بررسی آزمایشگاهی و مدل سازی اثر امواج مافوق صوت بر انتقال حرارت در سیالات

در این تحقیق، هدف بررسی اثر امواج مافوق صوت فرکانس بالا، mhz 1.7 ، به عنوان یک روش نوین و موثر در بهبود انتقال حرارت جابه جایی در سیالات است. در ابتدا، یک سیستم آزمایشگاهی با الهام از روش سیم داغ طراحی شد. این سیستم شامل یک مخزن استوانه ای با تبدیل کننده مافوق صوت mhz 1.7 نصب شده در کف آن و یک سیم پلاتینی نازک که به طور معلق در آب دیونیزه درون آن قرار گرفته است، می باشد. در این روش، پلاتین هم به عنوان گرم کن و هم حس گر دما عمل می کند. با عبور مقادیر مختلف جریان الکتریکی از سیم، میزان نرخ انتقال حرارت جابه جایی بین این سیم و آب احاطه کننده آن در غیاب و در حضور امواج مافوق صوت بررسی شد. سپس، کارایی امواج mhz 1.7 با امواج فرکانس پایین khz 24 با توان های مختلف، مقایسه گردید. در حضور امواج با هر دو فرکانس افزایش قابل توجهی در عدد ناسلت مشاهده شد. با درنظر گرفتن توان پراکنده شده در آب در هر دو فرکانس و قابلیت خنک سازی هر دو موج، مشاهده شد که کارایی و عمل کرد امواج mhz 1.7بسیار بیش تر از khz 24 می باشد. به طوری که، در بالاترین شار حرارتی ورودی به سیم (kw/m2 249.6) عمل کرد امواج mhz 1.7 یک و چهار دهم (1.4) برابر امواج khz 24 بود. در ادامه اثر مکان و موقعیت تبدیل کننده های مافوق صوت روی نرخ انتقال حرارت جابه جایی بررسی شد. به این منظور، آزمایش های مشابهی درحضور سه تبدیل کننده نصب شده در کف و دو تبدیل کننده در جداره مخزن انجام شد. اثر تداخل امواج حاصل از فعال کردن هم زمان چند تبدیل کننده نیز بررسی شد. نتایج به دست آمده نشان دادند که، تبدیل کننده نصب شده در دیواره زمانی که به تنهایی کار می کند، بالاترین کارایی را نسبت به سایر جانمایی ها و ترکیب های مختلف از خود نشان می دهد. با این تبدیل کننده حداکثر حدود 418% بهبود انتقال حرارت مشاهده شد. در ادامه، مدل سازی شبکه عصبی مصنوعی روی همین سیستم و با جمع آوری داده های تجربی کافی، به منظور پیش بینی عدد ناسلت درحضور امواج مافوق صوت و با در نظر گرفتن اثر مکان تبدیل کننده ها و تداخل بین امواج تولیدی و شارهای حرارتی مختلف انجام گرفت. پیش بینی های انجام شده با مدل سازی، توافق بسیار خوبی با داده های تجربی داشتند. در بخش بعد، مدل سازی cfd (fluent 6.2) برای بررسی رفتار مایع هنگامی که در معرض تغییرات تناوبی فشار حاصل از انتشار امواج مافوق صوت قرار می گیرد، به کار گرفته شد. به این منظور، فرکانس های مختلف khz 24، khz 200 و mhz 1.7 به ترتیب به عنوان فرکانس پایین، فرکانس متوسط و بالا برای مدل سازی انتخاب شدند. در این مدل سازی، از معادله تناوبی فشار و شرط مرزی فشار ورودی برای تبدیل کننده مافوق صوت، مدل اختلاط و کاویتاسیون استفاده شد و سیر تکاملی میدان فشار و کاویتاسیون ایجاد شده در هر یک چهارم دوره تناوب موج و بردارهای سرعت در فرکانس های مختلف بررسی شدند. نتایج به دست آمده نشان دادند که، در فرکانس بالا کسر حجمی حباب های تولید شده کم تر از فرکانس های پایین تر است و توزیع یک نواخت تری دارد. با توجه به عدم وجود مدل سازی عددی اثر امواج مافوق صوت mhz 1.7 در سیستم های انتقال حرارت، از مدل سازی cfd برای بررسی و یافتن نحوه عمل کرد این امواج در بهبود نرخ انتقال حرارت استفاده شد. تجربیات به دست آمده در مدل سازی cfd نشان دادند که، معادله فشار منجر به تخمین نادرست دماها در حضور امواج مافوق صوت می شود. بنابراین، از معادله سرعت نوسانی به جای معادله فشار استفاده شد. به این منظور، با الهام از دستگاه باد سنج سیم داغ، سیستمی برای اندازه گیری سرعت جریان