پيش‌بيني الگوي توزيع پارامترهاي موثر بر ضريب انتقال حرارت نانوسيال در مبدل حرارتي پوسته و لوله با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي

سابقه و هدف: در بين انواع مبدل‌ها، مبدل‌هاي حرارتي پوسته و لوله رايج‌ترين تجهيزات تبادل حرارتي هستند. راندمان انرژي يك مبدل حرارتي را مي توان با بهبود ويژگي‌هاي انتقال حرارت افزايش داد. نانوسيالات سوسپانسيون‌هاي كلوئيدي شده نانوذرات در يك سيال پايه هستند. نانوذرات مورد استفاده در نانوسيال‌ها معمولاً از فلزات، اكسيدها، كاربيدها يا نانولوله‌هاي كربني ساخته مي‌شوند. سرعت انتقال حرارت تحت تأثير خواص ترموفيزيكي نانوسيال است كه با افزايش حجم نانوذرات در سيال پايه افزايش مي‌يابد. خواص نانوسيال تحت تأثير غلظت نانوذرات، سطح خلوص و ساختار متغيير است. هدف اصلي اين مقاله ارائه يك بررسي كلي از استفاده از نانوسيال در مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله جهت افزايش ضرايب انتقال حرارت و شبيه‌سازي پارامترهاي موثر در انتقال جريان و حرارت مي‌باشد تا بتوان توزيع دما، سرعت و افت فشار را در نقاط مختلف مبدل حرارتي پيش‌بيني كرد. مواد و روش‌ها: در اين مطالعه، نرم افزار شبيه‌سازي چند فيزيكي كامسول ورژن 6 براي ساخت يك مدل محاسباتي از مبدل حرارتي پوسته و لوله، به منظور شبيه‌سازي تغييرات دما، سرعت و افت فشار در مبدل حرارتي استفاده شد. نانوسيال داغ (353.15 درجه كلوين) به عنوان سيال گرم در لوله افقي و آب (298.15 درجه كلوين) نيز از سمت پوسته وارد شده است. نقش مربوط به پارامترهاي هندسه مورد استفاده بر ميزان انتقال گرما بررسي و ارائه شده است. مشخصات دما و ميزان انتقال حرارت كلي از ديواره لوله محاسبه و براي روش‌هاي تئوري، تجربي و عددي با استفاده از مدل انتقال حرارت K-ɛ طراحي شده است.يافته‌‌ها: با انجام بررسي ديناميك سيالات محاسباتي محاسبه مقادير مطلوب هر يك از پارامترهاي مورد بررسي، انطباق خوبي بين بررسي ديناميك سيالات محاسباتي و نتايج تجربي حاصل شد. نتايج حاصله از كانتورهاي دما، سرعت و افت فشار نشان مي‌دهد كه افزودن نانوذرات به سيال مي‌تواند به طور موثري نسبت رسانايي حرارتي سيال را افزايش دهد و دماي نانوذرات افزوده شده با نسبت هدايت حرارتي رابطه مستقيم دارد. تغييرات سرعت در پوسته بسيار ناچيز است و در بيشتر مناطق پوسته سرعت طبق محاسبات عددي و با توجه به نوار رنگي راهنما حدود 0.05 متر بر ثانيه مي‌باشد، ولي در نقاط برخورد جريان با بافل‌ها و ورودي و خروجي مقادير متفاوت و بين 0.15 تا 0.2 متر بر ثانيه مي‌باشد. از نتايج عددي، فهميده مي‌شود كه مقادير سرعت در مجاورت ديواره‌ها بسيار كم است، كه به دليل وجود گراديان قوي اصطكاك است. با بررسي كانتورهاي مربوط به دما مي‌توان يافت كه انتقال حرارت در سراسر طول مبدل يكنواخت نيست و كاهش درجه حرارت در جهت جريان قابل مشاهده است.نتنيجه گيري كلي: استفاده از نانوذره آلومينا در سيال پايه به مقدار 4 درصد باعث افزايش 0.9 درجه كلوين دماي ميانگين خروجي در يه سيكل گذر از سيستم شد كه با تكرار اين سيكل افزايش دما بيشتر و بيشتر مي‌شود. با توجه به كانتور افت فشار، افت فشار نانوسيالات به‌‌مراتب بيشتر از سيال پايه بوده و با افزايش غلظت نانو سيال افت فشار نيز افزايش مي‌يابد.