بررسی جریان و انتقال حرارت در میکرو کانال مستطیلی

بررسی انتقال حرارت در میکرو کانال مستطیلی به همراه ماده متخلخل ذوزنقه ای شکل و نانوسیال آب – اکسید مس

مقدمه

در سالیان اخیر توجه به مسئله بهبود انتقال حرارت در علوم مهندسی و صنعت، با سرعت افزاینده ای در حال رشد است، به طوری که هم اکنون به بخش بسیار مهمی از تحقیقات تجربی و نظری تبدیل شده است. در حال حاضر مقالات منتشر شده مرتبط با بهبود انتقال حرارت در سیستم های حرارتی حدود % ۱۰ کل مقالات مرتبط با مبحث انتقال حرارت را شامل می شوند.

بهبود انتقال حرارت با استفاده از روش های مرسوم باعث صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ها و منابع انرژی و حفظ محیط زیست شده است. برهم زدن زیر لایه آرام در لایه مرزی جریان مغشوش، ایجاد جریان ثانویه، اتصال دوباره سیال جداشده به سطح، ایجاد تأخیر در توسعه لایه مرزی، تقویت ضریب هدایت حرارتی مؤثر سیال، افزایش اختلاف دما بین سطح و سیال و افزایش نرخ جریان سیال به صورت غیرفعال از جمله مهمترین مکانیزم هایی هستند که به افزایش انتقال حرارت از طریق جریان سیال منجر میشوند.

روشهای تقویت انتقال حرارت بر اساس یک طبقه بندی مرسوم و پذیرفته شده به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم می شوند. روشهای فعال به روش هایی گفته می شود که در آن بقای مکانیزم تقویت انتقال حرارت وابسته به وجود یک نیروی خارجی است. در حالی که در روش های غیرفعال نیازی به وجود چنین نیرویی نیست. افزایش ضریب انتقال حرارت مورد استفاده در صنایع حرارتی از اهمیت بسیاری برخوردار است. از روش های گوناگونی برای افزایش کارایی تبادل گرمای حرارتی استفاده می شود تا در فضای کوچک تری حداکثر انتقال حرارت صورت گیرد. در روش فعال از نیروهای خارجی مانند میدان مغناطیسی و یا صوتی و یا از سطوح مرتعش برای بر هم زدن لایه مرزی و افزایش تلاطم برای رسیدن به انتقال حرارت بیشتر استفاده می شود، در حالی که روش های غیر فعال به دلیل هزینه های کمتر معمولاً بیشتر مورد توجه قرار دارند.

از جمله این روش ها تجهیزات درون لوله ای مانند شبکه سیم یا برس و سیم پیچ های مارپیچ را می توان نام برد. این تجهیزات به راحتی داخل لوله های تبادل حرارت قابل استفاده می باشند. البته استفاده از تجهیزات درون لوله ای باعث افزایش نامطلوب افت فشار داخل لوله نیز خواهد شد. انتقال حرارت اجباری روی مرز خارجی در حضور محیط متخلخل اهمیت زیادی در تحقیقات چند دهۀ اخیر پیدا کرده است. این مسئله به دلیل ماهیت کلی و بنیادین این موضوع است که آن را به کاربردهای فراوانی از جمله فرایندهای خشک کنندگی، لوله های انتقال حرارت، تصفیه، تبادل های حرارتی تماس مستقیم و شبکه ای، خشک کنندگی وسایل الکترونیکی، عایق سازی گرمایی و استخراج انرژی زمین گرمایی، جاذب های خورشیدی، سلول های ذخیره انرژی و … مرتبط می سازد. به همین دلیل جریان سیال و انتقال حرارت در محیط متخلخل در سال های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده و محققان زیادی بررسی های نظری، عددی و تجربی بی شماری در این زمینه انجام داده اند. افزودنی ها به سیال یکی از راههای دیگر افزایش انتقال حرارت، تقویت ضریب هدایت حرارتی موثر سیال یا ضریب جابجایی اجباری است.

