تحقیق عددی انتقال حرارت جریان نانوسیال در مبدل های حرارتی لوله-پره ای همراه با مولد گردابه

موضوع افزایش انتقال حرارت توجه زیادی را برای توسعه مبدل های حرارتی فشرده به منظور دستیابی به راندمان بالا، هزینه پایین، وزن سبک و اندازه تا حد امکان کوچک، به خود جلب کرده است. روش های متعددی برای افزایش نرخ انتقال حرارت در مبدل های حرارتی مورد استفاده قرار گرفته که قرار دادن مغشوش کننده های جریان، زبر کردن سطوح و استفاده از نانوسیالات به عنوان روش های موثرتر مطرح شده است. با توجه به بررسی های انجام گرفته، تاکنون ترکیب دو روش افزایش انتقال حرارت یعنی کاربرد همزمان مولدهای گردابه و نانوسیالات به عنوان روش های غیرفعال افزایش انتقال حرارت، به منظور بهبود عملکرد مبدل های حرارتی لوله-پره در منابع گزارش نشده است و تمام موارد موجود مربوط به استفاده از هر کدام از این دو عامل به تنهایی باهدف افزایش عملکرد مبدل های حرارتی می باشد. در این تحقیق به مطالعه و بررسی عددی انتقال حرارت و جریان نانوسیال در مبدل های حرارتی لوله-پره ای همراه با مولدهای گردابه باله مثلثی پرداخته شد. مطالعات متعددی توسط محققین روی انتقال حرارت جابه جایی نانوسیالات با دو رویکرد تک فاز و دو فاز انجام شده است. در کار حاضر، انتقال حرارت جابه جایی نانوسیال با فرض خواص ثابت و تک فاز (همگن) صورت پذیرفت. در فصل اول دو روش افزایش انتقال حرارت یعنی استفاده از مولدهای گردابه و نانوسیالات معرفی شده و در فصل دوم، تاریخچه ای از مطالعات عددی و تجربی در مورد کاربرد مولدهای گردابه و نانوسیالات در انواع مبدل های حرارتی بیان شده است. در فصل بعدی هندسه مورد بررسی معرفی شده و شرایط مرزی و روابط مورد استفاده تشریح شده است. در ادامه، نتایج تحقیق در سه بخش ارائه می-شوند. شروع کار به تعیین نانوسیال بهینه یعنی نانوسیالی که در کنار افزایش انتقال حرارت باعث تحمیل حداقل میزان افت فشار (افت فشار منطقی) به سیستم شود، اختصاص یافت. برای این منظور، اثرات نوع نانوذره (نانوذرات tio2، al2o3 و cuo) و نیز نوع سیال پایه (آب و اتیلن گلیکول) روی انتقال حرارت، افت فشار و ضریب عملکرد حرارتی مورد بررسی قرار گرفت. در فصل پنجم، به بررسی 11 نوع مختلف از هندسه های مرتبط با لوله و باله پرداخته و اثرات پارامترهایی همچون شکل، ابعاد و چیدمان باله ها و نیز قطر لوله ها روی مشخصه های انتقال حرارت و جریان سیال، بررسی شد. سپس بهینه سازی مولدهای گردابه از لحاظ زاویه حمله، ابعاد و موقعیت جایگیری آن ها در هندسه انتخاب شده در بین یازده نوع معرفی شده در فصل پنجم در دستور کار قرار گرفت. مبتنی بر نتایج این بررسی ها، شرایط بهینه برای هر یک از پارامترهای مرتبط با مولد گردابه تعیین شد. مطالعات انجام شده در این دو قسمت اخیر در عدد رینولدز ثابت 1000 و برای سیال عامل آب انجام شد. در پایان، به بررسی تأثیر استفاده همزمان از دو روش غیرفعال افزایش انتقال حرارت یعنی کاربرد مولدهای گردابه و نانوسیال (روش ترکیبی) در مبدل حرارتی لوله-پره ای بهینه شده در فصل پنجم در محدوده اعداد رینولدز 2200-300 پرداخته شد. تمام مطالعات انجام شده در این تحقیق به صورت سه بعدی، با استفاده از مدل توربولانسی k-ω sst وجود لوله و مولد گردابه باعث ایجاد جریان مغشوش شده است) و توسط نرم افزار فلوئنت انجام شدند. نتایج این تحقیق نشان داد که کاربرد همزمان نانوسیال و مولد گردابه باعث افزایش قابل توجه انتقال حرارت شده و افزایش غلظت نانوسیال نیز تأثیر مثبتی بر انتقال حرارت داشته و باعث بهبود آن می شود. مشاهده شد که ضریب انتقال حرارت جابه جایی در حالت استفاده همزمان از مولد گردابه و نانوسیال آب/tio2 با غلظت های %1 و %6، به ترتیب حداکثر در حدود %70 و %117 نسبت به حالت استفاده از سیال عامل آب و عدم کاربرد مولدهای گردابه، افزایش یافت.