مطالعه عددی بهبود انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی صفحه- پره با استفاده از نانوسیالات و تولید کننده گردابه بلوکی مورب

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, three-dimensional simulations of the turbulent flow and heat transfer in a channel as a part of a plate-finned heat exchanger are performed by a commercial software (Fluent). The selected Reynolds number is in the range of 400-2000 for water and nano fluid is employed as working fluids. For enhancing heat transfer and increasing the performance of heat exchanger, the effects of using nano fluid and block shaped vortex generators are investigated. By comparing the results of several turbulence models employed, finally model is selected as adequate turbulence model in all simulations. Thermal performance parameter, E, is used as a measure for the amount of the heat transfer enhancement relative to the pressure drop. In this study, the effects of different geometrical parameters of the vortex generators such as attack angle, length, height, longitudinal and transverse position and the number are investigated and finally the best specifications, which provide high thermal performance and heat transfer, are adopted for the vortex generators. A row of plate heat exchanger is formed with six single channel elements including four optimum vortex generators. The effects of nano fluid on the performance and heat transfer of a single channel element and a row of plate heat exchanger are investigated. In chapter one of this work, the mechanisms of the heat transfer enhancement such as using the nano fluids and vortex generators are described. In chapter two, a review on the published studies using nano fluids and vortex generators as the methods for heat transfer enhancement is presented and discussed. In chapter three, the problems under consideration are introduced and the governing equations, turbulence equations and the relations for different nano fluids properties are introduced. In chapter four, by comparing the results of air stream in channel with those of DNS simulation, the validation of the results is confirmed. Also an investigation on choosing the best nano particles between Al 2 O 3 ,TiO 2 , CuO and base fluids of water and ethylene glycol is performed and it is found that nano fluid of water-TiO 2 has higher thermal performance and it is selected as adequate working fluid. In chapter five, the geometrical parameters of the vortex generators such as angle of attack, height, length, longitudinal and transverse position, number are investigated and the suitable ones are introduced, where high heat transfer and thermal performance are achieved. In chapter six, a row of plate heat exchanger with six optimum single elements are formed and the effects of vortex generators and nano fluid are investigated. The results indicate that using of vortex generator and nano fluid can enhance heat transfer 341% in comparison with that for the smooth channel with the water as working fluid. Keywords Heat transfer enhancement; plate-finned heat exchanger; thermal performance; block shaped vortex generators; nano fluids; numerical simulation

در این پایان نامه، شبیه سازی عددی جریان مغشوش و انتقال حرارت درون یک کانال بعنوان بخشی از یک مبدل حرارتی صفحه ای با استفاده از نرم افزار تجاری فلوئنت انجام شده است. برای افزایش عملکرد حرارتی و بهبود انتقال حرارت آن، تاثیر استفاده از نانوسیال و تولیدکننده های گردابه بلوکی بررسی شده است. مطالعات عددی در محدوده اعداد رینولدز 400-2000 برای سیال عامل آب و نانوسیال صورت گرفته است. با بررسی مدل های توربولانسی مختلف، مدل بعنوان مدل مناسب در شبیه سازی عددی مسئله تحت بررسی استفاده شده است. از ضریب عملکرد حرارتی، که مقایسه ای بین میزان افزایش انتقال حرارت و افزایش توان مصرفی (یا افت فشار) است، بعنوان یک شاخص برای ارزیابی عملکرد حرارتی هندسه انتخابی استفاده شده است. بررسی اثر پارامترهای هندسی تولیدکننده گردابه شامل زاویه، طول، ارتفاع، موقعیت طولی، موقعیت عرضی و همچنین تعداد آن در یک المان کانال مطالعه شده و مقادیر مناسب معرفی شده است. در این مرحله روند کار بدین صورت است که در هر مرحله، با تعیین حالت مناسب برای پارامتری از تولیدکننده گردابه، در مراحل بعدی که اثر پارامتر دیگری بررسی می گردد، حالت مناسب پارامتر قبلی استفاده شود. همچنین مقادیر مناسب برای پارامترهای هندسی مولد گردابه حاصله، در یک کانال شامل شش المان که معرف یک ردیف مبدل حرارتی صفحه ای است نیز استفاده و نتایج آن بررسی شده است. در فصل اول این پایان نامه به روشها و مکانیزمهای افزایش انتقال حرارت پرداخته شده و دو روش استفاده از نانوسیالات و تولیدکننده های گردابه مرتبط با این تحقیق تشریح شده است. در فصل دوم به برخی کارهای مشابه صورت گرفته در رابطه با افزایش انتقال حرارت توسط نانوسیالات و تولیدکننده های گردابه پرداخته شده و وجوه تمایز کار حاضر با مطالعات صورت گرفته قبلی توسط دیگر محققان بیان شده است. در فصل سوم، به معرفی هندسه مورد بررسی و روابط به کار رفته برای تخمین خواص انتقال حرارتی نانوسیالات مناسب برای کاربرد در هندسه معرفی شده، پرداخته شده است. در فصل چهار، با تطابق نتایج حاصل از حل عددی جریان در هندسه تولیدی و نتایج عددی وتجربی موجود، از صحت نتایج استخراج شده از حل جریان سیال درون کانال اطمینان حاصل گشته و سپس از بین نانوسیالات شامل نانوذرات Al 2 O 3 ، TiO 2 ، CuO و سیالات پایه آب و اتیلن گلیکول، با بررسیهای انجام گرفته نهایتاً نانوسیال آب-TiO 2 به عنوان نانوسیال مناسب برای کاربرد در مسئله تحت بررسی انتخاب شده است. در فصل پنجم، به بررسی اثر پارامترهای هندسی تولیدکننده گردابه شامل زاویه حمله، ارتفاع، طول، موقعیتهای طولی و عرضی تولیدکننده گردابه، تعداد ردیف و فاصله طولی بین دو ردیف تولیدکننده های گردابه پرداخته شده و این بررسیها نهایتاً به هندسه ای ختم شد که به عنوان المانی مناسب از مبدل حرارتی نهایی درنظر گرفته شد. در فصل پایانی، یک ردیف مبدل حرارتی که دارای 6 المان مناسب متوالی که هرکدام شامل دو ردیف مولد گردابه بلوکی هستند، تولید شده و جریان سیالات آب و نانو در محدوده اعداد رینولدز این تحقیق، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این مطالعه نشان داد که افزایش انتقال حرارت در هندسه شامل یک ردیف از مبدل حرارتی(با تولیدکننده گردابه و نانوسیال با غلظت 4%) در مقایسه با کانال ساده (بدون تولیدکننده گردابه و سیال عامل آب) 341 درصد است که بیانگر کارایی بالای تولیدکنند ه گردابه و نانوسیال در بهبود انتقال حرارت در هندسه تحت بررسی می باشد. کلمات کلیدی: بهبود انتقال حرارت، تولیدکننده گردابه، جریان آشفته، نانوسیال، مبدل حرارتی صفحه ای