شيمي ايران

کاربرد نانو سيال آب- آلومينا گاما در مبدل گرمايي پوسته و لوله در غلظتهاي حجمي گوناگون

نويد بزرگان*+
آبادان، دانشگاه آزاد اسلامي واحد آبادان، گروه مهندسي مکانيک

محدثه ميری ،فرهاد وحيدینيا
زابل، دانشگاه زابل، گروه مهندسي مکانيک

چكيده: در پژوهش حاضر، کاربرد نانو سيال آب- آلومينا گاما تا بيشترين غلظت حجمي %7 در مبدل گرمايي پوسته و لوله در شرايط جريان مغشوش بهصورت عددی مطالعه شده است. در ابتدا ،رابطههای انتقال گرمای ميان نانو سيال بهعنوان سيال خنککننده )سيال لوله( و آب )سيال پوسته( برای محاسبه ضريب انتقال گرما، ضريب انتقال گرمای کلي و توان پمپ کردن نانو سيال استخراج شدهاند. در ادامه عملکرد مبدل گرمايي با درنظرگرفتن نانوسيال در قسمت لوله در شرايط جريان درهم بررسي شده است. در بيشتر مقالههای علمي به سودمندی کاربرد نانوسيال در مبدلهای گرمايي اشاره شده است اما در اين پژوهش نتيجهها نشان ميدهد که افزايش چشمگيری در نرخ انتقال گرمای نانو سيال در جريان درهم ديده نميشود و بيشترين نرخ انتقال گرما در غلظت حجمي 620/6 و در حدود %5/4 نسبت به سيال پايه ميباشد. همچنين نرخ انتقال گرما با کاربرد نانوسيال با غلظت حجمي بيش از 620/6 رو به کاهش است.

واژههاي كليدي: نانوسيال؛ غلظت حجمي نانوذرهها؛ انتقال گرما؛ مبدل گرمايي لوله و پوسته؛ جريان درهم.
KEYWORDS: Nanofluid; Particle volume fraction; Heat transfer; Shell and tube heat exchanger ;
Turbulent flow.
مقدمه
انتق ا انا ي گ م يي در بس ي ري از واح ا ي ص ت تي و ام وزه يکي از چ لش ي موجود در ص فهجويي ان ي و افازا يش شيمي يي از مهمت ين بخش ي عملي ت شيمي يي محسوب ميشاود به هوري در بسي ري از صت يع، موضوع ختکک ري اس باه علا
درصا ب لايي از اين مورد را مباا ي گ م يي انج م مايد تاا توس ه س يع فت وري م ارن در صات يع گون گون، اس تد ده از در ح ا ح ض ، مهمت ين و پ ک رب دت ين آن ، مباا ي لوله و پوساته سي ا ي متااولي مچون آب و اتيلن گليکوا )بهعلا اااي ساااتتا کاااه آن ااا را در بااايشتااا واحاااا ي شااايمي يي گ م يي ض يف( در س م نه يي که ني ز به ختکک ري در شا ر ي بزرگ و ي کوچک ميتوان ديا دليل ک رب د گست ده اين نوع مباا ، گ م يي ب لا )ده ا ماا وات با متا م باع( دارناا يا ک چا لش سطح تم س زي د با اي انتقا ا گ ما در فضا يي کوچاک اسا محسوب ميشود افزايش سطح انتق ا گ م يکي از راه ا ي قاايمي

