تحقیق عددی انتقال حرارت جریان نانوسیال در مبدل های حرارتی لوله-پره ای همراه با تولید کننده گردابه

STUDENT

DEGREE

YEAR

The subject of the heat transfer enhancement has significant interest to develop the compact heat exchangers in order to obtain a high efficiency, low cost, light weight, and size as small as possible. Several methods for increasing the heat transfer rate in heat exchangers including placement turbulence producing devices, roughened surfaces and the use of nanofluids has been proposed. According to the investigations conducted, the combination effects using vortex generators and nanofluids as the techniques of the passive heat transfer enhancement in order to improve the performance of finned-tube heat exchangers has not been reported in literatures. In this research, a numerical investigation of heat transfer and nanofluid flow in finned-tube heat exchangers with delta winglet vortex generators was discussed. In the present work, the convective heat transfer of nanofluids with the assumption constant properties and single-phase was performed. All three-dimensional simulations were performed using k-? (SST) turbulence model by FLUENT software. In the first chapter, two methods of heat transfer enhancement namely the use of vortex generators and nanofluids has been introduced and in the second chapter a review of numerical and experimental studies about the use of vortex generators and nanofluids in variety of heat exchangers is presented. In the next chapter, the investigated geometry, boundary conditions and equations is described. Next three chapters are devoted to results of this research. In the results sections, the effects of nanoparticles (TiO 2 , Al 2 O 3 and CuO) and the base fluids (water and ethylene glycol) on heat transfer, pressure drop and the coefficients of performance were evaluated. Eleven different types of geometries related to tubes and winglet have been investigated, and the effects of parameters such as shape, dimensions and arrangement of the winglet and also tubes diameter on heat transfer and fluid flow characteristics were investigated. Then, the optimization of vortex generators in terms of the angle of attack, dimensions and placement position in selected geometry among the eleven types introduced previously was determined. Based on the survey results, the optimal conditions were determined for each of the parameters associated with vortex generators. The studies conducted in the last two sections were performed in fixed Reynolds number of 1000 and for water working fluid. Finally, the effects of simultaneous use of the two passive heat transfer enhancement methods namely use of vortex generators and nanofluids (combined effects) in optimized finned-tube heat exchanger were discussed for different Reynolds numbers (300-2200). The present work showed that the simultaneous use of nanofluid and vortex generator causes significant enhancement on the heat transfer. Also the increase of nanofluid concentration has positive effects on the heat transfer. It was observed that the convective heat transfer coefficient increases maximum about 70% and 117% in the case of simultaneous use of vortex generator and nanofluid of TiO 2 /Water with concentrations of 1% and 6%, respectively, when they were compared with a case without vortex generator and water as a working fluid. Keywords finned-tube heat exchanger; delta winglet vortex generator; nanofluid; numerical simulation; heat transfer enhancement; optimization

