مبدلهای حرارتی از جمله تجهیزات حیاتی در صنعت بهشمار میآیند که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال با دماهای مختلف استفاده میشوند. انواع مختلفی از مبدلهای حرارتی وجود دارد که مبدل پوسته و لوله یکی از رایجترین آنها است. این مبدل بهواسطه ساختار مکعبی و نحوه آرایش لولهها درون پوسته، سطح انتقال حرارت گستردهای فراهم میکند و در کاربردهای صنعتی و مهندسی، بهویژه در شرایط کاری سخت و سیالات دوفازی مورد استفاده قرار میگیرد.
در سالهای اخیر، استفاده از نانوسیالات بهعنوان یک روش نوین برای افزایش نرخ انتقال حرارت مطرح شده است. نانوسیالات از ذرات نانو با هدایت حرارتی بالا تشکیل شدهاند که با اضافه شدن به سیالات پایه، مانند آب، توانایی انتقال حرارت را بهبود میبخشند. در این مقاله، به بررسی و شبیهسازی انتقال حرارت دو فاز در مبدل پوسته و لوله مکعبی با آب و نانوسیالات پرداخته شده و عملکرد آنها از نظر انتقال حرارت تحلیل میشود.
مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از انواع مبدلهای متداول در صنعت است که ساختار ساده و موثری برای انتقال حرارت فراهم میآورد. در این نوع مبدل، یک سری لوله درون پوستهای قرار دارد و دو سیال با دماهای مختلف در این لولهها و پوسته جریان پیدا میکنند. یک سیال در درون لولهها و سیال دیگر در فضای پوسته جریان دارد، که باعث انتقال حرارت بین این دو سیال میشود.
مبدلهای پوسته و لوله به دلیل قابلیت طراحی و استفاده در شرایط مختلف دما و فشار، در کاربردهای زیادی مانند پالایشگاهها، صنایع پتروشیمی، تهویه مطبوع و نیروگاهها مورد استفاده قرار میگیرند. برای افزایش کارایی این مبدلها، از تکنیکهای مختلفی مانند استفاده از نانوسیالات و یا ایجاد جریانهای آشفته استفاده میشود که موجب افزایش سطح انتقال حرارت میگردد.
مکانیزمهای انتقال حرارت در جریانهای دو فاز آشفته
جریانهای دو فاز، به جریانهایی اطلاق میشود که شامل دو فاز مختلف مانند مایع-مایع، مایع-گاز یا گاز-مایع باشند. در این حالت، پیچیدگی زیادی در مدلسازی و شبیهسازی جریان وجود دارد، زیرا عوامل متعددی نظیر تغییرات چگالی، سرعتهای نسبی، انتقال جرم و حرارت بین فازها درگیر هستند.
در جریانهای دو فاز آشفته، تلاطم باعث افزایش سطح تماس بین دو فاز شده و بهطور قابل توجهی نرخ انتقال حرارت را افزایش میدهد. این جریانها عموماً به صورت غیر یکنواخت و با تغییرات زیاد در دما و سرعت همراه هستند که باعث بهبود انتقال حرارت میشود. با توجه به پیچیدگیهایی که در این نوع جریانها وجود دارد، مدلسازی و شبیهسازی آنها به روشهای عددی و با استفاده از نرمافزارهای شبیهسازی انجام میگیرد.
نانوسیالات و تاثیر آنها بر انتقال حرارت
نانوسیالات، سیالاتی هستند که با افزودن نانوذراتی مانند نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی (مانند نقره، مس، اکسید آلومینیوم) به سیالات پایه تولید میشوند. این نانوذرات بهدلیل داشتن هدایت حرارتی بالا میتوانند بهطور موثری ظرفیت انتقال حرارت سیالات پایه را افزایش دهند. نانوسیالات به دلیل برخورداری از خواص حرارتی و ترموفیزیکی مناسب، بهعنوان یکی از تکنیکهای افزایش راندمان مبدلهای حرارتی معرفی شدهاند.
تاثیر نانوسیالات در افزایش انتقال حرارت بهدلیل افزایش رسانش حرارتی و همچنین ایجاد تلاطم در مقیاس میکروسکوپی درون جریان سیال است. علاوه بر این، پراکندگی یکنواخت نانوذرات در سیال پایه منجر به افزایش سطح تماس سیال با دیوارهها و در نتیجه افزایش نرخ انتقال حرارت میشود.
