با توجه به گسترش روز به روز صنایع الکترونیک و میکروالکترونیک، نیاز به دفع حرارت از ادوات تولید کننده شار حرارتی بالا، به عنوان یکی از موضوعات بسیار مهم در مسیر توسعه صنایع الکترونیک و میکروالکترونیک مطرح بوده است. با توجه به این موضوع در پایان نامه حاضر به بررسی دو راهکار جهت خنک کاری صنایع الکترونیک پرداخته شده است. راهکار اول به بررسی تاثیر قرارگیری ریب و ارتفاع آن در افزایش انتقال حرارت پرداخته و اثرات پارامتر¬های عدد رینولدز، ارتفاع ریب و شار حرارتی دیواره بر ضریب انتقال حرارت مورد مطالعه گرفته است. همچنین تاثیر این پارامتر¬ها بر انتروپی تولیدی به سبب اصطکاک سیال، انتقال حرارت و مجموع این دو یعنی انتروپی تولیدی کل مورد بررسی قرار گرفته و ارتفاع ریب بهینه با توجه شرایط مختلف جریان با معیار کمترین میزان انتروپی تولیدی کل ارائه شده است. در راهکار دوم به بررسی جریان نانوسیال به عنوان مخلوط ذرات نانو و سیال پایه پرداخته شده و اثرات عدد رینولدز و درصد حجمی ذرات نانو بر روند انتقال حرارت مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین بررسی نتایج بین روش مدلسازی تک فاز با روش دو فاز انجام شده و نتایج حاصله با هم مقایسه شده¬اند. تاثیر عدد رینولدز و درصد حجمی ذرات نانو بر انتروپی تولیدی به سبب اصطکاک سیال و انتروپی تولیدی به سبب انتقال حرارت و جمع این دو یعنی انتروپی تولیدی کل مورد بررسی قرار گرفته و شرایط بهینه جریان با توجه به معیار کمترین میزان انتروپی تولیدی کل ارائه شده است. د

چکیده در سال های اخیر مطالعات بر روی رفتار انتقال حرارتی نانوسیالات به شدت رشد کرده و نتایج حاصل، پیشرفت های چشمگیری در این زمینه را حکایت می کند. این پژوهش به بررسی عددی انتقال حرارت و افت فشار جریان در لوله رادیاتور اتومبیل با سیال پایه مخلوط آب- اتیلن گلیکول و نانوذرات اکسیدآلومینیوم می پردازد. به منظور بررسی هرچه دقیق تر انتقال حرارت، در پژوهش حاضر، از درصدهای حجمی %1 تا 4% برای نانو ذرات استفاده شده است و نتایج بدست آمده نشان می دهد که با افزایش درصد حجمی نانو ذرات عدد ناسلت متوسط نیز افزایش می یابد اما از طرفی افزایش نانو ذرات باعث افزایش ویسکوزیته نانو سیال شده و در نتیجه افت فشار نیز افزایش می یابد. همچنین تاثیر دمای ورودی لوله بر افت فشار و انتقال حرارت ناشی از نانو سیال نیز مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج بدست آمده نشان می دهد که با افزایش دمای ورودی افت فشار کاهش می یابد اما از طرفی استفاده از دمای کاری بالا برای انتقال حرارت ممکن است در مواردی امکان پذیر نباشد و یا موجب آسیب خوردن قطعات خودرو شود. در ادامه برای شبیه سازی دقیق تر میزان انتقال حرارت در سرعت های مختلف اتومبیل از ضریب های انتقال حرارت متفاوتی برای هوای پیرامون رادیاتور استفاده شده است . نتایج عددی نشان می دهد که افزایش سرعت نیز به نوبه خود باعث افزایش انتقال حرارت می شود و در انتها با فرض انتقال حرارت ثابت برای لوله رادیاتور تاثیر استفاده از نانوسیال بر افت فشار نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشانگر این است که با استفاده از نانوسیالاتی با درصد حجمی های مختلف می توان از پمپ هایی با توان کمتر استفاده کرد و یا با تغییر ابعاد لوله حجم کل رادیاتور را کاهش داد که با این کار از طرفی وزن اتومبیل کاهش یافته و از طرفی دیگر می توان خودروهایی با رادیاتور کوچکتر طراحی کرد .

