو نويسي و ايجاد محيط كاربرپسند جهت توليد مدل و شبكه‌ي محاسباتي 56 
شكل ‏3‌-5: فرم ورود اطلاعات لازم جهت شبیه‌سازی با فلوئنت و ارائه‌ی مقادیر پیش‌فرض به کاربر 57 
شكل ‏3‌-6: تغییر حالت جریان آرام به آشفته در نرم‌افزارِ نوشته‌شده و ارائه‌ی مقادیر پیش‌فرض متناسب به کاربر 58 
شكل ‏3‌-7: مراحل انجام محاسبات براي هر مدل سه‌بعدي 60 
شكل ‏3‌-8: تنظیمات ذخیره‌سازی و تغذیه‌ی مناسب مدل سه‌بعدی از سالیدورک به محیط گمبیت 61 
شكل ‏3‌-9: مدل تقارنی یک لوله با هندسه سينوسي خاص در محیط سالیدورک 61 
شكل ‏3‌-10: مدل تقارنی از مقطع مستطیلی لازم (نیم‌مربعی برای نیم‌دایره‌ی مقطع لوله اصلی) 62 
شكل ‏3‌-11: مدل سه‌بعدی و تقارنی از ربع‌دایره(منطبق بر نیم‌دایره‌ی مقطع لوله) جهت مش‌زنی بهتر لوله سينوسي 62 
شكل ‏3‌-12: نمايی از فایل ژورنال جهت تولید شبكه محاسباتي لوله با هندسه سينوسي 62 
شكل ‏3‌-13: فراخوانی فایل‌های هندسی سه‌بعدی جهت شروع عملیات تولید شبکه محاسباتی توسط ژورنال 64 
شكل ‏3‌-14: نمای جانبی سطوح راهنما و هدایت مش بصورت عمود بر انحنای سینوسی لوله (تجزیه‌ی حجم‌ها) 64 
شكل ‏3‌-15: تصاویر منتخب از مراحل تولید شبكه محاسباتي لوله با هندسه سينوسي در گمبیت از روی ژورنال 65 
شكل ‏3‌-16: بخشی از یک ژورنال فلوئنت مربوط به مورد خاصی از هندسه‌های تحلیل شده در تحقیق حاضر 67 
شكل ‏3‌-17: نمايی از مقطع مورد مطالعه در وسط لوله سينوسي جهت بررسی استقلال نتایج از مش 68 
شكل ‏3‌-18: نتایج مربوط به مقادیر سرعت نقاط 21 گانه در سطح مقطع وسط لوله 68 
شكل ‏3‌-19: نتایج مربوط به اندازه دمای نقاط 21 گانه در سطح مقطع وسط لوله 69 
شكل ‏3‌-20: بزرگنمایی نمودارهای شكل ‏3‌-18 69 
شكل ‏3‌-21: بزرگنمایی نمودارهای شكل ‏3‌-19 70 
شكل ‏4‌-1: تنوع مدل‌های بررسی شده در این پژوهش مشتمل بر تغییر نانوسیال، هندسه‌ی لوله و شرایط مرزی 73 
شكل ‏4‌-2: هندسه و شرط مرزی مسائل مورد مطالعه در این پایان‌نامه 74 
شكل ‏4‌-3: مقایسه نتایج مربوط به افت در مسیر جریان و صحه‌گذاری مدل‌سازی ارائه شده 75 
شكل ‏4‌-4: مقایسه نتایج مربوط به افزایش تبادل حرارت در مسیر جریان و صحه‌گذاری متد شبیه‌سازی ارائه شده 75 
شكل ‏4‌-5: مقایسه نتایج مربوط به افت در مسیر جریان و صحه‌گذاری مدل‌سازی ارائه شده 76 
شكل ‏4‌-6: مقایسه نتایج مربوط به افزایش تبادل حرارت در مسیر جریان و صحه‌گذاری متد شبیه‌سازی ارائه شده 76 
شكل ‏4‌-7: مدلسازی لوله‌ی شبیه به حالت مستقیم‌الخط با کوچک کردن دامنه سینوس 76 
شكل ‏4‌-8: مقایسه‌ی نتایج مربوط به عدد ناسلت و صحه‌گذاری مدل و نتایج حاصل از آن 77 
شكل ‏4‌-9: مقایسه‌ نتایج مربوط به ضریب جابجایی از مدل ابراهیم‌نیا بجستان و همکاران ‎[30] با مدل‌سازی حاضر 78 
شكل ‏4‌-10: شماتیک سه‌بعدی از صفحات میانی و ورودی و خروجی در لوله با هندسه‌ی سینوسی 80 
شكل ‏4‌-11: نتایج مقایسه‌ا‌ی کانتورهای سرعت برای دو حالت رینولدز 250 و 500 درون لوله 81 
شكل ‏4‌-12: مقایسه‌ی نتایج مربوط به کانتورهای دما برای دو حالت دما ثابت و شار ثابت روی دیواره لوله 82 
شكل ‏4‌-13: کانتورهای توزیع فشار برای حالت Re=250 در هندسه سینوسی و شار 1000 وات بر متر مربع 83 
شكل ‏4‌-14: کانتورهای توزیع دما برای حالت Re=250 و شار 1000 وات بر متر مربع برای هندسه سینوسی 84 
شكل ‏4‌-15: کانتورهای توزیع سرعت برای حالت Re=250 برای لوله سینوسی در شار 1000 وات بر متر مربع 84 
شكل ‏4‌-16: نتایج کانتورها و بردارهای سرعت در جهت مماس بر صفحه انحنا و عمود بر مسیر حرکت سیال 86 
شكل ‏4‌-17: پروفیل سرعت مقطع ورودی لوله سینوسی با دامنه 10 و طول موج 60 سانتیمتر 87 
شكل ‏4‌-18: پروفیل سرعت مقطع خروجی لوله سینوسی با دامنه 10 و طول موج 60 سانتیمتر 87 
شكل ‏4‌-19: پروفیل سرعت مقطع وسط لوله سینوسی با دامنه 10 و طول موج 60 سانتیمتر 88 
شكل ‏4‌-20: پروفیل سرعت در مقطع x/L=0.25 لوله سینوسی با دامنه 10 و طول موج 60 سانتیمتر 88 
شكل ‏4‌-21: پروفیل سرعت در مقطع x/L=0.75 لوله سینوسی با دامنه 10 و طول موج 60 سانتیمتر 88 
شكل ‏4‌-22: خطوط مسیر ذرات از سطح ورودی تا خروجی لوله سینوسی 89 
شكل ‏4‌-23: نتایج عدد ناسلت در یک لوله با هندسه‌ی سینوسی خاص حاوی water-Al2O3 90 
شكل ‏4‌-24: نتایج عدد ناسلت در یک لوله با هندسه‌ی سینوسی خاص حاوی water-Al2O3 92 
شكل ‏4‌-25: نتایج عدد ناسلت در یک لوله سینوسی خاص حاوی EG-CuO با دامنه‌ها و کسر حجمی‌های مختلف 94 
شكل ‏4‌-26: نتایج عدد ناسلت در لوله‌های سینوسی مختلف برای نانوسیالات متفاوت 97 
شكل ‏4‌-27: مقایسه ضریب انتقال حرارت جابجایی در لوله‌های سینوسی مختلف برای نانوسیالات متفاوت 99 
شكل ‏4‌-28: نمودار مربوط به دمای مرکز لوله سینوسی بر حسب موقعیت از طول موج سینوسی 100 
شكل ‏4‌-29: نمودار مربوط به دمای توده‌ای (بالک) لوله سینوسی بر حسب موقعیت از طول موج سینوسی 101 
