SUPERVISOR
Arjomand Mehrabani zeinabad
ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما)
STUDENT
Milad Nahavandi
میلاد نهاوندی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
ComputationalFluid Dynamics ( CFD) Modelingof a Heat Exchanger under EHD Effect forEnhancing HeatTransfer
Enhancement of heat transfer is very important in saving energy and protection of environment. On the other hand, heat transfer duty of heat exchangers can be improved by heat transfer enhancement techniques. In general, these techniques can be categorized into two groups of active and passive. The active techniques require external forces, e.g. electric field, acoustic or surface vibration. The passive techniques require fluid additives or special surface geometries. Electrohydrodynamic (EHD) has been used widely as an active method for enhancing heat transfer. It protects environmental issues and energy sources. The electrohydrodynamic (EHD) enhancement of heat transfers refers to the coupling of an electric field with the fluid field in a dielectric fluid medium. In this technique, either a DC or an AC high-voltage low-current electric field is applied in the dielectric field medium flowing between a charged and a receiving (grounded) electrode. Previous researches in the field of EHD augmented two-phase flow have shown that the electric field induces an additional electrical body force on the flowing fluids. One of its applications is in condensation of vapor. In this investigationcondensation of R-134a through interior pipe of a vertical double pipe condenser in presence of electric field simulated based on computational fluid dynamics (CFD) software (Comsol Multiphysics). The double pipe condenser with length of 1 meter is composed of an internal pipe with internal and external diameter of 28 mm and 31 mm and external pipe with corresponding diameter of 31 mm and 34 mm. The condenser was equipped with a concentric copper electrode at various diameters of 4, 6, 8, 12 mm. Variation of phase field, fluid temperature, condensation heat flux, electric field, dielectric permitivity and imposed electrohydrodynamic force on passing fluid through internal pipe were collected and analyzed. After validation of simulation data with experimental results, variation of R-134a condensation heat transfer coefficient versus applied voltages, saturated vapour qualities, electrode diameters and temperature differences between cold surface and the vapour, were evaluated. Simulation results show an increasing on thermal conductivity of liquid R-134a influence of electric field at different temperature. This coefficient increases by increasing the electric field strength and it decreases by increasing temperature. Also, condensation coefficient of vapour R-134a decreases by increasing operating pressure, so for the vapour with quality of 75% at pressure up to 1200 kPa decreases to 0.04, and for the vapour with quality of 100% at pressure up to 2000 kPa drops to 0.18. Simulation results shows condensation heat transfer coefficient of R-134a saturated vapor under applied voltages 2,4 and 6 kV, is higher than similar value in the absence of electric field, and it increases for higher electrode diameter. Based on this result the maximum increase of R-134a condensation heat transfer coefficient is 37.7% by using of the 12 mm electrode diameter, applying of 6 kV applied voltages, 20 Kelvin temperature difference, 1948 kPa operating pressure and flowing of 0.015 kg/s R-134a vapour. Furthermore, simulation results show switching of applied electric polarity to pipe and electrode has no effect on condensation heat transfer coefficient of R-134a. Keywords: condensation heat transfer coefficient, condensation coefficient, phase field, electrohydrodynamic force
تقویت انتقال گرما نقش مهمی در جلوگیری از اتلاف انرژی و حفاظت از محیط زیست دارد. از طرف دیگر ظرفیت انتقال گرمای مبدل های گرمایی می تواند توسط روش های تقویت انتقال گرما بهبود یابد. به طور کلی این روش ها به دو دسته فعال و غیر فعال تقسیم می شوند. روش های فعال نیازمند نیروهای خارجی مانند نیروی الکتریکی ، نیروی صوت و یا لرزش سطح هستند. روش های غیر فعال نیازمند افزودنی های سیال و یا هندسه خاص می باشند. الکتروهیدرودینامیک به عنوان یک روش فعال به صورت گسترده در جهت تقویت انتقال گرما، در نتیجه کاهش مصرف انرژی و حفاظت از محیط زیست به کار می رود. این روش به فرایند کوپل کردن میدان الکتریکی با میدان سیال در محیط سیال دی الکتریک تلقی می گردد. در این روش هر دو میدان ولتاژ بالا و جریان پایین مستقیم و غیر مستقیم می تواند بر سیال دی الکتریک جاری بین الکترودهای مثبت و منفی اعمال گردد. پژوهش های پیشین نشان می دهد میدان الکتریکی در جریان های دو فاز، نیروی حجمی اضافه ای را بر سیال جاری وارد می نماید. یکی از کاربردهای این روش در چگالش بخار است. در این پژوهش فرآیند چگالش سیال R-134aدرون لوله داخلی یک چگالنده عمودی دو لوله ای در حضور میدان الکتریکیبا کاربرد نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی شد. چگالنده دولوله ای به طول موثر یک متر، مشتمل بر لوله داخلی به قطر درونی و بیرونی 28و 31 میلی متر، و لوله بیرونی به قطر درونی و بیرونی 36و 40 میلی متر می باشد که در مرکز لوله داخلی، الکترودهای مسی با قطرهای4، 6، 8، 10 و 12 میلی متری تعبیه می گردد. در این سیستم تغییرات میدان فازی، دمای سیال، گرمای ناشی از چگالش بخار اشباع، میدان الکتریکی، نفوذپذیری نسبی الکتریکی سیال، و نیروی الکتروهیدرودینامیک وارد شده بر سیال عبوری از لوله درونی مبدل بدست آمد و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. پس از تایید مدل در مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی و نتایج تجربی موجود، نحوه تغییرات ضریب انتقال گرمای چگالش سیال R-134aبا تغییرات ولتاژ اعمال شده، کیفیت بخار اشباع، قطر الکترود و اختلاف دمای بین سطح سرد و بخار اشباع بررسی شد.نتایج حاصل از شبیه سازی حاکی از افزایش ضریب رسانش گرمایی مایع R-134aدر دماهای مختلف تحت تاثیر میدان الکتریکی می باشد به گونه ای که با افزایش قدرت میدان الکتریکی، مقدار این ضریب افزایش یافته در حالیکه با افزایش دما مقدار آن کاهش می یابد. همچنین نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که ضریب چگالش بخار اشباعR-134a با افزایش فشار عملیاتی کاهش می یابد به طوریکه مقدار این ضریب برای کیفیت بخار 75% در فشارهای بالاتر از 1200 کیلوپاسکال به حداقل 04/0 تقلیل می یابد و برای کیفیت بخار 100% تحت فشارهای بیشتر از 2000 کیلوپاسکال به حداقل 18/0 می رسد. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که ضریب انتقال گرمای بخار اشباع R-134a تحت ولتاژهای 2، 4 و 6 کیلوولت در مقایسه با شرایط متناظرش، که میدان الکتریکی وجود ندارد بیشتر بوده و مقدار آن با افزایش قطر الکترود نیز افزایش می یابد، به طوریکه ضریب انتقال گرمای چگالش برای الکترود 12میلی متری در ولتاژ 6 کیلوولت، اختلاف دمای 20 کلوین، فشار 1948 کیلوپاسکال و دبی جرمی[kg/s] 015/ 0، به میزان حداکثر 7/37% افزایش می یابد. بر اساس نتایج شبیه سازی، تغییر قطب بدنه یا الکترود از منفی به قطب مثبت هیچ گونه تاثیری بر مقدار ضریب انتقال گرمای چگالش ندارد. کلمات کلیدی: 1- ضریب انتقال گرمای چگالش 2-ضریب چگالش 3- میدان فازی 4- نیروی الکتروهیدرودینامیک