شبیهسازی انتقال حرارت دو فاز در مبدل پوسته و لوله مکعبی با آب و نانوسیال
شبیهسازی جریان دو فاز آشفته با آب و نانوسیالات در مبدل پوسته و لوله
شبیهسازیهای عددی ابزاری قدرتمند برای تحلیل عملکرد مبدلهای حرارتی در شرایط کاری مختلف فراهم میکنند. در این پژوهش، شبیهسازی جریان دو فاز آشفته با ترکیبی از آب و نانوسیالات در مبدل حرارتی پوسته و لوله مکعبی انجام شده است. برای شبیهسازی، نرمافزارهایی مانند ANSYS Fluent یا COMSOL Multiphysics استفاده میشوند که قادرند رفتار حرارتی و جریان سیال را در شرایط مختلف مدلسازی کنند.
مدلسازی جریان دو فاز در شرایط آشفته نیازمند حل معادلات پیچیدهای است که شامل قانونهای بقای جرم، مومنتوم و انرژی میشود. روشهای مختلفی برای مدلسازی جریان دو فاز وجود دارد که از آنها میتوان به مدل اویلری-لاگرانژی و مدل اویلری-اویلری اشاره کرد. در این شبیهسازی، مدل اویلری-اویلری بهکار رفته است، زیرا این مدل قادر است توزیع دما و سرعت را در شرایط دو فاز آشفته با دقت بیشتری پیشبینی کند.
نتایج شبیهسازی و تحلیل دادهها
نتایج شبیهسازی نشان داد که افزودن نانوسیالات به جریان آب در مبدل حرارتی پوسته و لوله، بهطور چشمگیری باعث افزایش نرخ انتقال حرارت میشود. در شرایط آشفته، حضور نانوذرات درون سیال باعث افزایش رسانش حرارتی و کاهش مقاومت حرارتی سیال میشود. این امر به بهبود کلی انتقال حرارت منجر میگردد. همچنین، شبیهسازیها نشان داد که نانوسیالات توانایی بهبود ضریب انتقال حرارت جابجایی را در مبدل حرارتی دارند که این امر میتواند برای کاربردهای صنعتی و بهینهسازی سیستمهای حرارتی مفید باشد.
از دیگر نتایج شبیهسازی میتوان به تاثیر ترکیب درصد نانوذرات بر راندمان انتقال حرارت اشاره کرد. با افزایش غلظت نانوذرات، نرخ انتقال حرارت افزایش مییابد، اما باید توجه داشت که این افزایش غلظت میتواند منجر به افزایش ویسکوزیته سیال و در نتیجه افت فشار شود. بنابراین، بهینهسازی نسبت ترکیب نانوذرات برای دستیابی به بهترین عملکرد حرارتی و کمترین افت فشار از اهمیت ویژهای برخوردار است.
شبیهسازی انتقال حرارت دو فاز در مبدل پوسته و لوله مکعبی با آب و نانوسیال
نتیجهگیری
استفاده از نانوسیالات در مبدلهای حرارتی پوسته و لوله بهعنوان یک روش موثر برای بهبود انتقال حرارت مطرح شده است. این مقاله به بررسی و شبیهسازی عملکرد جریان دو فاز آشفته در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله مکعبی با آب و نانوسیالات پرداخت. نتایج نشان داد که افزودن نانوذرات به سیال پایه، بهطور قابل ملاحظهای راندمان انتقال حرارت را افزایش میدهد.
در شرایط آشفته، نانوسیالات به دلیل داشتن خواص ترموفیزیکی مناسب و رسانش حرارتی بالا، باعث افزایش نرخ انتقال حرارت و بهبود عملکرد مبدل میشوند. همچنین، شبیهسازیها نشان داد که با افزایش غلظت نانوذرات، راندمان حرارتی افزایش مییابد. اما نیاز به بهینهسازی این غلظت وجود دارد تا از افزایش بیش از حد افت فشار جلوگیری شود.
این پژوهش میتواند بهعنوان مرجعی برای بهبود طراحی و بهینهسازی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله با استفاده از نانوسیالات بهکار رود.برای مطالعه بیشتر میتوانید وارد سایت شوید. استفاده از این روش در صنعت، بهویژه در کاربردهای با نیازهای انتقال حرارت بالا، میتواند به صرفهجویی در انرژی و بهبود کارایی سیستمهای حرارتی منجر شود. همچنین، توسعه و تحقیق بیشتر در مورد نانوسیالات و رفتار آنها در شرایط مختلف میتواند چشماندازهای جدیدی برای استفاده از این فناوری نوین در صنعت فراهم کند.
