بررسی تجربی انتقال حرارت و افت فشار جريان نانوسيال در لوله افقی با سيم-پيچ در شرایط دمای دیواره ثابت (1390)

بررسی تجربی انتقال حرارت و افت فشار جريان نانوسيال در لوله افقی با سيم­پيچ در شرایط دمای دیواره ثابت

پروژه کارشناسی ارشد تبدیل انرژی

 علی اکبر شمشیری

اساتید راهنما

دکتر احمد صداقت

دکتر محمد علی اخوان بهابادی

1390

چکیده

این پژوهش، به بررسی تجربی افزایش انتقال حرارت و افت فشار در اثر افزودن نانولوله­های کربنی به روغن انتقال حرارت می­پردازد. با وجود مطالعات فراوانی كه در دو دهه اخیر بر روی نانوسیال­ها انجام گرفته، تحقيقات روي كاربردهاي انتقال حرارت نانوسيال هنوز در مراحل ابتدايي قرار دارد و ضروري است مكانيزم افزايش انتقال حرارت كاملاً شناخته شود و تحقيقات موجود تكميل گردد. یکی دیگر از روش­هایی که معمولاً برای افزایش انتقال حرارت به کار می­رود، استفاده از تجهیزات داخل لوله­ای از جمله سیم­پیچ می­باشد، که نصب آسان و قیمت پایین از مزایای اصلی این روش افزایش انتقال حرارت می­باشد. آزمایش‌ها برای جریان روغن انتقال حرارت و نانوسیالات مختلف درون لوله صاف و لوله­های با سیم­پیچ در شرایط دمای دیواره ثابت، در رژیم جریان آرام و اعداد رینولدز پایین جریان مغشوش انجام گرفت. بخش آزمایش از یک لوله صاف مسی که فنرها در آن قرار می­گرفتند، به طول 5/1 متر و قطر داخلی 5/14 میلی­متر و قطر خارجی 6/15 میلی­متر تشکیل شده بود، البته طول لوله برای سنجش ضریب انتقال حرارت 2/1 متر و برای پارامتر افت افشار 5/1 متر بود. سیال جاری درون لوله­ توسط بخار موجود در مخزن که اطراف لوله را احاطه کرده بود و بیش از نیاز توسط المنت­های حرارتی تولید می­شد، گرم می­شد. سیال­های مورد آزمایش روغن انتقال حرارت به همراه سه نانوسیال روغن انتقال حرارت- نانو لوله­های کربنی با غلظتهای جرمی 1/0، 2/0 و 4/0 درصد بودند که درون لوله صاف و لوله­های با سیم­پیچ جریان یافتند. سیم­پیچ­های مورد آزمایش در این تحقیق در گستره هندسی گام پیچ 79/2 > p/d > 12/1 و قطر سیم 097/0 > e/d > 069/0 قرار داشتند. خصوصیات ترموفیزیکی سیالات آزمایش شامل چگالی، ضریب هدایت حرارتی، لزجت و گرمای ویژه به صورت آزمایشگاهی و با دستگاه­های دقیق اندازه­گیری شدند و بر اساس این داده‌ها روابطی برای محاسبه خصوصیات نانوسیال ارائه گردید تا در محاسبات مربوط به انتقال حرارت و افت فشار مورد استفاده قرار گیرند. نتایج آزمایش­ها نشان داد که افزودن نانولوله­ها باعث افزایش چگالی، ضریب هدایت حرارتی و لزجت روغن انتقال حررات گردیده است ولی گرمای ویژه روغن انتقال حرارت با افزودن نانولوله­ها کمتر شده است. در بخش سیال پایه عبوری از لوله با سیم­پیچ روابطی برای پیش­بینی عدد ناسلت بر پایه عدد رینولدز و عدد پرانتل و هندسه سیم­پبیچ ارائه شد. افزایش قابل ملاحظه انتقال حرارت در ناحیه­ای که الگوی جریان به دلیل استفاده از سیم­پیچ تغییر کرده بود، مشاهده شد، البته افزایش در ضریب انتقال حرارت همراه با افزایش در ضریب اصطکاک و افت فشار مشاهده شد. نتایج آزمایش نانوسیالات، خصوصیات بهتر انتقال حرارت نسبت به سیال پایه را نشان داد. در لوله صاف در یک عدد رینولدز یکسان با افزایش غلظت نانوسیالات میزان انتقال حرارت افزایش یافت، در عین حال مقدار افت فشار نیز افزایش قابل ملاحظه­ای را، مخصوصاً برای نانوسیال با غلظت 4/0 درصد، نشان داد. همچنین نتایج این بخش بیان­گر این بود که با افزایش عدد رینولدز میزان افزایش انتقال حرارت بیشتر می­شد. در بخش نانوسیال عبوری از لوله با سیم­پیچ بار دیگر افزایش انتقال حرارت در مقایسه با زمانی که سیال آزمایش، سیال پایه بود، مشاهده شد. این افزایش در ناحیه کاملاً آرام از افزایش ایجاد شده توسط همان نانوسیال در لوله صاف بیشتر بود ولی در نواحی گذرا و مغشوش نتیجه بالعکس بود. در پایان به دلیل افزایش هم­زمان انتقال حرارت و افت فشار به ارزیابی عملکرد روش­های افزایش انتقال حرارت به­کار رفته پرداخته شد.

کلید واژه: نانوسیال، انتقال حرارت، افت فشار،خواص ترموفیزیکی، سیم­پیچ، دما ثابت