شكل ‏4‌-30: نمودار مربوط به دمای دیواره‌ی لوله سینوسی بر حسب موقعیت از طول موج سینوسی 102 
شكل ‏4‌-31: نمودار مربوط به اختلاف دمای دیواره‌ با دمای توده‌ای لوله سینوسی بر حسب موقعیت از طول موج سینوسی 103 
شكل ‏4‌-32: نمودار مربوط به ضریب انتقال حرارت در مقاطع مختلف از طول موج سینوسی 103 
شكل ‏4‌-33: نتایج مربوط به ضریب اصطکاک بر حسب موقعیت از طول موج با تغییر کسر حجمی نانوسیالات در حالت شار ثابت روی لوله سینوسی 105 
شكل ‏4‌-34: فشار بی‌بعد بر حسب موقعیت از طول موج با تغییر کسر حجمی در حالت شار ثابت روی لوله سینوسی 106 
شكل ‏4‌-35: نتایج مربوط به ضریب اصطکاک بر حسب موقعیت از طول موج با تغییر کسر حجمی نانوسیالات در حالت دما ثابت روی لوله سینوسی 108 
شكل ‏4-36: فشار بی‌بعد بر حسب موقعیت از طول موج با تغییر کسر حجمی در حالت دما ثابت روی لوله سینوسی 108 
شكل ‏4‌-37: لوله هندسه سینوسی با 3 دوره تناوب 109 
شكل ‏4‌-38: نتایج مربوط به عدد ناسلت در لوله هندسه سینوسی با 3 دوره تناوب حاوی آب- اکسید مس 110 
شكل ‏4‌-39: نتایج مربوط به دمای بی‌بعد (θ) در لوله هندسه سینوسی با 3 دوره تناوب حاوی آب- اکسید مس 110 
شكل ‏4‌-40: نمایش سه‌بعدی از لوله هندسه سینوسی با 6 دوره تناوب 111 
شكل ‏4‌-41: نتایج مربوط به عدد ناسلت در لوله هندسه سینوسی با 6 دوره تناوب حاوی آب- اکسید مس 111 
شكل ‏4‌-42: نتایج مربوط به دمای بی‌بعد (θ) در لوله هندسه سینوسی با 6 دوره تناوب حاوی آب- اکسید مس 111 
شكل ‏4‌-43: مقایسه نمودارهای ضریب افت اصطکاکی برای لوله‌های به حالت‌ سینوسی و مستقیم 113 
شكل ‏4‌-44: مقایسه نتایج عددی ضریب انتقال حرارت بین لوله‌های حالت‌ سینوسی و مستقیم 113 
شكل ‏4‌-45: نتایج مربوط به نسبت افت‌ اصطکاکی لوله سینوسی به لوله مستقیم‌الخط برای تغییر رینولدز و دامنه موج 116 
شكل ‏4‌-46: نتایج مربوط به ناسلت در لوله سینوسی نسبت به لوله مستقیم‌الخط برای تغییر رینولدز و دامنه موج 116 
شكل ‏4‌-47: نتایج مربوط به عدد ناسلت و میزان ضریب افت اصطکاکی، برای رینولدز‌های مختلف 117 
شكل ‏4‌-48: ارزیابی عملکرد (PEC) مبدل‌های لوله سینوسی در قیاس با انواع لوله مستقیم 117 
شكل ‏4‌-49: نتایج ضریب انتقال حرارت برای نسبت دامنه به طول موج 25/0 در حالت شار ثابت (2000 W/m2) 119 
شكل ‏4‌-50: نتایج ضریب انتقال حرارت برای نسبت دامنه به طول موج 25/0 در حالت دما ثابت (T=80 C) 120 

