SUPERVISOR
Mohsen Saghafian,Mohamadreza Salimpour
محسن ثقفیان (استاد مشاور) محمدرضا سلیم پور (استاد راهنما)
STUDENT
Amir Dehshiri Parizi
امیر ده شیری پاریزی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Experimental investigation of nanofluid laminar flow heat transfer through conduits with different cross sections by uniform wall tempreture
Absract Energy costs have soared rapidly in the last decade and there is tremendous need for new kinds of heating/cooling fluids, to improve heating system performance and reduce equipment size and energy consumption. Study of thermal characteristics for laminar fully developed flow thruogh conduits with different cross-sections is significant in design of heat exchangers. The primary objective of the heat exchanger designer is to work with geometeries that yield (1) a high value of heat transfer area to volume ratio (2) a high value of heat transfer coefficient and (3) a corresponding low value of friction factor. Nanofluids are a new phenomenon of working fluids with high thermal potential used for industrial applications such as construction of compact heat exchangers. It seems we can achive the primary objective of the heat exchanger designs by using of non-circular cross sectio instead of circular cross section and using of nanofluids instead of conventional fluids. Therfore in this study, we investigate experimental laminar forced convective heat transfer of nanofluid through conduits with different cross sections. We study the effects of different parameters such as cross section shape(circle, square, rectangle and triangle), Reynolds number(500-2400) and volume concentration of nanoparticles in suspension(0.2% and 0.5%) on heat transfer by designing and assembling of an experimental aparatus. Very good agreement between experimental data and Seider-Tate equation results for distilled water were obtained which emphasizes the accuracy of experiments. Experimental results indicate that the Nusselt number increases with increment of Reynolds number and volume fraction of TiO 2 nanoparticles. For a specific range of Reynolds number, the Nusselt numbers of Nano fluid are higher than those of the base fluid for all cases. This illustrates that adding a few amount of nano powder can improve Nusselt number in conduits. The average enhancement of 5.84%, 7.37%, 7.21 and 7.18 for volume fraction of 0.5% and average enhancement of 2.74%, 3.17% , 3.20 and 3.36% for volume fraction of 0.2% were observed in conduits with circular, square, rectangle and triangle cross sections, respectively. Experimental data express that Nusselt number of circular case for all range of Reynolds number at specific volume fraction is higher than that of other three cases and Nusselt number of square and rectangle are higher than that of triangle case. For example at Reynolds number of 2000 for nanofluids at 0.5% volume fraction of TiO 2 nanoparticles, the Nusselt number is 10.41, 10.08, 9.91 and 8.85 for circular, square, rectangle and triangle cross section, respectively. For a specific Reynolds number and volume fraction of TiO 2 nanoparticles, the Nusselt number of fluids flow through conduit with circular cross sections is more than that of conduits with square, rectangle and triangle cross sections. The relative enhancement of Nusselt number of working fluids flow through conduit with circular cross section is less than that of conduits with square, rectangle and triangle cross section. This behavior indicates that heat lost in sharp angles is reduced. Keywords: heat transfer, TiO 2 /water nanofluid, different cross section, uniform wall temperature
بدون شک علم انتقال گرما یکی از مهم ترین و پرکاربردترین علوم مهندسی است که با توجه به مساله بحران انرژی و لزوم صرفه جویی در مصرف سوخت، اهمیت آن چندین برابر می شود. در این مسیر یافتن راهکارهای مفید که بتواند موجب کاهش مصرف انرژی گردد، ارزشمند و قابل تحسین است. هدایت حرارتی پایین سیالات مرسوم انتقال دهنده گرما همچون آب، روغنها، اتیلن گلیکول و ... باعث کاهش راندمان تجهیزات می شود. فن آوری نوپای نانوتکنولوژی در اینجا به یاری محققان آمده و نسل جدید مبرد ها با ظرفیت بالای انتقال حرارتی به نام نانوسیال را معرفی کرده است. همچنین بدلیل اهمیت مبدلهای حرارتی در فرآیندهای صنعتی، امکان پیش بینی انتقال حرارت در طراحی این تجهیزات مهم می باشد. انتخاب هندسه مناسب برای سطح مقطع کانال های انتقال حرارت، یک فاکتور مهم در طراحی مبدل حرارتی فشرده میباشد. از اینرو در مطالعه ای که انجام خواهد شد افزایش انتقالحرارت در اثر افزودن نانوذرههای اکسید تیتانیوم به آب مورد بررسی قرار خواهد گرفت. آزمایشها در درون کانالهای صاف با سطحمقطع های مختلف(دایرهای، مربعی، مستطیلی و مثلثی) جهت بررسی انتقالحرارت نانوسیالات در کانالهای مدور و غیرمدور با درصدهای حجمی متفاوت از ذرات نانو(2/0 و 5/0 درصد حجمی) در جریان آرام داخل کانال با دمای ثابت سطح انجام شده، سپس ضریب انتقالحرارت و عدد ناسلت تجربی نانوسیالات باغلظتهای مختلف داخل کانالها باسطحمقطع مشخص به کمک روابط انتقالحرارت جابجایی و اندازهگیری دما و سرعت نانوسیال بدست میآوریم. با مقایسه عدد ناسلت نانوسیال و سیال پایه میتوان تأثیر افزودن نانوذرهها به سیال پایه را روی انتقالحرارت نانوسیال مشاهده نمود. سپس تأثیر شکل سطحمقطع، غلظت ذرات نانو و عدد رینولدز روی عدد ناسلت نانوسیالات را بارسم نمودارهای مربوطه بررسی میکنیم. افزودن نانوذرهها به سیال پایه موجب بهبود چشمگیری در خواص انتقالحرارت میگردد، بطوریکه در غلظتهای پایین حجمی نانوذرهها باز هم عدد ناسلت نانوسیال نسبت به سیال پایه بیشتر است. متوسط افزایش نسبی عدد ناسلت برای نانوسیال TiO 2 /water در کانال دایره ای برای غلظت های 2/0% و 5/0% حجمی بترتیب برابر با 74/2% و 84/5% می باشد. متوسط افزایش نسبی عدد ناسلت برای این نانوسیال داخل کانال مستطیلی برای غلظت های 2/0% و 5/0% حجمی بترتیب برابر با 20/3% و 21/7% میباشد. متوسط افزایش نسبی عدد ناسلت برای این نانوسیال در کانال مربعی برای غلظت های 2/0% و 5/0% حجمی بترتیب برابر با 17/3% و 37/7% می باشد. همچنین متوسط افزایش نسبی عدد ناسلت برای این نانوسیال داخل کانال مثلثی برای غلظت های 2/0% و 5/0% حجمی بترتیب برابر با 36/3% و 18/7% میباشد. نتایج آزمایشگاهی نشان میدهند که عدد ناسلت کانال دایرهای نسبت به کانالهای غیر دایروی برای سیال پایه و نانوسیال بیشتر است. اما افزایش نسبی عدد ناسلت کانالهای غیر دایروی نسبت به کانال دایرهای بیشتر است زیرا افزودن نانوذرهها به سیال پایه موجب کاسته شدن از اثرات منفی گوشههای تیز کانالهای غیر دایروی در انتقال حرارت میشود. کلمات کلیدی : انتقال حرارت، جریان نانوسیال، کانال با سطحمقطعهای مختلف، دمای ثابت دیواره