Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamad Reza Tavakoli nejad,Mohamadreza Salimpour,AliAkbar AlemRajabi
محمدرضا توکلی نژاد (استاد راهنما) محمدرضا سلیم پور (استاد راهنما) علی اکبر عالم رجبی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hossein Arasteh
حسین آراسته

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Numerical investigation of fluid flow and heat transfer in a double pipe metal foam heat exchanger
Augmentation of heat transfer in equipment, such as heat exchangers, is an important issue for saving energy, extensive studies has been done on this issue. Many methods of increasing the heat transfer of heat exchangers investigated. These equipment are used in power generation industry, process industry, Chemical industry, electronic equipment, geothermal energy recovery, air heaters, manufacturing, air conditioning, space applications and etc. The method that is more considered by researchers is using porous media in heat exchangers by many ways of inserts of porous media. Also metal foams with high conductivity attracts researchers as a porous media. Using metal foams in heat exchangers enhance the heat transfer and pressure drop, so optimizing these parameters is the cause of many investigation on ways of inserting the metal foams in heat exchangers for reaching the best layout that is maximum heat transfer and minimum pressure drop. Porous media are used in electronic parts, drying processes, heat pipes, geothermal systems, extraction of oil resources, insulating, storage of nuclear waste, filters, energy systems such as heat exchangers, chemical reactors, cooling parts, solar collectors and etc. In the present work, a numerical study of flow and heat transfer characteristics is made in a counter flow and double pipe heat exchanger with porous structures inserted in both pipes of heat exchanger. In fact our purpose in this work is achieving a layout for metal foam that has the maximum heat transfer and minimum pressure drop with constractual design with constant volume of metal foam. So we used the "Performance Evaluation Criteria" or PEC number for achieving the best layout. The momentum equation modelled by Darcy model and energy equation is modelled by two equation model or Local Thermal Equilibrium (LTE) method. The Fluent software is used to solve the governing equations. We used a constant volume of metal foam for inserting in the heat exchanger that is occupy twenty percent of the whole volume of the heat exchanger. The fluid is water so the Prandtl number is equal to 7. The porosity, the Reynolds number and thermal conductivity of the solid to fluid are set fixed at 0.95, 100 and 100 respectively. The flow is axisymmetric, two-dimensional and in steady state with no internal heat generation. The thermo-physical properties of the porous matrix and the fluid are assumed to be constant and the porous medium is considered homogeneous, isotropic and in local thermal equilibrium with the fluid. The pipes are made of stainless steel. The results showed that increasing the partition number of the metal foam enhanced heat transfer and no sensitive effect on pressure drop because of the constant volume of porous media, so the partition number equal to 4 chosen as the best layout for porous media. Effect of Darcy number on Nusselt number and PEC number investigated. The results showed that decreasing the Darcy number enhanced the heat transfer because of increasing the fluid and solid interaction and increased pressure drop. Also the increasing of percentage of the pressure drop of the heat exchanger with metal foam to heat exchanger without metal foam is more than increasing of percentage of the heat transfer with decreasing the Darcy number, so increasing the Darcy number enhanced the PEC number. Keywords: Heat transfer, Pressure drop, Heat exchanger, Porous media, Metal foam, Performance evaluation criteria, Local thermal equilibrium.
افزایش انتقال حرارت در تجهیزات حرارتی، ازجمله مبدل های حرارتی، موضوعی است که تاکنون مطالعات گسترده ای روی آن انجام‌گرفته است. روش های مختلفی برای افزایش انتقال حرارت در مبدل های حرارتی توسط محققان، موردبررسی قرارگرفته است. روشی که در سال های اخیر بسیار موردتوجه قرارگرفته، استفاده از محیط متخلخل در مبدل های حرارتی می باشد. همچنین بین مواد متخلخل مختلف، موادی که توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده، فوم های فلزی با ضرایب هدایت حرارتی بالا می باشند. استفاده از محیط متخلخل باعث افزایش انتقال حرارت و همچنین افزایش افت فشار می شود؛ ازاین‌رو نحوه ی چیدمان ماده متخلخل برای رسیدن به حداکثر انتقال حرارت و حداقل افت فشار مورد چالش قرارگرفته است. درنتیجه روش های مختلفی در خصوص نحوه ی چیدمان مواد متخلخل و همچنین جنس مواد متخلخل مورد مطالعه قرارگرفته است. چیدمان های مختلفی ازجمله قرارگیری فوم فلزی به‌صورت شعاعی و طولی در مبدل های حرارتی، به‌صورت های مختلفی مورد مطالعه قرارگرفته است. در پایان نامه حاضر قصد بر این است، که با استفاده از قرار دادن فوم فلزی در حالات مختلف در طول یک مبدل حرارتی دو لوله ای جریان مخالف، چیدمانی به دست آید، که انتقال حرارت حداکثر و افت فشار حداقل را در پی داشته باشد. برای این کار تحلیل جریان و انتقال حرارت، به کمک شبیه‌سازی عددی، توسط نرم‌افزار فلوئنت انجام‌گرفته است. مدل دارسی، برای معادله ی مومنتوم و مدل تک معادله ای یا تعادل دمای موضعی، برای معادله ی انرژی در نظر گرفته شده است. مقدار ثابتی از فوم فلزی، به‌گونه‌ای که نسبت حجم فوم فلزی به حجم مبدل حرارتی مقدار ثابتی باشد، مورد استفاده قرارگرفته است. سیال مورد استفاده آب مایع با خواص ثابت و جریان آرام فرض شده است. جریان ورودی کاملاً توسعه‌یافته هیدرودینامیکی در نظر گرفته شده است. تمامی خواص ترمودینامیکی فاز جامد(فوم فلزی) و سیال مستقل از دما می باشند. ماده متخلخل یا فوم فلزی کاملاً همگن و ایزوتروپیک در نظر گرفته شده است. با مقایسه چیدمان های مختلف، بهترین چیدمان با استفاده از معیار ارزیابی عملکرد انتخاب‌شده است. نتایج نشان می دهد، با افزایش تعداد بخش های تقسیم شده فوم فلزی انتقال حرارت افزایش و افت فشار به دلیل ثابت بودن حجم فوم فلزی، به‌صورت ناچیزی افزایش می یابد. تقسیم کردن فوم فلزی تا 10 تکه صورت گرفته است. مشاهده شد که با تقسیم کردن ماده متخلخل تا 10 تکه، افزایش انتقال حرارت بر واحد طول هموارشده و درنتیجه فوم فلزی 4 تکه به‌عنوان بهترین چیدمان انتخاب شد. اثر عدد دارسی یا نفوذپذیری بر عدد ناسلت و معیار ارزیابی عملکرد موردبررسی قرارگرفته است. نتایج نشان می دهد، که با کاهش عدد دارسی و یا نفوذپذیری، به دلیل افزایش اندرکنش بین سیال و فوم فلزی، انتقال حرارت افزایش و افت فشار نیز افزایش می یابد. همچنین مشاهده شد، که با کاهش عدد دارسی، معیار ارزیابی عملکرد کاهش می یابد. درواقع اعداد دارسی بزرگ‌تر دارای میزان بازیابی انرژی بیشتری در مقایسه با هدر رفت انرژی هستند. کلمات کلیدی: انتقال حرارت، افت فشار، مبدل حرارتی، ماده متخلخل، فوم فلزی، معیار ارزیابی عملکرد، تعادل دمای موضعی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی