مقدمه
انتقال حرارت و بهرهوری سیستمهای مهندسی شیمی نقش حیاتی در بهبود عملکرد و کاهش هزینههای عملیاتی صنایع دارد. با افزایش تقاضا برای کاهش مصرف انرژی و بهینهسازی فرآیندهای صنعتی، توسعه تکنیکهای نوآورانه برای بهبود انتقال حرارت به یک ضرورت تبدیل شده است. یکی از این تکنیکها، استفاده از روشهای فعال و غیرفعال برای ارتقای نرخ انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی است.
در میان روشهای موجود، استفاده از نوارهای پیچشی به عنوان یک روش غیرفعال، توانسته توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کند. این نوارها با ایجاد جریانهای گردابی در سیال، منجر به افزایش اختلاط و کاهش لایه مرزی حرارتی میشوند. در نتیجه، انتقال حرارت بهبود مییابد. با این حال، این تکنیک به دلیل افزایش افت فشار، نیازمند تحلیلهای دقیق و ارزیابی اقتصادی است.
هدف اصلی این پروژه، بررسی اثرات درج نوار پیچشی در لولهها بر انتقال حرارت و مشخصات جریان سیال با استفاده از روشهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است. این پژوهش با شبیهسازی جریان سیال و انتقال حرارت در حضور نوار پیچشی، تأثیر این تکنیک را بر روی پارامترهای کلیدی مانند عدد ناسلت و افت فشار بررسی میکند.
اهداف تحقیق
- بررسی تاثیر درج نوار پیچشی بر عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت: عدد ناسلت به عنوان شاخص اصلی عملکرد حرارتی سیستم، تحت تأثیر جریانهای گردابی ایجاد شده توسط نوار پیچشی تحلیل میشود.
- تحلیل تغییرات افت فشار در حضور نوار پیچشی: افزایش افت فشار ناشی از مقاومت اضافی جریان بررسی و میزان تأثیر آن بر کارایی کلی سیستم ارزیابی میشود.
- ارزیابی رفتار جریان سیال در رژیمهای مختلف با عدد رینولدز متنوع: بررسی رفتار جریان در شرایط مختلف از آرام تا آشفته، برای تحلیل جامعتر اثرات نوار پیچشی انجام میشود.
- بررسی اثرات طراحی هندسی نوار پیچشی بر بهبود انتقال حرارت: تأثیر نسبت پیچش، زاویه پیچش و پارامترهای دیگر هندسی بر عملکرد حرارتی و هیدرولیکی سیستم بررسی خواهد شد.
روش شبیهسازی
-
نرمافزار و مدلسازی
برای انجام شبیهسازی این پروژه، از نرمافزار قدرتمند COMSOL Multiphysics استفاده شده است. این نرمافزار به دلیل امکانات گسترده در تحلیل چندفیزیکی و انعطافپذیری در تعریف شرایط مرزی و هندسههای پیچیده انتخاب شد. مدلسازی شامل طراحی سهبعدی یک لوله با قطر داخلی 0.0266 متر و طول 0.32 متر است. درون این لوله، یک نوار پیچشی با نسبت پیچش 3.46 قرار داده شده است. این نوار پیچشی به صورت مارپیچ طراحی شده که زاویه پیچش آن 30 درجه است. طراحی هندسه به گونهای انجام شد که جریان سیال در حضور نوار پیچشی بهینه شود و انتقال حرارت تقویت گردد.
-
شرایط مرزی
برای تحلیل دقیق، شرایط مرزی زیر در مدل اعمال شده است:
- ورودی: جریان سیال با دمای 300 کلوین و سرعت ورودی متناسب با عدد رینولدز محاسبه شد. این مقدار برای تحلیل رفتار جریان در رژیمهای مختلف (آرام و آشفته) انتخاب شده است.
- خروجی: فشار ثابت برابر صفر برای خروج سیال از لوله در نظر گرفته شده است.
- دیوارهها: شار حرارتی ثابت 8000 وات بر متر مربع بر روی دیوارههای لوله اعمال شده تا انتقال حرارت مؤثر از دیواره به جریان سیال بررسی شود.
-
پارامترهای شبیهسازی
پارامترهای استفاده شده در این پروژه به دقت تنظیم شدهاند تا شرایط واقعی جریان و انتقال حرارت بازتاب داده شود. جزئیات این پارامترها در جدول زیر آمده است:
-
مشبندی
مشبندی مناسب یکی از عوامل کلیدی برای دقت بالای شبیهسازی است. در این پروژه، مشبندی به صورت تفکیک شده در بخشهای مختلف هندسه لوله انجام شده است:
- دیوارهها: مشبندی مربعی با استفاده از روش Mapped که تعداد زیادی از المانهای کوچک را برای دقت بالاتر فراهم میکند.
- ورودی و خروجی: از مشبندی مثلثی استفاده شده است تا تغییرات جریان در این نواحی به خوبی مدلسازی شود.
- نوار پیچشی: به دلیل پیچیدگی هندسی، مشبندی با المانهای بزرگتر اما با جزئیات کافی انجام شد.
