مدلسازی نانوسیال آب آلومینا در مبدل حرارتی دو لوله ای

شبکه های عصبی مصنوعی ( Artificial Neural Network – ANN ) يا به بیان ساده تر شبکه های عصبی، سیستم ها و روش های محاسباتی نوينی هستند برای يادگیری ماشینی، نمايش دانش، و در انتها اعمال دانش بدست آمده در جهت بیش بینی پاسخ های خروجی از سامانه های پیچیده. ايده اصلی اين گونه شبکه ها (تا حدودی) الهام گرفته از شیوه کارکرد سیستم عصبی زيستی، برای پردازش داده ها، و اطلاعات به منظور يادگیری و ايجاد دانش قرار دارد. به دلیل کاربرد گسترده مبدل های دولوله ای در صنايع نفت و گاز و همچنین صنايع برودتی گرمايشی، نیاز به مدلی که بتواند به صورت آنلاين بدون نیاز به فرایند پیچیده اندازه گیری پارامترهای دخیل در انتقال حرارت و نقش آن ها در میزان انتقال حرارت مبدل را پیش بینی نماید ضروری به نظر می رسد بنابراین در این تحقیق شبکه های عصبی به دلیل اینکه محدودیت های مدل های مبتنی بر معادلات حاکم بر فرایند را دارا نمی باشد و قادر به پیش بینی رفتار در شرایط پیچیده می باشد انتخاب گردید. مدل شبکه عصبی مبتنی بر داده های آزمایشگاهی ارائه شده در این تحقیق قادر خواهد بود تا بدون صرف هزینه و زمان رفتار مبدل را در شرایط مختلف ارزیابی نماید.

مقدمه

امروزه مبدل های حرارتی در صنعت، کاربردهای فراوانی دارند و به همین دلیل تا کنون کارهای تجربی و عددی زيادی در زمینه بررسی انتقال حرارت و مشخصه های جريان سیال در مبدل های حرارتی انجام گرفته است. محدوديت ها و مشبکلاتی که در روشهای تجربی و آزمايشگاهی وجود دارد موجب شده است ک استفاده از روش های عددی رشد گسترده ای داشته باشند، به طوری که تا کنون به منظور طراحی مبدل های حرارتی با بازده بیشتر، تحقیقات زيادی برای اندازه گیری راندمان و انقال حرارت روی مبدل ها انجام شده است. فرايند انتقال حرارت و استفاده از مبدل های حرارتی در اغلب صنايع کوچک و بزرگ وجود دارد .افزايش میزان انتقال حرارت و کارايی مبدل های حرارتی به معنی صرف جويی میلیون ها دلار در هزينه های صنايع می باشد.با رفتاری ک نانو سیالات از خود در زمینه انتقال حرارت نشان داده اند امید به چنین صرف جويی در صنايع بويژه صنايع بزرگ شده است. کاهش اندازه ذرات يک جامد که همراه با افزايش تعداد در واحد جرم می باشد منجر به افزايش سطح مخصوص می گردد. بطوريکه سطح مخصوص ذراتی با اندازه نانومتری در حدود ۱۰۰۰ برابر سطح مخصوص ذراتی با ابعاد میکرومتری می باشد. با کاهش اندازه ذرات به حدود نانو متر درصد بیشتری از اتم های آن در نزديکی سطح قرار می گیرند. سطح ذرات در انتقال حرارت موثر بوده است و استفاده از نانوسیال به افزايش سطح انتقال حرارت منجر می گردد بنابراين نانو ذرات يک سطح بسیار زياد برای انتقال حرارت ايجاد می کند و همین عامل يک مزيت بالقوه برای نانوسیال می باشد. مقايسه سطح ايجاد شده برای انتقال حرارت در نانو ذرات يا سطح پودرهای متداول میکرومتری بیانگر توانايی و قابلیت زياد نانو ذرات در افزايش انتقال حرارت و ايجاد سوسپانسیون پايدار می باشد. لازم به ذکر است که يکی از مشکلات افزودن ذرات به اندازه میکرو به سیال پايه ته نشینی سريع آنها است که با کاهش اندازه به مقیاس نانو تا حدود زيادی مرتفع می گردد. رشیدی و همکاران بررسی و بهینه سازی پارامتری سیکل های آلی رانکین و کلازيوس را با دو هیتر آب تغذیه کننده براساس کلونی زنبور عسل و شبکه عصبی انجام دادند. نتايج نشان داد حداکثر مقادير راندمان گرمايی و انرژی برای R717 بیشتر از مقادير بدست آمده برای آب است. مروری بر مقالات موجود نشان داده است که بررسی های معدودی در اين زمینه انجام شده اند و اکثر اين بررسی ها تاثیر زاويه مارپیچ را بر انتقال حرارت و ساير پارامترهای هندسی بررسی کرده اند. هی و همکاران نتايج آزمايشی را گزارش کردند که در آن رفتار انتقال حرارت و جريان نانو سیالات آب تقطیر شده ۲ TiO جريان يافته در يک جريان رو به بالا در يک لوله عمودی در شرايط جريان آشفته و آرام تحت شرايط مرزیشارگرمايی ثابت مورد بررسی قرار گرفت. نتايج نشان داد که ضریب انتقال حرارت جابجايی با افزايش تراکم نانو ذرات در جريان های آرام و آشفته در يک عدد رينولدز و اندازه ذره ای مشخص افزايش می یابد. به طرز مشابهی در يک تراکم (غلظت) نانو ذره ای و عدد رينولدز مشخص به نظر نمی آيد که ضريب انتقال حرارت به اندازه متوسط ذرات تحت شرايط آزمايش حساس باشد. تأثیر کم اندازه ذرات بر ضريب انتقال حرارت میتواند ب علت حرکت و انتقبال نانو ذرات باشد. فروغی و کامل به بررسی انتقال حرارت سیالات فوق بحرانی در مبدل های صفحه تخت پرداختند آنها در تحقیق خود به منظور افزايش انتقال حرارت از شیارهای بر روی صفحه استفاده نموده و دريافتند که ايجاد شیار با زاويه ۶۰ درجه سبب بیشترين انتقال حرارت می گردد. والراونا و همکارانش به بررسی مقايسه ای مبدل حرارتی پوسته و لوله و مبدل صفحه تخت در شرايط عملیاتی دما پايین پرداختند. نتیجه ای که از تحقیق آنها حاصل شد اين بود ک مبدل صفحه تخت عملکرد بهتری دارد علیرغم اينکه يکسان بودن هندسه دوطرف مبدل دارای يک نقیصه می باشد. تیواری و همکارانش به مطالعه عددی جريان نانو سیال در مبدل حرارتی صفحه ای پرداختند. آنها در تحقیق خود برای انجام آنالیز عددی از نرم افزار فلوئنت با فرض هموژن بودن سیال بهره گرفتند. ژو و همکارانش با استفاده از مفهوم آنتروپی به بهینه سازی مبدل صفحه ای پرداختند. از ديد آنها مهمترين پارامتری که بر روی بهینه سازی مبدل تاثیر بسزايی دارد سطح در تمامی برای ۲ سیال می باشد. خوشوقت و همکارانش با استفاده از نوارهای چسبیده به صفحات نقش افزاينده های آشفتگی جريان در مبدل های صفحه ای را مورد بررسی قرار داد. چن وهمکارانش به بررسی تئوری نقش زاویه خمش در مبدل های صفحه پرداخته و دريافتند که میزان خمش در صفحات تا زاویه ۳۰ درجخ سبب افزايش انتقال و پس از آن سب کاهش میزان انتقال حرارت می گردد. دلیل کاهش انتقال حرارت را بايد به نزديکی خمش های بالای ۳۰ درجه به مبدل های لوله ای دانست. آری وهمکارانش ب بهینه سازی و حساسیت سنجی مبدل میکروصفحه ای در حضور نانو سیالات پرداختند. آنها برای انجام حساسیت سنجی از شبکه های عصبی با الگوريم آموزشی ژنتیک استفاده نمودند. نتايج آنها نشان داد که استفاده از نانو سیالات تاثیر بیشماری نسبت به ايجاد خمش و يا شیار دارد. همچنین نتايج شبکه های عصبی از انطباق خوبی با داده های آزمايشگاهی برخوردار است به عبارت ديگر شبکه های عصبی به خوبی قادر به پیش بینی خواص مبدل می باشد. Masuda و همکاران برای اولین بار ويسکوزيته دينامیکی نانو سیالات بر پايه آب را برای محدوده دمايی از شرايط اتاق تا ۶۷ درجه سانتی گراد، را اندازه گیری کرد. Wang و همکاران برخی از داده ها را برای ويسکوزیته دينامیکی مخلوط نانو سیالات آب – AL2O3 و اتیلن گلايکول – AL2O3 در دماهای مختلف به دست آورده است. Brinkman مدل ويسکوزیته ای را ارائه داد که معادل انیشتین توسعه يافته را برای سوسپانسیون های با غلظت بالا به خوبی توصیف می کند.

منبع:
همایش ملی مهندسی مکانیک، اسفند ماه ۱۳۹۴
پورتال جامع انرژی