بررسي عددي جريان رفت و برگشتي در خنك‌كن پوسته و لوله‌اي موتور استرلينگ گاما

Numerical investigation of reciprocating flow in a shell and tube heat exchanger used as a cooler in gamma Stirling engine

يكي از مهم ترين مشخصه هاي جريان در مبدل هاي حرارتي موتور استرلينگ، نوساني بودن جريان است. در اين تحقيق جريان رفت و برگشتي در خنك كن موتور استرلينگ به صورت عددي مورد بررسي قرار گرفته است. حل عددي بر اساس روش حجم محدود و الگوريتم فشار مبنا در كد تجاري نرم افزار فلوئنت انجام شده است. مبدل حرارتي از نوع پوسته و لوله، مايع-گاز است. سيال عامل به صورت گاز، در داخل لوله ها و سيال خنك كننده، آب در اطراف لوله ها در جريان است. ضريب انتقال حرارت، اختلاف دماي سيال عامل و ديواره، عدد ناسلت و ضريب اصطكاك در فشار كاري و فركانس نوسان متفاوت براي سه سيال هليم، كربن دي اكسيد و نيتروژن بدست آورده شده است. عدد ناسلت، ضريب انتقال حرارت و اختلاف دماي سيال عامل و ديواره، با افزايش فركانس نوسان و فشار كاري افزايش مي يابد و ضريب اصطكاك كاهش مي يابد. هليم داراي بيشترين ضريب انتقال حرارت و ضريب اصطكاك و كمترين اختلاف دما بين سيال عامل و ديواره است. در بيشترين فشار كاري و فركانس نوسان، بيشترين عدد ناسلت و كمترين ضريب اصطكاك براي كربن دي اكسيد بدست آمد. در انتها، رابطه‌اي براي عدد ناسلت و ضريب اصطكاك براي هليم، كربن دي اكسيد و نيتروژن براي محدوده عدد رينولدز جنبشي 2.96-212.50 با مقدار خطا %0.23-8.07 پيشنهاد شده است.

Oscillating flow is one of the most important characteristics of flow in stirling engine heat exchangers. In this study reciprocating flow in stirling engine cooler is investigated numerically. Numerical solution is based on finite volume and pressure based algorithm by using the commercial CFD code fluent. A Shell and tube type heat exchanger used as cooler. The working fluid, gas flows inside the tubes while the cooling fluid, water flows around the tubes. The heat transfer coefficient, temperature difference between tube walls and working fluid, Nusselt number and friction coefficient are calculated for Helium, Carbon dioxide and Nitrogen at different operating pressure and oscillating frequency. The Nusselt number, heat transfer coefficient and temperature difference between tube walls and working fluid increase with increase of operating pressure or oscillating frequency while Friction coefficient decreases. Helium has the highest heat transfer coefficient and friction coefficient and the lowest temperature difference between tube walls and working fluid. At the highest operating pressure and oscillating frequency, Carbon dioxide has the highest Nusselt number and the lowest Friction coefficient. Finally empirical equations for Nusselt number and friction coefficient are proposed for Helium, Carbon dioxide and Nitrogen, the error of the equations are within 0.23-8.07% when the range of kinetic Reynolds number is 2.96-212.50.