بررسی نانو سیال آب-اکسیدآلومینیوم در مبدل حرارتی دولوله ای
بررسی تجربی نانو سیال آب – اکسید آلومینیوم در مبدل حرارتی دو لوله ای در جریان های آشفته
مقدمه
فرايند انتقال حرارت و استفاده از مبدل حرارتی مخصوصا مبدل حرارتی دو لوله در اغلب صنايع کوچک و بزرگ وجود دارد. افزايش میزان انتقال حرارت و کارايی مبدل حرارتی به معنی صرفه جويی میلیون ها دلار در هزينه های صنايع می باشد. با رفتاری که نانو سیالات از خود در زمینه انتقال حرارت نشان داده اند امید به چنین صرفه 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. بطوري که سطح مخصوص ذراتی با اندازه نانومتری در حدود ۱۰۰۰ برابر در سطح مخصوص ذراتی با ابعادمیکرومتری می باشد. با کاهش اندازه ذرات به حدود نانو متر درصدد 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 تاحدود زيادی مرتفع می گردد. Khanafer و همکاران به صورت عددی انتقال حرارت جابجايی طبیعی نانو سیالات را تحت پارامترهای فیزيکی مختف، آنالیز کرده اند. نتايج آنها نشان می دهد که عدد ناسلت متوسط با افزايش جز حجمی نانو ذرات، برای اعداد گراشف متفاوت افزايش می يابد. نتايج مخالف روی بهبود انتقال حرارت با استفاده از نانو سیالات در جابه جايی آزاد و واداشته در منابع ذکر شده است.
Putra و همکاران به طور آزمايشگاهی نشان دادند که حضور نانو ذرات Al2O3 و Cu-O در نانو سیال پايه آب داخل يک استوانه افقی ضريب انتقال حرارت جابجايی طبیعی با افزايش جز حجمی نانو ذرات، دانسیته ذره و همچنین نسبت ابعاد استوانه، کاهش می يابد. نشان داده است که عدد ناسلت برای نانو سیالات آب- AL2O3و آب TIO2 با افزايش اعداد رينولدز و جز حجمی نانو ذرات افزايش می يابد. با اين وجود، ضريب انتقال حرارت جابجايی برای نانو سیالات در جز حجمی ۳% برابر %۱۲ کوچکتر از سیال پايه با فرض سرعت متوسط ثابت می باشد. Yang و همکاران ، به طور آزمايشگاهی ضريب انتقال حرارت جابجايی نانو سیال آب- گرافیت را در جريان آرام در يک مبدل حرارتی با لوله افقی مورد مطالعه قرار داده است.
ضريب انتقال حرارت آزمايشگاهی آنها نشان میدهد که نانو ذرات، ضريب انتقال حرارت سیال را در جريان آرام افزايش داده است اما افزايش آن کمتر از مقدار قابل انتظار بوسیله ارتباط موجود بر اساس اندازه گیری های ضريب هدايت گرمايی استاتیک می باشد. Kim و همکاران فاکتوری را معرفی کرده اند که اثر افزودن نانو ذره را روی ناپايداری جابجايی و مشخصه های انتقال حرارت سیال پايه، توضیح می دهد. يک فاکتور جديد اثر نسبت ضريب هدايت گرمايی نانو ذره را به سیال پايه، فاکتور شکل نانو ذرات، جز حجمی نانو ذرات، و نسبت ظرفیت گرمايی را بیان می کند. نتايج آنها نشان می دهد که ضريب انتقال حرارت در حضور نانو سیال با افزايش جز حجمی نانو ذرات افزايش می يابد.
Ghasemi and Aminossadati به صورت عددی انتقال حرارت جابجايی طبیعی در يک چهار چوب پر شده با نانو سیال آب- CuOبرای پارامترهای مختلف مربوط مانند عدد رايلی، زاويه شیب، و جز حجمی جامد، را مورد مطالعه قرار داده است. نتايج آنها نشان می دهد که اضافه کردن نانو ذرات عملکرد انتقال حرارت را بهبود بخشیده است. به طور کلی آنها نشان دادند که جز حجمی جامد بهینه ای وجود دارد که نرخ انتقال حرارت را ماکزيمم می کند.Ding و همکاران به طور آزمايشگاهی گزارش کرده اند که ضريب انتقال حرارت جابجايی طبیعی با افزايش غلظت نانو ذرات به صورت سیستماتیک کاهش يافته است و زوال به طور جزئی به ويسکوزيته بالاتر سیالات مربوط می شود. Chang و همکاران، آزمايشات جابجايی طبیعی را با سوسپانسیون محلول میکرو ذره Al2O3 (تقريبا ۲۵۰ نانومتر) در يک ديوار نازک، بررسی کرده اند. نتايج آنها نشان داد که تاثیر غیر قابل ملاحظه ای روی مقدادير عدد ناسلت برای يک ديوار عمودی دارد. با اين وجود، برای يک ديوار افقی، کاهشی در عدد ناسلت در مقايسه با آب خالص در اعداد رايلی کوچکتر و غلظت بیشتر ذرات، وجود دارد. محققان رفتار متناقضی را برای ته نشین سازی در نظر گرفته اند. Keblinski و همکاران و Eastman و همکاران چهار مکانیزم اصلی برای ضريب هدايت گرمايی بهبود يافته نانو سیالات، فرض کرده اند. اينها از حرکت براونی نانو ذرات، لايه های مولکولی مايع در سطح مشترک مايع /ذره، انتقال حرارت درون نانو ذرات و اثرات تجمع نانو ذرات تشکیل را براساس شبیه سازی دينامیک مولکولی و تئوری انرژی جنبشی، نشان دادند که اثرات هیدرودينامیک مرتبط با حرکت براونی، تاثیر کوچکی روی ضريب هدايت گرمايی نانو سیال دارد.
چکیده
هدف بررسی خواص انتقال حرارتی نانوسیال آب اکسید آلومینیوم به عنوان سیال سرد در يک مبدل حرارتی دو لوله ای در حالت غیرهم جهت تحت شرايط رژيم جريان آرام و متلاطم اندازه گیری شده است .تاثیرات عدد رينولدز، تراکم نانو ذرات معلق و نوع ذره بر روی خواص حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است.
براساس نتايج، افزودن نانو ذرات به سیال پايه موجب افزايش قابل توجهی در خواص انتقال حرارتی آن می شود. نانو سیال ذرات اکسید آلومینیوم محلول در آب با سه درصد وزنی ۰/۱%، ۰/۳% و ۰/۵% می باشد، مقايسه رفتار انتقال حرارت نشان می دهد که در يک عدد رينولدز مشخص خواص انتقال حرارت نانو سیال در حالتی که جريان سیال گرم وسرد ناهمسو و دبی سیال گرم آرام و دبی سیال سرد متلاطم است بهینه می باشد. نانوسیالات آب اکسید – آلومینیوم جاری در مبدل حرارتی دو لوله از جنس فولاد ضد زنگ تحت شرايط رژيم جريان متلاطم میباشد. متغیرها و نمودارهای آزمايشگاهی، برای آب و نانو سیال آب – اکسید آلومینیوم با درصد وزنی ۰/۱%، ۰/۳% و ۰/۵% و سیال گرم ورودی با دمای ۰۰ درجه سلسیوس و سیال سرد با دمای محیط در دبی های مختلف در جهت جريان ناهمسو، راندمان و ضريب کلی انتقال حرارت در رينولدز ثابت مورد بررسی قرار گرفته است.
منبع: پورتال جامع انرژی