دانلود مقاله مطالعه آموزشی خصوصیات انتقال گرما و ضریب اصطکاک در یک لوله مدور مجهز به نوار مارپیچی

خلاصه

– این مقاله ، داده های انتقال گرما و ضریب اصطکاک را برای جریان تک فاز دریک مبدل حرارتی دو لوله ای هم محور مجهز به دریچه نواری مارپیچی ، ارائه میدهد .

درمبدل حرارتی دولوله ای هم محور ، هوای داغ از میان لوله درونی عبور می کرد درحالیکه آب سرد از میان حلقه ها ، جریان می یافت .

تاثیر دریچه مارپیچی ، برمیزان انتقال گرما و ضریب اصطکاک برای جریان مخالف مطالعه شد و اعداد Nusselt و ضریب اصطکاک بدست آمده با داده های قبلی برای جریان های محوری درلوله مسطح ، مقایسه شد .جریان موردنظر درگستره اعداد دنیولدز بین 2300 و 8800 می باشد .

ماکزیمم درصد بهره 165% درمیزان انتقال گرما برای کاربرد دریچه مارپیچی درمقایسه با لوله مسطح بدست می آید .

واژه های کلیدی – افزایش انتقال گرما – ابزار جریان چرخشی – دریچه نواری مارپیچی

1.

مقدمه

دردهه گذشته ، تکنولوژی انتقال گرما گسترش یافته است وبه طور وسیعی برای کاربردهای مبدل حرارتی ، اعمال میشود ، برای مثال ، سردسازی ، صنعت اتومبیل ، آبگرمکن خورشیدی وغیره ، هدف انتقال گرمای فرآینده ، جادادن شاره های گرمایی بالا می باشد ( یا ضریب انتقال گرما ) .

تابه حال ، کوشش زیادی برای کاهش اندازه و هزینه مبدل حرارتی و مصرف انرژی انجام شده است .

مهمترین متغیر درکاهش اندازه و هزینه مبدل حرارتی که به طور کلی منجر به کاهش هزینه سرمایه و مزایای دیگر میشود ،کاهش نیروی محرکه دما است که کارآمدی قانون دوم را افزایش می دهد و تولید آنتروپی را کاهش می دهد .

بدین ترتیب ، توجه بسیاری از محققان را چاپ می کند .

اقدام بزرگ درمورد استفاده از روشهای مختلف ، افزایش دادن میزان انتقال گرما از طریق همرفت نیروی موردنیاز می باشد .

درضمن ، مشخص می شودکه این روش میتواند اندازه مبدل حرارتی را کاهش دهد و در انرژی صرفه جویی کند .

به طور کلی ، افزایش انتقال گرما رامیتوان به دوگروه تقسیم کرد : یکی روش غیر فعال است که روشی بدون تحریک شدن توسط توان خارجی می باشد از قبیل روکش کردن سطح ، ناهموارکردن سطوح ، کشیدن سطوح ، وسایل جریان چرخشی ، لوله حلقوی ( پیچیده ) مواد افزودنی برای مایع و گازها .

روش دیگر روش فعا است .

این روش ، منابع اضافی توان خارجی نیاز دارد.

برای مثال ، کمک های مکانیکی ، ارتعاش سیال سطح ، تزریق ومکش سیال ، اصابت جت، و میدان های الکتروستاتیک .

وسایل جریان چرخشی رامیتوان به دونوع طبقه بندی کرد :اولی جریان چرخش پیوسته ودیگری جریان چرخشی تنزلی .

برای جریان چرخشی پیوسته ، حرکت چرخشی در تمام طول لوله ، ایجاد می شود .

برای مثال دریچه های نواری پیچیده شده ، سیم پیچ های جاسازی شده درامتداد کل لوله و شیارهای مارپیچی که درسطح داخلی لوله درصورتی که درجریان هر چرخش تنزلی ، چرخش درمدخل ورودی لوله ایجاد می شود ودرامتداد مسیرجریان تنزل می یابد ، برای مثال ، مولد چرخشی تیغه راهنمای شعاعی و ابزار تزریق جریان مماسی .

برای جریان چرخشی تنزلی ضریب انتقال گرما وافت فشار، بافاصله محوری کاهش می یابد .

درحالی که برای جریان چرخشی پیوسته ، ضریب انتقال گرما و افت فشار ثابت باقی می ماند .

دراین گزارش ها ، آزمایشات برای مطالعه تاثیر جریان چرخشی یا جریان دورانی بربهبود عملکرد مبدل حرارتی دولوله ایی تنظیم شد که مجهز به یک نوار مارپیچی بود که درتمام طول لوله داخی قرار داشت که به عنوان ژنراتورهای چرخشی / گرمایی یا افزایش دهنده آشفتگی برای تحریک کردن سیال فرض می شود که در شکل 1 نشان داده شده است .

2.

محاسبه انتقال گرما و ضریب اصطکاک

برای جریان سیال در یک مبدل حرارتی لوله هم محور، سرعت انتقال گرمای سیال ( هوای ) گرم برای لوله داخلی را میتوان به صورت زیر بیان کرد :

و بایستی درعمق از سطح بیرونی اندازه گیری شود .