سیالات مرسوم برای انتقال حرارت از قبیل آب، اتیلن گلیکول و روغن موتور نسبت به فلزات و اکسیدهای فلزی، ضریب هدایتی پایینی دارند. یکی از روش های دست یابی به سیال با ضریب هدایتی بالا، افزودن ذرات فلزی یا غیر فلزی با خواص حرارتی بالا نظیر اکسید آلومینیوم، اکسید مس، اکسید تیتانیوم و… به یک سیال پایه معمولی است. به طور کلی دلایل افزایش انتقال حرارت در حضور نانو سیال به شرح زیر است.

• باتوجه به اینکه انتقال حرارت در نانو سیال روی سطوح ذرات معلق انجام می گیرد، ذرات نانو، سطح انتقال حرارت را افزایش می دهند.
• این ذرات معلق، توربولانس و اختلاط جریان را افزایش می دهند.
• پراکندگی ذرات، گرادیان دمایی سیال را تغییر می دهد، در نتیجه ضخامت لایه مرزی حرارتی کاهش یافته و طول توسعه یافتگی افزایش می یابد.

ولی همواره مشکلاتی از قبیل عدم پایداری، فرسایش مجاری، ساییدگی، ته نشینی و مسدود کردن لوله ها درمورد این سیالات مانع از دست یابی به یک محصول تجاری و صنعتی می شدند. لذا مطالعات و تحقیقات محققان به سمت استفاده از ذرات جامد در مقیاس نانو متمایل گردید. اولین یافته ها در خصوص افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال در اثر استفاده از نانو ذرات در مایعات در سیال توسط ماسودا و همکاران گزارش شد. سپس چوی مطالعات جدیدی در این خصوص آغاز کرد و اولین کسی بود که از کلمه “نانو سیال” برای سوسپانسیون های نانوذره در مایع استفاده کرد. پس از آن به مرور محققان بسیاری از جنبه های مختلف نانو سیالات و به طور مشخص ضرایب هدایتی آنها را مورد مطالعه و بررسی قرار دادند.

چکیده

در پژوهش حاضر جریان و انتقال حرارت نانو سیال آب- اکسیدمس بهمراه ماده متخلخل ذوزنقه ای شکل در داخل یک میکروکانال مستطیلی شبیه سازی شده است. میکرو کانال مورد نظر تحت شار ثابت است و هدف مطالعه حاضر، بررسی تاثیر محیط متخلخل ذوزنقه ای شکل و نانو سیال آب- اکسید مس بر ویژگی های جریان و انتقال حرارت داخل میکروکانال است. برای بررسی تاثیر هندسه محیط متخلخل بر روی ویژگی جریان و انتقال حرارت، محیط متخلخل ذوزنقه ای با سه ارتفاع مختلف شبیه سازی شده است. همچنین، جهت بررسی تاثیر نانو ذره بر عملکرد حرارتی، شبیه سازی های انجام شده برای کسر حجمی های مختلف نانو ذره صورت گرفته است.

برای اطمینان از درستی روش حل عددی استفاده شده، اعتبارسنجی با مرجع معتبر نیز انجام گرفته است و تطابق نتایج، درستی روش حل را در مطالعه حاضر نشان می دهد. مطابق نتایج بدست آمده، تاثیر محیط متخلخل بر میزان انتقال حرارت به مراتب بیشتر از حضور نانو سیال است. همچنین نتایج بدست آمده نشان می دهندکه، استفاده از محیط متخلخل ذوزنقه ای با ارتفاع ۰٫۰۰۰۰۵ متر از ضریب عملکرد بهتری نسبت به سایر چیدمان های مورد بررسی برخوردار است و استفاده از نانو سیال در این چیدمان ضریب عملکرد را تا ۱۶ % بهبود می بخشد.

منبع: پورتال جامع انرژی