فهرست جدول‌ها 
عنوان صفحه 
جدول ‏1-1: افزايش انتقال حرارت جابجايي نانوسيالات و برخي از تحقيقات تجربي در اين زمينه 3 
جدول ‌‏3-1: ضرایب مربوط به معادله‌ی (‏3 11) 50 
جدول ‌‏3-2: مشخصات شبکه‌های محاسباتی مختلف جهت تحلیل لوله سینوسی (استفاده شده در این پایان‌نامه) 68 
جدول ‌‏3-3: مقایسه مقادیر متوسط سرعت و دما برای شبکه‌های محاسباتی (مش‌های) مخنلف 70 
جدول ‌‏4-1: مقایسه مقدار متوسط ضرایب افت و انتقال حرارت جابجايي نانوسيالات در هندسه‌های مختلف 114


 

فصل اول: مقدمه اي بر انتقال حرارت در نانوسیالات

به منظور پیشرفت و بعلت رشد تقاضا در صنایع مختلف مانند الکترونیک، خودروسازي، هوافضا، پتروشیمی و،… مهندسین مجبورند مبدل هاي حرارتی با سایز کوچکتر، وزن سبکتر و عملکرد و کارایی بالاتر طراحی نمایند. انتقالحرارت هدایتی کم از سیالات رایج مانند آب، روغن، اتیلن گلیکول و مخلوط هاي آنها در مبدل هاي حرارتی، یکمحدودیت جدي براي بهبود عملکرد و تراکم (ابعاد) این تجهیزات مهندسی به شمار می آید. جهت غلبه بر معایب مذکور، انگیزه اي قوي در جهت توسعه و پیشرفت سیالات درون مبدل هاي حرارتی با یک هدایت پذیري ذاتی بالاتر،ایجاد شده و در همین راستا و به منظور بهبود انتقال حرارت سیالات، روشی نوآورانه بصورت معلق کردن ذرات جامددرون سیال ابداع گردیده است.

عملکرد انتقال حرارتی کم سیالات معمولی مانع از افزایش عملکرد و متراکم کردن مبدل هاي گرمایی می گردد؛ استفاده از ذرات جامد به عنوان یک افزودنی و محلول کردن آن در سیال پایه تکنیکی جهت افزایش انتقال حرارت و بهینه سازي مبدل در راستاي کم حجم شدن آن می باشد. افزایش هدا یت حرارت ی در مایعات معمول ی با حل کردن ذرات ریز جامد، همچون ذرات با اندازه ي میلی متري و یا میکرومتري بیش از 100 سال شناخته شده است؛ با ای ن حال، روش مذکور به خاطر مسائلی همچون ته نشینی، کلوخه شدن، فرسایش، رسوب گذاري و افزایش افت فشار درکانال جریان سودمند نبوده است. پیشرفت هاي اخیر در تکنولوژي مواد، امکان تولید ذرات با اندازه ي نانومتر را کهمی تواند به مراتب نسبت به ابعاد میلی یا میکرومتري مشکلات ناچیزي داشته و بر مشکلات قبلی غلبه کند ، فراهمکرده است. نوآوري انتقال حرارت سیالات محلول با ذرات جامد با سایز نانو، نانوسیال نامیده می شو د. ای ن نانوذراتمحلول می توانند خواص حرارتی و انتقالی سیال پایه را تغییر دهند.

در گذشته، افزایش ظرفیت تبادل گرماي مبدل هاي حرارتی با ایجاد تغییر در شرایط مرزي یا هندسه جریان،هندسه مبدل و یا با تغییر نوع سیال و افزایش ضریب هدایت حرارتی آن صورت می پذیرفت. اما با ظهور تکنولوژينانو، استفاده از محلول هاي با پایه ي مایعات و شامل نانوذرات (ذرات معلق جامد با ابعاد نانومتر) جهت افزایش انتقالحرارت در مبدل هاي حرارتی رشد چشم گیري یافت. بکارگیري این شیوه روي نانوسیالات که فقط در حدود دو دهه ي اخیر صورت پذیرفته است، نشان داده که استفاده از نانوذرات جامد درون سیالات موجب افزایش قابل توجه ضرایب انتقال حرارت و تغییر خواص آنها می گردد [1].

بطور کلی، نانوسیالات ذرات معلق پایدار با اندازه ي نانو در مایعات رسانا هستند که می توانند به عنوان سیالات مخصوص انتقال گرما، عوامل شیمیایی، مواد فرایندي یا استخراجی و مواد دارویی [2] و [3] استفاده شوند .

در حالت کلی، استفاده از نانوذرات فلزي با هدایت حرارتی بالا مانند مس، آلومین یوم ، نقره و سیلیکون انتقالحرارت نانوسیالات را افزایش داده و در نتیجه باعث افزایش قابلیت کلی انتقال انرژي آنها می شود . تحقیقات تجرب ی زیادي بر روي انتقال حرارت جابه جایی در نانوسیال وجود داشته و نتا یج ای ن مطالعات نشان م یدهند که انتقال حرارت جابه جایی با افزایش غلظت نانوذرات افزایش می یابد

1-1 تولید نانوسیالات و کاربردهاي آنها

مطابق مطالب ارائه شده در مرجع [4] دو روش اصل ی برا ي تهی ه ي نانو سیالات وجود دارد؛ یکی، روش تکمرحله اي و دیگري ،روش دو مرحله اي. در روش تک مرحله اي، تهیه نانو ذرات و مخلوط کردن آن با س یال پای ه بهطور همزمان انجام می شود اما در روش دوم، نانوذرات تهیه شده و پس از آن در سیال پایه پراکنده می شوند.