دمای میانگین دیواره از 15 نقطه که بین ورودی و خروجی لوله داخلی قرار دارند محاسبه می شود .ضریب میانگین گرما و عددمیانه Nusselt به صورت زیر برآورد می شوند : عدد رینولدز با معادله زیرمعین می شود : ضریب اصطکاک را میتوان به صورت زیر نوشت شکل 1-لوله داخلی مجهز به نوار مارپیچ تمام قد شکل 2- یک مبدل حرارتی با دو لوله ای مجهز به یک مارپیچ شکل 3- نمودار طرح کلی دستگاه آزمایش : 1- دمنده10 hp 2- یک گرمکن الکتریکی با ترموستات 3- شیر ساچمه ای 4- شیر کروی 5- طول سنج برای هوای گرم 6- پمپ آب ½ hp 7- چیلر (دستگاه مولد آب سرد) 8- فشار سنج نعلی شکل (u شکل ) 9- شیر فلکه ساچمه ای 10- شیر کروی 11- طول سنج برای هوای سرد 12- ثبت کننده داده ها 13- کامپیوتر pc 14- یک مبدل حرارتی دو لوله ای 3.روش ودستگاه آزمایشگاهی تنظیم ترتیب جزئیات آزمایش و سیستم آزمایشی مبدل حرارتی لوله هم محور، درشکل 2 و 3 نمایش داده می شود .

مبدل حرارتی دولوله ای از دولوله به هم محور تشکیل می شد ، لوله داخلی برای جریان هوای داغ و لوله بیرونی برای جریان آب ، شعاع لوله های بیرونی وداخلی به ترتیب 19 و 40mm بود .

طول لوله ها و ضخامت آنها 1mm بود .

لوله های مسی و فولادی به ترتیب برای لوله های داخلی و بیرونی استفاده شد .

سطح لوله بیرونی با عایق پیچیده شده تا اتلاف گرما حداقل شود .

دریچه نواری مارپیچی که دراین آزمایش استفاده شده درشکل 2 نشان داده می شود .

دراین آزمایشات ، شرایط هندسی دریچه حلزونی ثابت نگه داشته شد .

دریچه حلزونی از فولاد ضدزنگ ساخته شد و ابعاد مهندسی آن به ترتیب و و می باشد .

هوای داغ از یک دمنده از طریق لوله داخلی هدایت شد ، درحالی که هوای سرد از میان فضای بین حلقه های متحد المرکز ، پمپاژ شد .

فلومترهای ( جریان سنج ) هوا و مایع برای اندازه گیری سرعت های جریان هوا و مایع استفاده شد .

سرعت جریان حجمی هوای گرم و آب سرد توسط شیرهای سوپاپی که قبل از دریچه های ورودی قرار داشت ، کنترل شد .

هوای ورودی با یک گرمکن الکتریکی قابل تنظیم ، گرم شد .

هردو دمای ورودی و خروجی هوای گرم و آب سرد توسط ترموکوپل کنستانتان – آهن چند کانالی اندازه گیری شد (نوع K ) .

برای پیداکردن میانگین عدد Nusselt اندازه گیری دما در 15 محل همگی درسطح بیرونی لوله داخلی ، ضروری میباشد .

هر 15 ردیاب اندازه گیری دما به دستگاه های ثبت کننده داده متصل شدند .

ورودی و خروجی لوله ها بیرونی و درونی مجهز به انشعاب های فشارسنجی برای اندازه گیری افت فشار ، با اتصال به فشار سنج لوله ای U بود.

برای انجام هر آزمون ، ثبت داده های دما ، سرعت جریان حجمی و افت فشار هوای گرم و آب سرد درحالت پایدار ضروری بود .درطی آزمایش ، دمای هوای ورودی در و هوای سرد در نگه داشته شد.

عدد رینولدز هوای گرم شده از 2300 تا 8800 بود .

خصوصیات مختلف جریان و عدد Nusselt واعداد رنیولدز برمبنای دمای دیواره سطح بود.

4.

نتایج و بحث این نتایج ، سرعت انتقال گرما و ضریب اصطکاک درمبدل حرارتی لوله هم محور مجهز به ژنراتور چرخشی یا دریچه مارپیچی رانشان داد همچنانکه درشکل های 4 و 5 نمایش داده می شود .

آزمایشات دریک سیستم جریان مخالف انجام شد.

سرعت های انتقال گرمای آزمایشگاهی برای هوای گرم که دراین مطالعه بدست آمده در شکل 4 نشان داده می شوند.

میتوان مشاهده کرد که دریچه نواری حلزونی، مقادیر بالاتر سرعت اتقال گرما را نسبت به لوله مسطح می دهد .

درمورد جریان چرخشی یا دریچه نواری مارپیچی ، میانگین های اعداد Nusselt حدود 15%درمقایسه بالوله مسطح ، افزایش یافت .

مشخص می شود که یک دریچه مارپیچی که جریان چرخشی یا جریان هوای ثانویه و گرادیان فشار را ایجاد می کند ، درامتداد جهت شعاعی ساخته می شود .