مبدل های حرارتی به‌صورت جداگانه یا به‌عنوان جزیی از سیستم های حرارتی بزرگ در انواع گسترده ای از کاربردهای تجاری، صنعتی و خانگی از قبیل سیستم های تهویه مطبوع، تبرید، تولید توان، صنایع هوا و فضا، خودروسازی، فرآیندهای ساخت، خنک کاری تجهیزات الکترونیکی و کاربردهای مهندسی شیمی و محیط‌زیست و ... استفاده می شوند. موضوع افزایش انتقال حرارت توجه زیادی را برای توسعه مبدل‌های حرارتی فشرده به‌منظور دستیابی به راندمان بالا، هزینه پایین، وزن سبک و اندازه تا حد امکان کوچک، به خود جلب کرده است. روش‌های متعددی برای افزایش نرخ انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی از جمله قرار دادن مغشوش کننده های جریان، زبر کردن سطوح و استفاده از نانوسیالات به‌عنوان روش‌های موثرتر مطرح شده است. با توجه به بررسی های انجام‌گرفته، تاکنون ترکیب دو روش افزایش انتقال حرارت یعنی کاربرد همزمان مولدهای گردابه و نانوسیالات به‌عنوان روش‌های غیرفعال افزایش انتقال حرارت، به‌منظور بهبود عملکرد مبدل‌های حرارتی لوله-پره در منابع گزارش نشده است و تمام موارد موجود مربوط به استفاده از هر کدام از این دو عامل به تنهایی باهدف افزایش عملکرد مبدل‌های حرارتی می باشد. در این تحقیق به مطالعه و بررسی عددی انتقال حرارت و جریان نانوسیال در مبدل‌های حرارتی لوله-پره ای همراه با مولدهای گردابه باله مثلثی پرداخته شد. مطالعات متعددی توسط محققین روی انتقال حرارت جابه‌جایی نانوسیالات با دو رویکرد تک فاز و دو فاز انجام‌شده است. در کار حاضر، انتقال حرارت جابه‌جایی نانوسیال با فرض خواص ثابت و تک فاز (همگن) صورت پذیرفت. در فصل اول دو روش افزایش انتقال حرارت یعنی استفاده از مولدهای گردابه و نانوسیالات معرفی‌شده و در فصل دوم، تاریخچه ای از مطالعات عددی و تجربی در مورد کاربرد مولدهای گردابه و نانوسیالات در انواع مبدل‌های حرارتی بیان‌شده است. در فصل بعدی هندسه مورد بررسی معرفی‌شده و شرایط مرزی و روابط مورد استفاده تشریح شده است. در ادامه، نتایج تحقیق در سه بخش ارائه می شوند. شروع کار به تعیین نانوسیال بهینه یعنی نانوسیالی که در کنار افزایش انتقال حرارت باعث تحمیل حداقل میزان افت فشار (افت فشار منطقی) به سیستم شود، اختصاص یافت. برای این منظور، اثرات نوع نانوذره (نانوذرات TiO 2 ، Al 2 O 3 و CuO) و نیز نوع سیال پایه (آب و اتیلن گلیکول) روی انتقال حرارت، افت فشار و ضریب عملکرد حرارتی مورد بررسی قرار گرفت. در فصل پنجم، به بررسی 11 نوع مختلف از هندسه‌های مرتبط با لوله و باله پرداخته و اثرات پارامترهایی همچون شکل، ابعاد و چیدمان باله ها و نیز قطر لوله‌ها روی مشخصه های انتقال حرارت و جریان سیال، بررسی شد. سپس بهینه‌سازی مولدهای گردابه از لحاظ زاویه حمله، ابعاد و موقعیت جای گیری آن ها در هندسه انتخاب‌شده در بین یازده نوع معرفی‌شده در فصل پنجم در دستور کار قرار گرفت. مبتنی بر نتایج این بررسی ها، شرایط بهینه برای هر یک از پارامترهای مرتبط با مولد گردابه تعیین شد. مطالعات انجام‌شده در این دو قسمت اخیر در عدد رینولدز ثابت 1000 و برای سیال عامل آب انجام شد. در پایان، به بررسی تأثیر استفاده همزمان از دو روش غیرفعال افزایش انتقال حرارت یعنی کاربرد مولدهای گردابه و نانوسیال (روش ترکیبی) در مبدل حرارتی لوله-پره ای بهینه‌شده در فصل پنجم در محدوده اعداد رینولدز 2200-300 پرداخته شد. تمام مطالعات انجام‌شده در این تحقیق به‌صورت سه بعدی، با استفاده از مدل توربولانسی (SST) k-? (وجود لوله و مولد گردابه باعث ایجاد جریان مغشوش شده است) و توسط نرم‌افزار فلوئنت انجام شدند. نتایج این تحقیق نشان داد که کاربرد همزمان نانوسیال و مولد گردابه باعث افزایش قابل‌توجه انتقال حرارت شده و افزایش غلظت نانوسیال نیز تأثیر مثبتی بر انتقال حرارت داشته و باعث بهبود آن می شود. مشاهده شد که ضریب انتقال حرارت جابه جایی در حالت استفاده همزمان از مولد گردابه و نانوسیال آب/TiO 2 با غلظت‌های %1 و %6، به ترتیب حداکثر در حدود %70 و %117 نسبت به حالت استفاده از سیال عامل آب و عدم کاربرد مولدهای گردابه، افزایش یافت. کلیدواژه ها: مبدل حرارتی لوله-پره، مولد گردابه باله مثلثی، نانوسیال، شبیه سازی عددی، افزایش انتقال حرارت، بهینه‌سازی