نانوذرات مورد استفاده در نانوسیالات از مواد مختلفی ساخته می شوند که از آن جمله می توان به سرامیک هاياکسیدي( 3𝐴𝐴𝑙𝑙2𝑂𝑂 و 𝐶𝐶𝑁𝑁𝑂𝑂)، سرامیک هاي نیتریدي (𝐴𝐴𝑙𝑙𝑁𝑁 و 𝑆𝑆𝑙𝑙𝑁𝑁)، سرامیک هاي کاربیدي( 𝑇𝑇𝑙𝑙𝐶𝐶 و 𝑆𝑆𝑙𝑙𝐶𝐶)، فلزات (𝐴𝐴𝑁𝑁 ،𝐶𝐶𝑁𝑁 و 𝐴𝐴𝑘𝑘)، نیمه رساناها( 2𝑇𝑇𝑙𝑙𝑂𝑂) و نانولوله هاي کربنی اشاره نمود. از سویی، انواع مختلفی از سیالات همچونآب، اتیلن گلیکول و روغن ها به عنوان سیال پایه در نانوسیالات به کار می روند. کسر حجمی نانوذرات( ϕ) معمولاًزیر 10% در نظر گرفته می شود. این مقدار با توجه به دو مبنا، وارد می گردد؛ یکی افزایش خواص انتقال حرارت بهخاطر افزایش کسر حجمی نانوذرات و دیگر افزایش رسوب و افت اصطکاکی به علت افزایش نانوذرات معلق درنانوسیال. بنابراین مقدار کسر حجمی مناسب بایستی بهینه یابی گردد .

تا کنون، کاربردهاي بسیار متعددي در زمینه نانوسیالات مطرح شده است. از مهم ترین کاربرد هاي نانوسیالات می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

خنک کاري تجهیزات تولید در صنایع جوشکاري

خنک کاري موتور خودروها در حمل و نقل

افزایش انتقال حرارت مایعات خنک کننده و روانکارها

خنک کاري قطعات الکترونیکی مثل لوله هاي ماکروویو و دیودهاي لیزر

نانوذرات مغناطیسی در زیست سیالات به عنوان وسایل حمل دارو به سلول هاي سرطانی

استفاده در رآکتورهاي هسته اي

تولید مایعات تریبولوژیک (جهت روانکاري) و سورفاکتانت ها (جهت کاهش کشش سطحی).

1-2 مزایا و معایب استفاده از نانوسیالات در تبادل هاي حرارتی

هر تکنولوژي یا فرآیندي که در طول تاریخ سودمند افتاده بدون شک داراي معایبی نیز بوده است. استفاده ازنانوسیالات در مبدل هاي حرارتی نیز یکی از همین تکنولوژي هاي نوینی است که در این قسمت به معایب و مزایايآن اشاره می گردد.

از مزایاي نانوسیالات در حوزه ي تبادل حرارتی سیالات می توان به بهبود انتقال حرارت، کاهش اندازه ي سیستم انتقال حرارت (مبدل یا سیستم تبریدي)، کم کردن ناخالصی، میکروکانال هاي خنک کننده و کوچک سازي در طرح ها اشاره نمود.

از سوي دیگر می توان مواردي از جمله افزایش مقاومت هیدرولیکی جریان و نیز خوردگی یا رسوب احتمالی آن را براي معایب استفاده از نانوسیالات (بخصوص بدون پایدارساز) بیان نمود.