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
359
در افزايش ن خ ختککتتاگي ميب شا راه حلي که در د اه اخ يا به کمک مهتاسي سي لات آماه اس و باه بهبااود وييگاي ا يانتق ا گ م ي سي ا ي رايج ح مال اناا ي متجا شااه اسا ، فت وري ن ناو اس استد ده از ذره ي ب اناازه ن نومت ي در ساي اخ لص پ يه بهمتظور افزايش ااي گ م يي آن و حذف مشکلاتي که مخلوط ي داراي ذره ي ميليمت ي و ميکا ومت ي داشاتتاب اي اولين ب ر در آزم يشا ه ملي آرگاون آم يکا توسا چاوي و
گون گون انتق ا گ م ب رسي نمودهانا داس و مک ران [2]، وانگ طوا به قط ياروليکي از مقاار مشخصي بيشت شود سودمتا و م جوماار [3] پايو ش ا ي انجا م شااه توسا پيو شاا ان نيس و توليا آنت وپي ن نوسي ا ي بيشت از سي ا پ يه ميشود گون گون را خلاصه و گ دآوري نمودناا آن ا ب يا ن نمودناا کاه کيم و مک ران [11] بي ن نمودنا که افزايش چشماي ي پيو ش ي انج م شااه نشا ن مايد تاا کاه اااي گ ما ي ي در انتق ا گ م ي ج بهج يي ب استد ده از ن نو سي ا ي ک بتي ن نو سي ا بيشت از سي ا پ يه اس و به ع مل ا يي مچاون انااازه، در ج ي ن در م دياه نميشود ام در ج ي ن آرام افزايش انتق ا گ م
گس يافزا مي اشکل ييپش و ي ه االازمي غلظاس گ بساتا ميام ي حجميشي ن دارد ن ط نو نوک سفي ذرداسيه ان وي درس و به ي ، تمکااز ه ايس مچتا رانزني[ ين2رو ] نبي زيا ناوععملک بهن د نا پيونو ذرمبااا هشنمودناا ااا وييکاه در استد مقحاود يده% 8سهاز بن نوجبوده ي س ي اسن ادر پ مبه نتزليعتوان و سودمتاتسي ااسمک ران [ختک12]متصور کتتاه بيو در ن جمک ي رانن نمودنا[ 13]کهآرام
بيشت ي اس پيو ش ي تج بي انج م شااه در ماورد انتقا ا بي ن نمودنا که ک رايي ن نوسي ا در مباا ي گ م يي افزون ب گ م ي ن نوسي ا بيشتا با ر يا م ج يا ن آرام و در لولاه ا ي وييگي ي ت موفيزيکي آن به نوع مباا گ م يي و ش اي ماور و ميک وک نا ا ا باوده اسا ايا ن پايو ش ا ي تج با ي ک رک د آن و نوع ج ي ن سي ا )آرام ي در م( نيز بستاي دارد نش ن ميد تا که از انواع گون گون ن نو ذره ا در غلظا اي حجما ي محبي و مک ران [14] انتق ا گ م ي ن نوسي ا آب ا آلوميت
ايستمن [1] در س ا 1991 ميلادي مط ح شا و آن اين سوسپ نسيون را ن نو سي ا ن مياناا در ده سا ا گذشاته بساي ري از پيو شاا انوييگي ي انتق ا گ م ن نو سي ا ي گونا گون را در ک رب د ا يغلظ ک ش ب زده نسب به سي ا پ يه خ لص وجود دارد به جز در غلظ %14 که افزايش کمي در ب زده ت موسيدون دياه ميشود نتيجه ي تج بي ت يواري و مک ران [9] نش ن ميد ا که غلظ حجمي بهيته ن نوسي ا ي 2CeO/آب ،3Al2O /آب ،2TiO/آب ،2SiO/آب بهک ر رفته در مباا گ م يي صدحهاي ب اي بيشيته ک دن ن خ انتق ا گ م بهت تيب 71/4، 1، 71/4 و 21/1درصا ميب شا و استد ده از اين ن نوسي ا در غلظ ي حجمي ب لات سودمتا نيس نتيجه ي رفي ي [14] نش ن ميد ا که ک رب د ن نوسي ا ي آلوميت ا آب و آلوميت ا اتيلن گليکوا در ن حيه حلقوي بين دو استوانه م م کز در ش ر گ م يي ث ب تا ميکه نسب
گون گون، استد ده از ن نو ذره ي اکسيا فلزي ت بيشت ين غلظا حجمي %4 از نظ ک رايي مت سب و ارزان باودن دلخاواه ساتتا البته ش ي ن ذک اس که موارد متت قضا ي در نتيجاه ا ي تج با ي پيو شا ان گون گون دياه ميشود بهعتوان نموناه وِنِ و ديتاگ [4] بي ن نمودنا که افزايش ض يب انتق ا گ م ي ن نوسي ا بيشتا ازافزايش ااي گ م يي آن بوده اس و اين ي فته علمي در تت قض ب نتيجه ي تج بي ي نگ و مک ران [1] ميب شاا شاوان و لاي [6] نش ن دادنا که افزايش انتق ا گ م در يک لولاه افقا ي با کا رب دت بيشت ين غلظ حجمي %1 را در لوله ي دناانه دار ب شکل ي گون گون )مستطيلي، ذوزنقهاي و نيم داي هاي( در ش اي ج ي ن در م و ش ر گ م يي ث ب بهصورت عادي ب رسي ک دنا نتيجه ي آن نش ن ميد ا که شکل دناانه لوله در افزايش انتق ا گ م ي ن نوسي ا در ج ي ن در م بسي ر مؤث اس
از آنج ييکه در مباا ا ي گ ما يي صات يع گونا گون حجامب لايي از ن نو سي ا ني ز اس و ج يا ن در ام ما يب شاا بتا ب اين پيو شا ان در آيتاه ب يا مط ل ه ي بيشت ي با رو ي انتقا ا گ ما
ن نوسي ا مس در شا ا ي ج يا ن در ام حااود %44 باوده اسا ج بهج يي ن نو سي ا در ج ي ن در م انج م د تا
در ح ليکه نتيجه ي ويلي مز و مک ران [7] افزايشا ي چشاماي در ک ر ح ض ک رايي استد ده از ن نو سي ا آب ا آلوميت گ م در انتق ا گ م ب ک رب د ن نو سي ا ي اکسياي در ج ي ن در م را بهعتوان سي ا ختککتتاه در مباا گ م يي پوسته و لوله در ش اي نش ن نميد ا نوعي و مک ران [8] تأثي ن نوسي ا مس اکسيا ا استون را ج ي ن در م ب پ يه رابطهاي تج بي ت موفيزيکي توس ه ي فته ب عملک د گ م يي يک ت موسيدون دو ف زي بسته ب رسي ک دناا مورد ب رسي ق ار گ فته اس و نتيجه ي بهدس آماه ب نتيجه ي آزم يشاا ي آن ا نشا ن مايد اا کاه در بايشتا سي ا پ يه مق يسه شاه اس

34195056

شکل 3ـ شماي مبدل گرمايي لوله و پوسته استفاده شده در پژوهش.

پيشبيني ويژگيهاي ترموفيزيکي نانو سيال
در اين پيو ش از ن نو سي ا آب ا آلوميت گ م )ن نو ذره ي
11 ن نومت ي( بهعتوان سي ا ختککتتاه در مباا گ م يي پوسته و لوله
مط بق شکل 1 استد ده شاه اس وييگي ي مباا گ م يي و ش اي عملک د آن در جاوا 1 داده شاه اس لوله در اين مباا گ م يي يک ب ر ا گذر ميب شتا جاوا 2 وييگي ي ت موفيزيکي ن نو سي ا آب ا آلوميت گ م )سي ا لوله( و آب )سي ا پوسته( که در دم ي متوس لوله و پوسته مح سبه شاهانا را نش ن ميد ا دم ي آب ورودي به پوسته )سي ا گ م( و دم ي ن نو سي ا ورودي به لوله )سي ا س د( بهت تيب 32 و 24 درجه سلسيوس
اس شات ج ي ن ج مي سي ا ي پوسته و لوله بهت تيب
14 و 114 کيلوگ م ب ث نيه ميب شا
در پيو ش ح ض ، چا لي)nf ( و گ م ي وييهي ن نو سي ا آب ا آلوميت گ م) ,cp nf( بهت تيب ب استد ده از رواب پ ک [11]
و شوان [16] و مچتين ااي گ م يي) knf( و گ ان وي ن نو سي ا) μnf( ب استد ده از رواب شبهتج بي کورسيون [17] پيشبيتي شاهانا:
   nf(1 ) bfp )1(
585166116508

cp,nf  (1 ) bf cp,bfnf p p,pc )2(
218992140776

1507032140776

knf 04/ 066/  T 10 kp 003/ 066/ kbf  1 44/ Re Pr  Tfr   kbf  )3(
52744646079

)4( / nf 1 3487/(d /dpbfbf )03 103/  در م دله )1(، bf و p بهت تيب چا لي سي ا پ يه و ن نو ذره و در م دله )2(، cp,bf و cp,p بهت تيب گ م ي وييه سي ا پ يه و ن نو ذره ميب شتا در رواب فوق،  غلظ حجمي ن نو ذره اس در م دله )3(، T و Tfr بهت تيب دم ي سي ا پ يه و دم ي انجم د سي ا پ يه ،Pr عاد پ انتل سي ا پ يه و Re عاد ريتولاز اس که بهصورت زي ت يف ميشود:
301807102211

Re  2bf2bfk Tdbp )1( اس 1/3847 × 14-23 J/k ث ب بولتزمن و ب اب بkb
در م دله )4(، bf گ ان وي سي ا پ يه، dp قط ن نو ذره و dbf قط م دا يک مولکوا سي ا پ يه اس که طبق م دله زي مح سبه ميشود [17]:
53479998683

dbf 01/  N6Mbf 1 3/ )6(
در م دلهي )6(، 1-N= 6/4221 × 1423mol عاد آووگ درو ، M وزن مولکولي سي ا پ يه و ρbf0 چا لي سي ا پ يه در دم ي T0=293°K اس که در اين پيو ش dbf = 4/384 nm مح سبه شاه اس

مدلسازي رياضي
ب مح سبه وييگي ي ت موفيزيکي ن نو سي ا در غلظ ي حجمي گون گون، در اين بخش ماا ري ضي ب اس س اصوا انتق ا گ م مي ن آب )سي ا پوسته( و ن نوسي ا )سي ا لوله( ارايه ميشود ف ضيه ي زي در اين ماا در نظ گ فته شاه اس :
343جدول 3 ـ ويژگيهاي هندسي و شرايط عملکرد مبدل گرمايي لوله و پوسته استفاده شده در پژوهش [31].

جدول 2ـ ويژگيهاي ترمو فيزيکي نانوسيال )سيال پايه آب و نانو ذرههاي آلومينا گاما( )سيال لوله( و آب )سيال پوسته.(

گ

م

ي

وييه

(
J/kgK
)

چا

لي

(
3
kg/m
)

يب

ض

ااي

گ
م

يي

(
W/mK
)

ان

وي
گ

ميکي

ديت

(
)
kg/ms

آب

سي
(
)
پوسته

ا

4179

9
/
991

612
/
4

4

14
×
11
/
8

پ

ا

سي
(

آب
يه
)

4182

2
/
998

198
/
4

4

14
×
42
/
14

نو

ذرات

آلوميت

گ
م

ن

884

3744

46

_

گ

م

ي

وييه



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید