پیش بینی الگوی توزیع پارامترهای موثر بر ضریب انتقال حرارت نانوسیال در مبدل حرارتی پوسته و لوله با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

در بین انواع مبدل ها، مبدل های حرارتی پوسته و لوله رایج ترین تجهیزات تبادل حرارتی هستند. راندمان انرژی یک مبدل حرارتی را می توان با بهبود ویژگی های انتقال حرارت افزایش داد. نانوسیالات سوسپانسیون های کلوییدی شده نانوذرات در یک سیال پایه هستند. نانوذرات مورد استفاده در نانوسیال ها معمولا از فلزات، اکسیدها، کاربیدها یا نانولوله های کربنی ساخته می شوند. سرعت انتقال حرارت تحت تاثیر خواص ترموفیزیکی نانوسیال است که با افزایش حجم نانوذرات در سیال پایه افزایش می یابد. خواص نانوسیال تحت تاثیر غلظت نانوذرات، سطح خلوص و ساختار متغییر است. هدف اصلی این مقاله ارایه یک بررسی کلی از استفاده از نانوسیال در مبدل های حرارتی پوسته و لوله جهت افزایش ضرایب انتقال حرارت و شبیه سازی پارامترهای موثر در انتقال جریان و حرارت می باشد تا بتوان توزیع دما، سرعت و افت فشار را در نقاط مختلف مبدل حرارتی پیش بینی کرد.

در این مطالعه، نرم افزار شبیه سازی چند فیزیکی کامسول ورژن 6 برای ساخت یک مدل محاسباتی از مبدل حرارتی پوسته و لوله، به منظور شبیه سازی تغییرات دما، سرعت و افت فشار در مبدل حرارتی استفاده شد. نانوسیال داغ (353.15 درجه کلوین) به عنوان سیال گرم در لوله افقی و آب (298.15 درجه کلوین) نیز از سمت پوسته وارد شده است. نقش مربوط به پارامترهای هندسه مورد استفاده بر میزان انتقال گرما بررسی و ارایه شده است. مشخصات دما و میزان انتقال حرارت کلی از دیواره لوله محاسبه و برای روش های تیوری، تجربی و عددی با استفاده از مدل انتقال حرارت K-ɛ طراحی شده است.

با انجام بررسی دینامیک سیالات محاسباتی محاسبه مقادیر مطلوب هر یک از پارامترهای مورد بررسی، انطباق خوبی بین بررسی دینامیک سیالات محاسباتی و نتایج تجربی حاصل شد. نتایج حاصله از کانتورهای دما، سرعت و افت فشار نشان می دهد که افزودن نانوذرات به سیال می تواند به طور موثری نسبت رسانایی حرارتی سیال را افزایش دهد و دمای نانوذرات افزوده شده با نسبت هدایت حرارتی رابطه مستقیم دارد. تغییرات سرعت در پوسته بسیار ناچیز است و در بیشتر مناطق پوسته سرعت طبق محاسبات عددی و با توجه به نوار رنگی راهنما حدود 0.05 متر بر ثانیه می باشد، ولی در نقاط برخورد جریان با بافل ها و ورودی و خروجی مقادیر متفاوت و بین 0.15 تا 0.2 متر بر ثانیه می باشد. از نتایج عددی، فهمیده می شود که مقادیر سرعت در مجاورت دیواره ها بسیار کم است، که به دلیل وجود گرادیان قوی اصطکاک است. با بررسی کانتورهای مربوط به دما می توان یافت که انتقال حرارت در سراسر طول مبدل یکنواخت نیست و کاهش درجه حرارت در جهت جریان قابل مشاهده است.

نتنیجه گیری کلی:

 استفاده از نانوذره آلومینا در سیال پایه به مقدار 4 درصد باعث افزایش 0.9 درجه کلوین دمای میانگین خروجی در یه سیکل گذر از سیستم شد که با تکرار این سیکل افزایش دما بیشتر و بیشتر می شود. با توجه به کانتور افت فشار، افت فشار نانوسیالات به مراتب بیشتر از سیال پایه بوده و با افزایش غلظت نانو سیال افت فشار نیز افزایش می یابد.