ارزیابی آزمایشگاهی و عددی انتقال حرارت نانوسیال در مبدل حرارتی با لوله مارپیچ

در این رساله انتقال حرارت در رژیم جریان آرام داخل مبدل های حرارتی پوسته و لوله به صورت آزمایشگاهی و عددی با بکارگیری نانوسیال بررسی شده است. مبدل حرارتی از یک لوله مسی مارپیچ و پوسته ای از جنس پلکسی گلس ساخته شده است. طراحی مبدل حرارتی به گونه ای است که محور مارپیچ و محور پوسته در راستای افق قرار گیرند. در مبدل حرارتی پژوهش حاضر سیال گرم (آب) از داخل لوله مارپیچ عبور کرده و حرارت خود را به سیال خنک کننده (آب / نانوسیال) که در سمت پوسته جریان دارد می دهد. کل مبدل حرارتی عایق شده است تا از اتلاف انرژی به محیط جلوگیری شود. در مجموع 9 مبدل حرارتی با هندسه های گوناگون ساخته و مورد آزمایش قرار گرفته است. با استفاده از روش دومرحله ای نانوسیالات تولید و خواص موردنیاز اندازه گیری شدند. مدت زمان هم زدن و ویبراسیون آلتراسونیک بر پایداری نانوسیال و درنتیجه بر توانایی نانوسیال در دفع حرارت تاثیرگذار است. آزمایشات بر روی مبدلهای حرارتی با هندسه های گوناگون، در دبی های مختلف جریان سمت پوسته و لوله، دماهای ورودی مختلف، انواع مختلفی از نانوسیال و نیز غلظت های حجمی مختلف نانوذره صورت گرفته است. جهت محاسبه ضرایب انتقال حرارت جابجایی اجباری در پوسته و لوله روش ویلسون پلات بکار گرفته شده است. از طرفی جهت بدست آوردن پروفیل و کانتورهای دما در مبدل با استفاده از نانوسیالات از نرم افزار تجاری استفاده شده است. نتایج نشان دهنده افزایش ضریب انتقال حرارت داخل لوله مارپیچ با افزایش عدد دین داخل لوله و افزایش ضریب انتقال حرارت سمت پوسته با افزایش عدد رینولدز می باشد. با افزایش نسبت انحنا جریان های پیچشی شدیدتری در لوله ایجاد شده و ضریب انتقال حرارت سمت لوله افزایش می یابد، در صورتیکه باعث کاهش ضریب انتقال حرارت سمت پوسته می گردد. اما تغییرات ضرایب انتقال حرارت با تغییرات نسبت انحنا بسیار کم است. با افزایش گام مارپیچ ضریب انتقال حرارت سمت لوله کاهش و سمت پوسته افزایش می یابد اما همچنان تاثیرات گام مارپیچ در تغییرات عدد ناسلت بارز نیست. توانایی دفع گرمای نانوسیال آب/آلومینا بیشتر از آب/تیتانیا و آب/سیلیکا می باشد. با افزایش درصد حجمی نانوذرات کارایی حرارتی نانوسیال نیز بیشتر می شود. با این حال این یک اصل کلی نیست و در نانوسیالات اصل پایداری می تواند بر این روند تاثیرگذار باشد. در نانوسیالات آب/آلومینا و آب/تیتانیا با افزایش درصد حجمی نانو ذره عدد ناسلت سمت پوسته افزایش می یابد. در نانوسیال آب/سیلیکا با افزایش درصد حجمی نانوذرات در درصد های حجمی پایین، عدد ناسلت افزایش و در درصد حجمی 1% و 2% با کاهشی ناگهانی به عدد ناسلت آب خالص نزدیک می شود.