یک نقطه ضعف دیگر براي مسیرهاي سینوسی آن است که این مسیرها براي کاربردهاي ساختارهاي مسطح،مانند مبدل هاي پره دار مسطح، مناسب نمی باشند؛ چرا که این لوله ها نمی توانند در نزدیک یکدیگر مونتاژ شوند یعنیقابلیت توده شدن ضعیفی داشته و استفاده ي ضعیف و نامناسبی از سطح و فضاي موجود را در بر دارند. تمایل بشر بهتراکم سطح داراي افزایش و ضرایب انتقال حرارت بهبودیافته، منجر به انجام تحقیقات در خصوص نحوه ي جری ان و مشخصات عملکرد انتقال حرارتی مسیرهاي سینوسی در این گونه از مبدل هاي حرارتی می گردد. بطور کلی، از آنجاکه اختلاط شدیدتر سیال با خمیدگی هاي متناوب ایجاد م ی گردد، قاعدتاً افزا یش انتقال حرارت در این مبدل هابایستی حاصل شود.

با بررسی، ترکیب و جمع بندي نتایج مقالات در این زمینه میتوان به موضوعی جدید در بحث افزایش انتقالحرارت درون مبدل ها دست یافت و آن استفاده از جریان نانوسیال در مبدل هاي داراي لوله هاي سینوسی است . با درنظر گرفتن این زمینه در جریان آرام نانوسیالات مختلف بر اساس شیوه هاي تبادل حرارتی مختلف (یعنی شار ثابت ودما ثابت) در کنار شیوه هاي گوناگون ساخت مبدل (سطح ثابت یا طول لوله ثابت) می توان راهنماي بسیار خوبیجهت دستیابی به یک مبدل نانویی بهینه پیدا نمود . در ادامه به روش هاي مختلف افزایش تبادل حرارت پرداختهمی شود.

1-3 روش هاي افزایش تبادل و انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتی

مبناي تبادل حرارت در مبدل هاي حرارتی جریان سیال با ضریب انتقال حرارت معلوم بوده و مطابق روابط، نرخ اینتبادل به ضریب ℎ𝐴𝐴 وابسته می باشد. لذا هرگونه فعالیت در زمینه افزایش ضریب یا سطح 𝐴𝐴 منجر به افزایش موردنظر خواهد گردید. بسته به کاربرد ،در برخی موارد صفحات انتقال حرارت ساده یا افزایشی استفاده م ی شود . سطوحافزایش یافته ي حرارتی یا همان پره ها، هندسه خاصی دارند. در صنعت خودرو و تبری د، معمولامعمولاً سطوح افزایش ی در مبدل هاي حرارتی استفاده می شود. همچنین در صنایع فرآیندي و در تجهیزات پزشکی نیز سعی در استفاده از سطوحانتقال حرارت افزایشی در مبدل هاي حرارتی می باشد. اما در برخی موارد، به دلیل آن که محدودیت فضایی و مکانیوجود دارد از افزایش ضرایب تبادل حرارت (جابجایی یا هدایتی) استفاده خواهد شد؛ استفاده از نانوسیالات نیز یکیاز همین روش ها و موارد است. از سویی مطابق دسته بندي محققین، روش هاي مختلف ی برا ي افزا یش انتقال حرارتوجود دارد که در سه گروه زیر طبقه بندي می شوند:

الف) روش هاي فعال (Active) ب) روش هاي غیرفعال (Passive) ج) روش هاي ترکیبی

در روش هاي فعال، اعمال یک نیروي خارجی بر صفحه الزامی است (لرزش صفحه، میدان صوت ی ی ا الکتریک ی)، در حالی که در روش هاي غیرفعال از هندسه هاي خاص صفحه ی ا مواد افزودنی برا ي افزا یش انتقال حرارت استفادهمی شود.

1-3-1 روش هاي فعال

در این روش ها، براي افزایش انتقال حرارت نیاز به یک نیروي خارج ی است. انواع روش ها ي فعال دربرگیرنده ي تکنیک هایی هستند که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد. یکی، تجهی زات کمک ی مکان یکی، شامل به حرکتدرآوردن مایع بوسیله تجهیزات مکانیکی یا توسط چرخش سطح در مبدل هاي با لوله هاي چرخا ن، دیگري، ارتعاش سطح در فرکانس هاي بالا و پایین که به طور عمده براي افزایش انتقال حرارت جریان تک فاز به کار می رود.

1-3-2 روش هاي غیرفعال

این روش ها از طریق ایجاد اغتشاش در جریان و یا تغییر رژیم جریان بدون نی از به نی روي خارج ی، موجب افزایش انتقال حرارت می شوند که همواره با افت فشار همراه است. روش هاي غیر فعال شامل مواردي می باشند که عبارتند از :

یکی سطوح روکش شده یا اندود شده و دیگري سطوح زبر؛ سطوح روکش شده یا اندود شده داراي پوشش هاي فلز ي مانند ذرات فلزي چسبیده به سطح ی ا پوشش ها ي غیرفلز ي مانند تفلون هستند. در شکل 1 -1 نمونه ها ي سطوحروکش شده یا اندود شده دیده می شود. ایجاد روکش ناصاف فلزي روي سطح و یا ایجاد حفره ها ي مکان یکی باعثایجاد مواضع تشکیل بخار روي سطح می شوند که بخار را داخل خود محبوس کرده به حباب تبدیل می کنند. افز ایش مواضع تشکیل بخار روي سطح موجب افزایش جوشش هسته اي تا 10 برابر حالت سطح صاف می گردد . ایجاد این روکش ناصاف فلزي از طریق تفت جوشی، لحیم کاري، پاشش شعله و ته نشین شدن الکترولیتی صورت م گیرد. در حالت چگالش این روش با استفاده از تفلون موجب شکسته شدن چگالش فیلمی به چگالش قطره اي م ی گردد کهافزایش تماس بخار با سطح سرد و افزایش انتقال حرارت چگالشی را در پی خواهد داشت.


 

شکل 1 -1: سطوح روکش شده یا اندود شده

 

از سویی ساختار سطوح زبر عموماً براي آشفتن زیرلایه لزج انتخاب شده و هدف استفاده از این سطوح ، معمولاً افزایش سطح انتقال حرارت نمی باشد. کاربرد صفحات زبر عمدتاً منحصر به جریان هاي تک فاز می شود.

 

1-4 تعریف مسأله، تئوري و فرضیات

همان گونه که پیش از این اشاره شد، مسئله ي مورد نظر در این پایان نامه، بررسی وضعیت تبادل حرارت در مقابل افت فشار تحمیلی بهنگام استفاده از مبدل هاي لوله سینوسی نسبت به انواع لوله مستقیم می باشد. این مسئله نیازمند انتخاب یک راه حل عددي مناسب و تحلیل نتایج بدست آمده از آن است.

1-4-1 هندسه و شرایط مرزي

شکل 1 -2 جهت روایت تصویري از شرایط مرزي و هندسه ي مسائل پیش رو در این تحقیق، ارائه می گردد. مقطعلوله در این شکل، بخاطر تقارن (که در بخش هاي آتی به آن اشاره می شود) به صورت نیم دایره در نظر گرفته شدهاست.

 


 

شکل 1 -2: هندسه و شرط مرزي مسائل مورد مطالعه در این پایان نامه

 

1-4-2 فرضیات مسئله

در تحقیق پیش رو، به بررسی میزان بهبود تبادل حرارت در مبدل هاي لوله سینوسی و جریان نانوسیال پرداخته می شود .

این حالت نیاز به تعریف برخی از فرضیات دارد که مهم ترین فرضیاتی که در این تحقیق استفاده می شود عبارتند از:

تحلیل جریان نانوسیال به صورت سه بعدي

جریان آرام

جریان دائم

جریان کاملاً توسعه یافته

خواص سیال متناسب با دما و کسر حجمی در طول مسیر جریان

بدون واکنش هاي شیمیایی (با لوله یا درون مخلوط خود)

نیروهاي خارجی قابل صرفنظر (مانند گرانش)

نفوذناپذیري یا نشت ناپذیري لوله

مخلوط رقیق از نانوذرات (کسر حجمی زیر 10%)

