شبیه سازی عددی انتقال حرارت نانوسیالات در یک مبدل حرارتی لوله سینوسی جهت دستیابی به حالت بهینه

STUDENT

DEGREE

YEAR

In recent years, some technologies have been developed to increase heat transfer and decrease size in heat exchangers, due to insufficient heat transfer coefficients and high dimensions or costs in them. These technologies have been used widely in chemical and refrigeration industries, cooling process cells, etc. Recently and contemporaneous with emersion of nano technologies, using suspensions of fluids base containing nanoparticles (solid particles with nano-dimensions) have had considerable growth to enhance heat transfer in the heat exchangers. This method has shown that using solid nano-particles into fluids leads to enhanced heat transfer or changed other properties of base fluids. However earlier, increasing heat transfer has been made by change in heat exchanger parameters such as geometries, boundary conditions, fluid type and etc. Also, in addition to using nano-fluids, one can use other methods under research to optimize heat exchanger performance. One of these methods is using sinusoidal pipes in flow direction. Thus, appropriate to modern techniques mentioned above, in this thesis, numerical simulation of heat transfer and flow pressure drop of nanofluids in sinusoidal pipes, were presented. Furthermore, to obtain an optimum case, results of numerical simulation for common fluids and straight pipes, must be compared with results from flow of nanofluids in sinusoidal pipes with different geometris (diameter or amplitude to wave length ratio), various combinations of base fluid and different size and volumetric concentration of nano-particles. In present research, 3D models were created in SolidWorks software and simulations or numerical studies were done in Ansys-Fluent commercial code for nanofluids (including water and ethylene glycol-water as base fluids with and ano-particles) through various straight and simmetric sinusoidal pipes with constant uniform heat flux or constant temperature on the tube wall as thermal boundary condition. Results show that using nano-particles in siusoidal pipe heat exchangers and increase of Reynolds number can affect significant enhancement in heat transfer level. Notwithstanding to this, disadvantages are also often rised up, where the most important item in them is the pressure drop of fluid flow due to presence of solid particles suspensed in the base fluid. So, optimization of volume fraction of these particles is very important in this thesis same as geometry and type of fluid. Keywords : Nanofluid, Sinusoidal tube, Heat transfer, Pressure drop, Performance evaluation criteria (PEC), Constant heat flux Boundary Condition, Constant Temperature Boundary Condition

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 سیال های پایه و نانوسیال با غلظت hy;های 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. کلمات کلیدی: نانوسیال، لوله سینوسی، انتقال حرارت، افت فشار، شرط مرزی دما ثابت و شار حرارتی ثابت، معیار ارزیابی عملکرد مبدل.