لایه مرزی درامتداد دیواره لوله با افزایش چرخش شعاعی و فشار ، نازک تر می شود .

بنابراین گرما می تواند به آسانی از طریق جریان منتقل شود .

به علاوه ، حرکت چرخشی موجب می شود که جریان آشفته شود که منجر به انتقال گرمای همرفتی بهتری می شود .

از این شکل می توان مشاهده کرد که به علت حرکت چرخشی ضعیف و سرعت جریان پایین ، اثر دریچه ها مارپیچی در اعداد رینولدز پائین ، کاهش می یابد ، بدین ترتیب ، افزایش عدد رینولدز در عدد رینولدز کوچکتر ، پایین بود ، درحالی که در اداد رینولدز بالاتر ، بزرگ تر می شود .

از نتایج آزمایشگاهی مشخص شد که لوله درونی مجهز به مارپیچ ، بالاترین انتقال گرما در حدود 165% درمقایسه با لوله مسطح دارد .

ضریب اصطکاک در لوله داخلی به عنوان تابعی از عدد رینولدز نشان داده شده که ضریب اصطکاک جریان محوری ( لوله مسطح ) نیز برای ماقیسه رسم شده است .

میتوان مشاهده کرد که ضریب اصطکاک برای هردو جریان مسطح و دریچه مارپیچی مشابه بودو ضریب اصطکاک دریچه مارپیچی بالاتر از لوله مسطح بود ، به علت جریان چرخشی یا جریان ثانویه و پراکندگی فشار دینامیکی سیال در اتلاف بالای ویسکوزیته نزدیک دیواره لوله .

به علاوه با واکنش متقابل نیروهای فشار با نیروهای ....

درلایه مرزی ، احتمال زیادی دارد که اتلاف فشار ، اتفاق بیفتد .

بنابراین ، ضریب اصطکاک درلوله داخلی ، اساسا با افزایش عدد رینولدز افزایش یافت ، مشاهده شد که دریچه مارپیچی جریان چرخشی درون لوله ایجاد کرد و منجر به ضریب اصطکاک زیاد بالای لوله مسطح شد .

5.

نتایج تجسم جریان آزمایشات تجسم جریان به منظور درک خصوصیات جریان لوله داخلی مجهز به نوار مارپیچی انجام می شود .

در این آزمایشات ، مارپیچ درون لوله مدور آکریلیک با قطر 19mm جاسازی شد که طول و شعاع آن با طول و شعاع لوله داخلی مبدل حرارتی لوله هم محور برابر می باشد .

به ویژه ، وقتی از خطوط مسیری که توسط حرکت ذرات کوچک معلق درسیال ، ایجاد می شود ، عکس میگیریم ، حتی می توانیم بعضی کمیت ها مانند سرعت و شتاب را برآورد کنیم ، یک مقدار توان آلومینیوم با ذرات با طول که به عنوان ردیاب استفاده می شوند به طور یکنواخت درآب لوله معلق می شود .

فاصله زمانی عکس برداری با این دوربین ، در زمان نوردهی معمولی ما که 0/4s می باشد ، بین 3/1 تا 600S بود .

مطالعات بالا نشان داده است که کاربرد آب به عنوان سیال در حال عمل در یک مبدل حرارتی لوله هم محور الگو ، دومزیت ابتدایی را مطرح می کند .

ابتدا، باکاربرد آب ، میتوان به مقدار زیادی ، سرعت های موجود در آزمایش را کاهش داد .

دوم ذرات ردیابی شده و به آسانی عکس برداری شده بسیاری وجود دارد که دانسیته بسیار نزدیک به دانسیته آب دارند .

شکل 6- جریان چرخشی در لوله مدور مجهز به مارپیچ الگوهای جریان از میان مارپیچ در لوله ، به صورت شکل 6 مشاهده شده خصوصیات جریان در عدد رینولدز 4000 عکس برداری شد .

از این عکس ، جریان چرخشی پیرامون مارپیچ و در امتداد کل طول لوله را می توان مشاهده کرد .

این اثر به سرعت چرخش سیال مربوط می شود و موجب تفکیک شدن لایه مرزی درزمان کوتاهی می شود ، در نتیجه انتقال گرما ، آسانتر منتقل می شود .

6.

نتایج یک مطالعه آزمایشی بر روی دریچه حلزونی در یک لوله مدور با استفاده از هوای گرم به عنوان سیال آزمایشی ، انجام شد ، تاثیر دریچه نوار مارپیچی بر روی انتقال گرما و خصوصیات ضریب اصطکاک نشان داده شده نتیجه نشان میدهد که افزایش ها در انتقال گرما و ضریب اصطکاک به شدت تحت تاثیر حرکت چرخشی است که توسط مارپیچ القا می شود .

هرچه عدد رینولدز افزایش می یاید ، جریان چرخشی قویتر می شود که به نوبه خود منجر به افزایش انتقال گرما و ضریب اصطکاک می شود درحالی که در عدد رینولدز پایین کاهش می یابد .