مشبندی بهینه با حداکثر اندازه 2.17 میلیمتر انتخاب شد که تعادلی بین دقت محاسبات و زمان اجرا ایجاد کند.
-
معادلات حاکم
برای مدلسازی جریان و انتقال حرارت، از معادلات اساسی زیر استفاده شده است:
- ناویر-استوکس: برای تحلیل رفتار جریان سیال.
- معادله انتقال حرارت: برای بررسی تغییرات دمای سیال و دیواره.
- مدل آشفتگی : برای شبیهسازی جریانهای آشفته.
این معادلات به صورت عددی و با استفاده از روش حجم محدود حل شدند.
نتایج و تحلیل
- استقلال از مش
یکی از مراحل اساسی در شبیهسازی، بررسی استقلال نتایج از مشبندی است. در این پروژه، تغییرات متوسط دمای درون لوله در سایزهای مختلف مش بررسی شد. دادههای بهدستآمده نشان داد که برای سایز مش 2.17 میلیمتر، اختلاف دما به حداقل مقدار خود رسید، بهطوریکه درصد اختلاف کمتر از 1% بود. این سایز مش تعادلی میان دقت محاسبات و زمان شبیهسازی ایجاد کرده و بهعنوان بهترین گزینه انتخاب شد.
- ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت
بررسی اثر نوار پیچشی بر ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت نشان داد که درج نوار پیچشی باعث افزایش چشمگیر این پارامترها شده است. این بهبود ناشی از ایجاد جریانهای گردابی و تقویت اختلاط سیال است که منجر به افزایش نرخ انتقال حرارت در لوله میشود. بهطور خاص، افزایش عدد رینولدز بهطور مستقیم باعث افزایش عدد ناسلت شد. دادههای زیر این روند را نشان میدهند:
این نتایج نشان میدهد که در عدد رینولدز 2300، نوار پیچشی توانسته عدد ناسلت را تقریباً دو برابر حالت لوله ساده افزایش دهد.
-
افت فشار
افزودن نوار پیچشی به لوله باعث افزایش افت فشار شد. این افزایش به دلیل ایجاد مقاومت بیشتر در برابر جریان سیال بهواسطه ساختار مارپیچی نوار است. درحالیکه این افت فشار ممکن است مصرف انرژی را افزایش دهد، اما در بسیاری از کاربردهای صنعتی، بهبود انتقال حرارت ایجادشده میتواند هزینههای کلی سیستم را توجیه کند.
-
پروفیل دما
تحلیل پروفیل دما نشان داد که در حضور نوار پیچشی، توزیع دما در طول لوله یکنواختتر بوده و اختلاف دمای دیواره نسبت به حالت لوله ساده کاهش یافته است. این نتایج حاکی از افزایش کارایی انتقال حرارت در حضور نوار پیچشی است. همچنین، به دلیل اختلاط بهتر سیال، دمای خروجی در حالت نوار پیچشی نسبت به لوله ساده بیشتر است، که نشاندهنده جذب حرارت بالاتر سیال میباشد.
جمعبندی
در این پروژه، تاثیر نوار پیچشی بر بهبود انتقال حرارت و مشخصات جریان سیال در لوله بررسی شد. نتایج نشان داد که:
- استفاده از نوار پیچشی به طور قابل توجهی عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت را افزایش میدهد. این موضوع به دلیل تقویت اختلاط سیال و ایجاد جریانهای گردابی در لوله است که موجب بهبود انتقال حرارت میشود.
- افزایش افت فشار در لولههای دارای نوار پیچشی، نشاندهنده افزایش مقاومت جریان سیال است. این امر اگرچه ممکن است مصرف انرژی سیستم را افزایش دهد، اما در بسیاری از موارد به دلیل بهبود کلی در انتقال حرارت و بهرهوری سیستم، اقتصادی و توجیهپذیر است.
- پروفیل دمای یکنواختتر و جذب حرارت بیشتر سیال در حالت نوار پیچشی نشاندهنده عملکرد بهتر این طراحی است. این ویژگی میتواند در کاربردهای صنعتی که به کنترل دقیق دما و افزایش کارایی نیاز دارند، بسیار مفید باشد.
منابع
- Tusar, Mehedi, et al. “CFD study of heat transfer enhancement and fluid flow characteristics of laminar flow through tube with helical screw tape insert.” Energy Procedia 160 (2019): 699-706.
- Eiamsa-ard, Smith, and Pongjet Promvonge. “Enhancement of heat transfer in a tube with regularly-spaced helical tape swirl generators.” Solar energy 78.4 (2005): 483-494.
شبیهسازی CFD برای بهبود انتقال حرارت و جریان سیال در لوله با درج نوار پیچشی
هدف این پروژه، بررسی اثرات درج نوار پیچشی در لولهها بر انتقال حرارت و مشخصات جریان سیال با استفاده از روشهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است. این پژوهش با شبیهسازی جریان سیال و انتقال حرارت در حضور نوار پیچشی، تأثیر این تکنیک را بر روی پارامترهای کلیدی مانند عدد ناسلت و افت فشار بررسی میکند.