مطالعه عددي شار حرارتي بحراني در جوشش هسته‌اي نانوسيالات هيبريدي

Numerical study of the critical heat flux in the nucleate boiling of hybrid nanofluids

با توجه به نياز صنايع به بهبود روش‌هاي انتقال حرارت، ناحيه جوشش هستهاي مورد توجه ويژه محققان قرار دارد چراكه جوشش سيالات امكان دستيابي به شارهاي حرارتي بالاتري را نسبت به فرآيندهايي كه تنها مبتني بر انتقال حرارت جابه‌جايي غير جوششي هستند در دسترس قرار مي‌دهد. در اين بين، تغيير سيال عامل در سيستم‌هاي انتقال حرارت جوششي از سيال خالص به نانوسيال موجب بهبود مشخصه‌هاي انتقال حرارت شده و در نتيجه امكان انتقال شار حرارتي بالاتر در دماهاي پايين‌تر را ميسر مي‌نمايد. در نقطه شار حرارتي بحراني كه شار حرارتي ماكزيمم است، بحث امنيت سطح جوشش و محافظت از آن در برابر ازدياد بيش از حد دما مهم ميباشد. هدف از اين تحقيق شبيه‌سازي عددي جوشش استخري نانوسيال هيبريدي پايه آب شامل 30% نانولوله كربني چندجداره و 70 % اكسيد تيتانيوم با غلظت حجمي 5/0%، روي سطح دايروي مسي و بررسي مشخصه‌هاي انتقال حرارتي و به طور ويژه نقطه شار حرارتي بحراني مي‌باشد. ابتدا فرآيند جوشش آب د‌يونيزه خالص توسط نرم‌افزار انسيس فلوئنت شبيه‌سازي گشته و نتايج با داده‌هاي تجربي مقايسه شدهاند. با توجه به تطابق قابل قبول نتايج، نانوسيال هيبريدي مذكور به عنوان سيال عامل تحت جوشش، با تغيير چگالي سايت‌هاي هسته‌زايي به صورت عددي شبيه‌سازي گرديده و مشخصات انتقال حرارت و شار حرارتي آن به دست آمده‌اند. مطابق نتايج، شار حرارتي بحراني براي آب د‌يونيزه خالص در دماي C° 4/24 اتفاق افتاده و ميزان آن در حدود 1/1 مگاوات بر متر مربع بوده در حالي كه شار حرارتي بحراني براي نانوسيال هيبريدي در دماي حدودي C° 13 بوده و مقدار آن در حدود 1مگاوات بر متر مربع ميباشد.

Due to the growing need of industries to improve heat transfer methods, the nucleate boiling region is of special interest to researchers because fluid boiling makes it possible to achieve higher heat fluxes than processes that are based only on non-boiling convection heat transfer. In addition, the change of working fluid in boiling heat transfer systems from pure fluid to nanofluid improves the heat transfer characteristics and thus allows the transfer of higher heat flux at lower temperatures. At the critical heat flux point, where the heat flux is maximum, it is important to secure the boiling surface and protect it from overheating. The purpose of this study is to numerically simulate the pool boiling of a water-based hybrid nanofluid containing 30% multi-walled carbon nanotubes and 70% titanium oxide with a volumetric concentration of 0.5% on a polished copper circular surface and to investigate the heat transfer characteristics, especially the critical heat flux point. For this purpose, the boiling process of pure deionized water was first simulated by ANSYS-Fluent software and the results were compared with experimental data. According to the observed acceptable agreement, the mentioned water-based hybrid nanofluid, as boiling working fluid is numerically simulated by changing the density of nucleation sites and its heat transfer and heat flux characteristics are obtained. The results show that the critical heat flux for pure deionized water was occurred at 24.4 °C and is about 1.1 MW per square meter, while the critical heat flux for the hybrid nanofluid was occurred at 13 °C and is about 1 MW per square meter.