های صوتی حاصل از انتشار امواج mhz 1.7 طراحی شد و به کمک آن حداکثر جابه جایی سطح تبدیل کننده که در معادله سرعت مورد نیاز است، تخمین زده شد. بررسی های تجربی انتقال حرارت بین یک گرم کن استوانه ای و آب احاطه کننده آن در غیاب و در حضور امواج مافوق صوت 1.7 mhz انجام شد. میزان بهبود انتقال حرارت تا 100% در حضور امواج به دست آمد. سپس، مدل سازی cfd انتشار امواج با استفاده از معادله سرعت نوسانی به منظور پیش بینی الگوی جریان سیال و انتقال حرارت داخل آب انجام شد. مشاهده شد که دماهای پیش بینی شده به وسیله cfd با نتایج آزمایشگاهی تطابق بسیار خوبی دارند. نتایج cfd نشان داد که جریان های صوتی ایجاد شده اختلاط سیال را افزایش می دهند و آب سرد جدید را به اطراف گرم کن منتقل می کنند و در نهایت کاهش گرادیان دما در سیال اطراف گرم کن، منجر به توزیع یک نواخت دمای سیال می شود. به علاوه، بررسی آزمایشگاهی اثر امواج مافوق صوت mhz 1.7 روی عمل کرد یک مبدل حرارتی، به دلیل اهمیت آنها در صنعت، انجام شد. این مبدل، یک مبدل حرارتی دو لوله با جریان ناهمسو بود به طوری که، آب گرم در لوله داخلی و آب سرد در لوله خارجی آن جریان داشت. هشت تبدیل کننده مافوق صوت با فرکانس mhz 1.7 در دو ردیف، بالا و زیر مبدل، بر روی لوله خارجی نصب شدند. نرخ انتقال حرارت در هر دو لوله در غیاب و در حضور امواج مافوق صوت و در شرایط مختلف بررسی شد. اثر مکان تبدیل کننده ها، استفاده هم زمان از چند تبدیل کننده، شرایط هیدرودینامیکی مختلف دو لوله، بزرگی توان مافوق صوت و تغییر دمای جریان لوله داخلی روی نرخ انتقال حرارت بررسی شدند. نتایج به دست آمده از اعمال امواج mhz 1.7، افت دمای شدید در آب گرم جاری در لوله داخلی و عدم گرم شدن آب جاری در لوله خارجی را نشان دادند. به منظور بررسی بیش تر، شدت پدیده کاویتاسیون در هر دو لوله با استفاده از واکنش ویزلر بررسی شد. نتایج حاصل از این واکنش نشان داد که شدت کاویتاسیون صوتی در لوله داخلی به میزان قابل توجهی بالاتر از لوله خارجی بود، که افت دمای شدید لوله داخلی را توجیه می کرد. سپس، به بررسی اثر هم زمان استفاده از امواج مافوق صوت mhz 1.7 و نانوسیالات، بر بهبود انتقال حرارت در مبدل حرارتی پرداخته شد. این آزمایش ها با استفاده از غلظت های مختلف نانوسیال آب- آلومینا در لوله خارجی و آب گرم در لوله داخلی انجام شد. میزان نرخ انتقال حرارت در هر دو لوله، در غیاب و در حضور امواج مافوق صوت در توان های مختلف و در دبی های ثابت بررسی گردید. نتایج به دست آمده نشان دادند که در حضور امواج مافوق صوت، در دو غلظت (0.3% و 0.5% وزنی) نتیجه ای بهتر از حالت پایه که در آن از آب خالص به عنوان سیال خنک کننده استفاده شده بود، به دست آمد. در این دو غلظت نه تنها لوله داخلی در حضور امواج، با افت دمای شدیدی مواجه شد بلکه افت دما در لوله خارجی نیز اتفاق افتاد. درصد وزنی 0.3%، به عنوان غلظت بهینه، بالاترین نرخ انتقال حرارت را در هر دو لوله نشان داد. آزمایش ویزلر با استفاده از غلظت های مختلف نانوسیال در لوله خارجی انجام شد. نتایج به دست آمده از آزمایش ویزلر نیز افزایش شدید فعالیت های کاویتاسیون در هر دو لوله در غلظت های یاد شده نسبت به آب خالص را تایید کرد. نتایج به دست آمده در تحقیقات انجام شده در این رساله، تاثیر بسیار زیاد و مثبت امواج مافوق صوت mhz 1.7، به عنوان امواج فرکانس بالا، را بر بهبود انتقال حرارت در سیالات با صرف هزینه اندک و مصرف انرژی کم، نشان داد. که می تواند راه گشای تحقیقات بیش تر برای حالت های مختلف انتقال حرارت و افزایش راندمان حرارتی سایر تجهیزات انتقال حرارتی در صنعت باشد.