در این رساله، انتقال حرارت جریان جوششی آب خالص و نانوسیال به عنوان سیال¬های عامل در یک میکروکانال افقی تحت مطالعه عددی قرار گرفته است. ابعاد میکروکانال با مقطع مستطیلی 7500×100×250μm می¬باشد. در سطح پایینی میکروکانال هیتری با ابعاد 3500×80 μm به شکل متقارن نسبت به خط مرکزی افقی قرار گرفته است. کسر حجمی نانوذرات اکسید آلومینیوم 0/2 درصد و با قطر متوسط 40 نانومتر در نظر گرفته می¬شود. شبیه¬سازی عددی به کمک نرم¬افزار ansys fluent (و در برخی حالات توسط ansys cfx) انجام گرفته و در مواقع نیاز، کدهایی نوشته و به نرم¬افزار پیوست شده است. جریان جوششی به¬دلیل وابستگی به تعداد زیادی پارامترهای نامعلوم (از قبیل؛ توزیع اندازه و هندسه میکروکویتی-های سطح، تعداد سایت¬های حباب¬زای فعال و خواص سطح مشترک مایع و جامد) و دارا بودن فرایندهای هیدرودینامیکی کاملاً تصادفی (از قبیل؛ حرکت سیال در مجاورت سایت¬های حباب¬زا، شکل و اندازه حباب هنگام رشد، فرکانس جدا شدن حباب¬ها از سطح، بهم¬پیوستن حباب¬ها و ازهم¬جداشدن حباب¬ها و سرعت رشد حباب¬ها) پدیده کاملاً پیچیده¬ای بوده و دارای نوسانات با دامنه نوسانی بزرگ و سیکل زمانی طولانی برای آب خالص در فلاکس¬های حرارتی متوسط و برای نانوسیال در فلاکس¬های حرارتی بالا می¬باشد. نتایج عددی بیانگر کاهش نوسانات خواص جریان جوششی هنگام استفاده از نانوسیالات می¬باشد. جریان جوششی نانوسیال پایدارتر می¬باشد و خواص انتقال حرارتی جریان جوششی آن افزایش می¬یابد. این یافته¬ها در تطابق با یافته-های آزمایشگاهی موجود می¬باشد. یافته¬های این مطالعه نشان می¬دهد که در هندسه¬های ساده و فلاکس¬های حرارتی متوسط می¬توان جریان جوششی را مخصوصاً در رژیم جریان حبابی به¬شکل مناسبی با نرم¬افزارهای تجاری مدل کرد.

توربین های گازی موجود در تاسیسات تقویت فشار گاز به عنوان قلب تپنده این واحدها نیروی محرکه کمپرسورهای گاز را به منظور افزایش فشار گاز در طول خط لوله انتقال گاز طبیعی و رساندن آن به مبادی مصرف تامین می کنند. لذا کارکرد مداوم، منظم و عملکرد بالای این توربین ها ارتباط مستقیم و تنگاتنگی در جهت رسیدن به اهداف شرکت های انتقال گاز دارند. در این رساله تلاش شده است تا با بررسی مزایا و معایب توربین های گازی استفاده شده در تاسیسات تقویت فشار گاز و ارایه پیشنهادات مناسب و عملی گامی موثر در راستای بهبود و افزایش کارایی سیکل توربین های گازی در این واحدها برداشته شود. کاربرد روش های دینامیک سیالات محاسباتی در بررسی آلایندگی nox تولیدی در محفظه احتراق توربین رویکرد اول این پایان نامه بوده است. نتایج این بررسی نشان می دهد که افزودن 10درصد جرمی هیدروژن در ترکیب سوخت باعث کاهش 75 درصدی در میزان این آلایندگی شده است. از سویی افزایش دمای هوای ورودی و دمای سوخت موجب افزایش تولید nox گردیده است. به طوری که هر 10 درجه افزایش در دمای هوای ورودی به محفظه احتراق توربین 2-1 واحد به مقدار این آلایندگی افزوده است. اگرچه روش های cfd در محاسبه توزیع دما، سرعت و آلایندگی در محفظه احتراق توربین توانمند هستند ولی در مطالعه کل سیکل توربین گازی و بررسی پارامتریک آن از قابلیت چندانی برخوردار نیستند. لذا برای مطالعه مجموعه سیکل ناگزیر به استفاده از مدل های ترمودینامیکی است. در همین راستا ابتدا داده های تجربی و پارامترهای عملکردی مهم یک واحد توربوکمپرسور در تاسیسات تقویت فشار مورد مطالعه دریافت و مدل ترمودینامیکی آن ارایه شده است. پرهیز از ساده سازی ها و در نظر گرفتن شرایط واقعی کارکرد توربوکمپرسور اعم از لحاظ کردن بازگشت ناپذیری ها، هوای خنک کاری پره های توربین و عملکرد پره های ورودی با زاویه متغیر در ورودی کمپرسور هوای توربین و نیز شرایط واقعی سیال عامل از مهمترین نقاط قوت این مدل به شمار رفته و آن را به ابزاری مناسب و دقیق برای پیش بینی رفتار سیستم تبدیل کرده است. مقایسه نتایج مدل و داده های تجربی و توافق بین آنها و مطالعه پارامتریک مدل از دیدگاه قانون اول و دوم ترمودینامیک و مقایسه نتایج آن با نتایج موجود در ادبیات فن و توافق حاصله، بر صحت عملکرد مدل و قابلیت اطمینان بالای آن اشاره دارد. در ادامه اثرات ترکیب گاز طبیعی و تزریق هیدروژن بر عملکرد توربین گازی بررسی شده است. نتایج حاکی از آن است که نزدیک شدن ترکیب سوخت گاز طبیعی به متان خالص باعث افزایش توان تولیدی و راندمان گرمایی سیکل شده است. به طوری که افزایش کسر جرمی متان از 85 درصد جرمی به متان خالص باعث افزایش 20 درصدی در توان تولیدی توربین شده است. همچنین افزودن 4 درصد جرمی هیدروژن به مخلوط سوخت موجود باعث افزایش 3 درصدی راندمان سیکل و کاهش 10.7 درصدی مصرف سوخت در تولید توان ثابت توربین شده است. بررسی ترمودینامیکی سیستم راه اندازی توربین گازی موجود و جایگزینی آن با سایر روش های راه اندازی به منظور کاهش میزان انرژی مصرفی راه اندازی توربین نیز در این رساله بررسی شده است. استفاده از گازهای داغ خروجی توربین برای تولید بخار مافوق گرم و استفاده از آن در توربین بخار انبساطی موجود در تاسیسات و تولید انرژی الکتریکی بدون مصرف سوخت اضافی و مستقل کردن تاسیسات از منبع جریان الکتریکی خارجی، مطالعه سیکل پیشنهادی از دیدگاه انرژی و اگزرژی و بررسی پارامتریک آن از دیگر جنبه های اساسی این پایان نامه به شمار می رود. نتایج تحقیق حاکی از آن است که تبدیل سیکل پایه موجود به سیکل ترکیبی بدون تزریق بخار به محفظه احتراق در شرایط استاندارد باعث تولید 643 کیلووات توان اضافی بدون مصرف سوخت اضافی و افزایش 2 درصدی راندمان سیکل شده است. این مقدار انرژی تولیدی نزدیک به سه برابر مصرف انرژی الکتریکی یک واحد توربوکمپرسور بوده و در صورت تزریق بخار به محفظه احتراق توربین علاوه بر کاهش آلایندگی nox با کاهش مصرف سوخت توربین مقدار راندمان گرمایی کل با 5 درصد افزایش به مقدار 37.5 درصد خواهد رسید. بررسی های اقتصادی طرح پیشنهادی حاکی از آن است که در صورت تغییر سیستم راه انداز موجود، مبلغی برابر 800 دلار به ازای هر بار راه اندازی توربین صرفه جویی در مصرف انرژی حاصل خواهد شد که مقدار بازگشت سرمایه اولیه آن 8 ماه محاسبه شده است. از سویی با راه اندازی سیکل پیشنهادی در حالت بدون تزریق بخار به محفظه احتراق، برای کارکرد یک واحد توربوکمپرسور ماهانه مبلغی برابر 7073 دلار و در صورت کارکرد این تاسیسات با تمام ظرفیت طراحی خود سالانه مبلغ 340000 دلار درآمد حاصل خواهد شد. این در حالی است که در صورت تزریق 0.5 کیلوگرم بر ثانیه بخار این مبلغ بالغ بر 2900000 دلار در سال خواهد شد.