تراکم ناپذیري جریان

انتقال حرارت تششعی و جابجایی طبیعی قابل صرفنظر

وجود تعادل حرارتی محلی بین نانوذرات و سیال پایه

دماي توده اي (بالک) موضعی براي ذرات مخلوط

شرط مرزي هاي شار ثابت و دما ثابت بر روي دیواره لوله ها

سرعت نسبی صفر بین سیال پایه و نانوذرات (هم سرعت بودن فاز سیال و ذرات جامد)

علیرغم این حقیقت که نانوسیال یک مخلوط دو فازي است، از آنجا که ذرات جامد داراي سایز بسیار کوچکیهستند، براحتی جریان یافته و می توان آنها را داراي رفتاري مشابه سیال پایه و بصورت تکفاز در نظر گرفت [5]. در حقیقت، با فرض کسر حجمی کم از نانوذرات می توان بطور معقول، رفتار نانوسیال را با شرایط معین به صورتجریان تک فاز در نظر گرفت [6].

رهیافت تک فاز فرض می کند که فاز سیال و ذرات در تعادل حرارتی بوده و با یک سرعت حرکت      میکنند. اینرهیافت، ساده تر بوده و زمان محاسباتی کمتري نیز نیاز دارد. از این رو، رهیافت گفته شده در چندین مطالعه و تحقیقتئوري استفاده شده است (براي نمونه [7] تا [21]). به هر حال، بعلت این حقیقت که خواص مؤثر نانوسیالات بطوردقیق شناخته شده نمی باشند، در حالت کلی پیش     بینیهاي عددي به شرایط فیزیکی مؤثر فرض شده، وابسته هستند.

به طور کلی، پژوهش مذکور به دنبال یافتن پاسخی براي این سوال می باشد که آیا مبدل لوله سینوسی با جریانآرام نانوسیال نسبت به مبدل لوله مستقیم با همان طول و سطح تبادل داراي جریان سیال معمول (مانند آب) بهبودبازدهی حرارتی و عملکردي دارد؟

همچنین جریان هایی که می توانند در این هندسه قابل تحلیل و بررسی باشند، هر دو جریان آشفته و آرام هستند امااز آنجا که، در جریان هاي آشفته، شکل سینوسی لولهها یا اضافه نمودن نانوذرات اثر خیلی مهمی بر انتقال حرارت ایجاد نمی نماید و از سویی در جریان هاي آشفته، ساختار آشفته جریان، پارامتر غالب بوده و نانوذرات بعلتجلوگیري از تشکیل ساختارهاي گردابه اي ممکن است اثر ناسازگار و مخالف بر انتقال حرارت در جریانات آشفته نیز بگذارند، لذا بهتر است فقط جریان آرام مورد تحلیل قرار گیرد.

از سویی، مطابق نتایج بدست آمده توسط محققین، استفاده از کسر حجمی بالاي نانوذرات( ϕ) در محلولنانوسیالات از یک طرف موجب انتقال حرارت بهتر نانوسیال به علت حضور ذرات جامد با رسانش گرمایی خوب گردیده و از طرف دیگر منجر به افزایش رسوب ذرات جامد و افزایش افت فشار هیدرولیکی خواهد شد؛ لذا یافتنمقدار بهینه براي کسر حجمی لازم است که این مقدار در اکثر تجربیات زیر 10% میباشد.

نکته ي دیگر در این پژوهش آن که، لوله هاي سینوسی با تشکیل موج سینوس یا کسینوس از یک لوله مستقیم باطول مشخص، ایجاد می شوند. هر لوله در پروفیل سینوسی دو ویژگی مهم دارد (شکل 1 -3):

• طول موج (فاصله دو نقطه با مختصات یکسان) با نماد L

• دامنه با نماد A


 

شکل 1 -3: شماتیک یک لوله موج سینوسی جهت تحلیل و محاسبات انتقال حرارتی

————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

پایان نامه های موجود در سایت فقط در صورت دریافت پکیج طلایی انسیس قابل دریافت است.
برای دریافت این پایان نامه و تمامی پایان نامه های سایت، پکیج طلایی انسیس را خریداری بفرمایید. پس از خریداری پکیج طلایی لینک دانلود پایان نامه ها فعال خواهد شد.
شماره های تماس :
05142241253
09120821418

دریافت پکیج طلایی

————————————————————————————————————————————–