امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه 566 تا 557 صفحات 1396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه DOI: 10.22060/mej.2016.666 حالت در شکل استوانهاي مخزن از گذرنده مستقيم لوله با مارپيچ کويل حرارتي عملکرد مقايسه آزمايشگاهي مطالعه گذرا شاهمردان محمدمحسن بابازادهبايي نسيبه * نظري محسن شاهرود شاهرود صنعتي دانشگاه مکانيک مهندسي دانشکده گذراندهشده لوله در جریان توسط که استوانهایشکل مخزن یک درون سیال گذرای حرارت انتقال مطالعه چکیده: است. گرفته قرار توجه مورد آزمایشگاهی شیوه به 5500 تا رینولدز 500 عدد محدوده در میشود خنک آن از داخل سیال است. گرفته قرار استفاده مورد مستقیم لوله و مارپیچ کویل صورت دو به مخزن از گذراندهشده لوله دمای با مرکزی لوله از گذرنده سیال عنوان به آب توسط که است سانتیگراد درجه 70 اولیه دمای با آب مخزن دمای و مرکزی لوله خروجی و ورودی دمای اندازهگیری از پس میشود. خنک سانتیگراد درجه 27 ورودی ثابت با میشود. اندازهگیری نیز لوله در فشار افت همزمان و محاسبه متناظر رایلی و ناسلت عدد ثانیه هر در مخزن صحتسنجی برای میشوند. داده نمایش اطمینان بازه در آماری روابط بهوسیله بهدستآمده نتایج آزمایش تکرار 42 کاهش نشاندهنده نتایج است. شده استفاده زمینه این در انجامشده تحقیقات دیگر نتایج از بهدستآمده نتایج افت و حرارت انتقال همزمان اثرات هستند. مستقیم لوله با مقایسه در مارپیچ لوله از استفاده با مخزن دمای درصدی است. گرفته قرار توجه مورد نتایج بررسی در مهم پارامترهای از یکی عنوان به نیز فشار داوری: تاریخچه 1393 دی 22 دریافت: 1394 آبان 16 بازنگری: 1394 آذر 15 پذیرش: 1395 تیر 1 آنالین: ارائه کليدي: کلمات جابه جايي حرارت انتقال گذرا جريان مارپيچ لوله مستقيم لوله 1-1 مقدمه است شده موجب فسيلي سوختهاي از استفاده محدوديت امروزه مبدلهاي گيرد. قرار توجه مورد پيش از بيش انرژي مصرف بهينهسازي اب مستقيم طور به که هستند صنعت بخشهاي مهمترين از يکي حرارتي انتقال افزايش روشهاي از استفاده رو اين از دارند. ارتباط انرژي مصرف هک دارند صنعت در کاربردگستردهاي مبدلها مييابد. ويژهاي اهميت حرارت غذايي صنايع تبريد حرارتي بازيابي سيستمهاي به ميتوان آنها جمله از کرد اشاره دارويي صنايع و الکترونيکي قطعات کاري خنک هستهاي صنعت.]1-5[ هندسي شکل تغيير با که هستند مبدلهايي جمله از مارپيچ مبدلهاي گريز نيروي لوله پيچش با مبدلها اين در ميبخشند. بهبود را گرما انتقال ضريب آن نتيجه در که ميشود ثانويه جريان بوجودآورنده عامل مرکز از نتيجه در فشار افت افزايش ديگر طرف از مييابد. افزايش حرارت انتقال است. مبدلها اين از استفاده براي محدودکنندهاي عامل لوله مارپيچشدن را عمودي مارپيچ کويل يک در طبيعي جابهجايي حرارت انتقال ]6[ علي مورد کويل 10 تحقيق اين در داد. قرار بررسي مورد آشفته جريان رژيم در لوله قطر به کويل قطر نسبت و کويل گام تغيير اثرات و گرفت قرار آزمايش شد. گزارش رايلي عدد حسب بر ناسلت عدد رابطه همچنين شد. بررسي مورد مستقيم لوله مبدل با را مارپيچ حرارتي مبدل ]7[ همکاران و پراپنجان mnazari@shahroodut.ac.ir مکاتبات: عهدهدار نویسنده مقاله اين در شد. انجام آشفته رژيم در آزمايشها همه دادند. قرار مقايسه درجه 50 و 40 دماي دو در مارپيچ لوله اطراف دماي گرفتن قرار ثابت با نتايج شد. بررسي مستقيم لوله و مارپيچ لوله حرارت انتقال ضريب سانتيگراد نسبت مارپيچ لوله برابر 1/43 و 1/16 حرارت انتقال ضريب افزايش از حاکي انتقال تجربي و عددي بهطور ]8[ همکاران و نشاط است. مستقيم لوله به در کردند. بررسي مارپيچ کويل اطراف در را ناپايا و طبيعي جابهجايي حرارت نشان آنها شد. بررسي مختلف انحناي نسبت دو با کويل چهار مطالعه اين پارامترهاي و جرمي دبي از تابعي مارپيچ لوله اطراف در ناسلت عدد دادند ]9[ علي ميباشد. زمان و پوسته حجم لوله داخلي قطر طول مانند هندسي بهصورت مارپيچ کويل يک اطراف در را طبيعي جابهجايي حرارت انتقال کويل چرخش دور تعداد تغييرات مقاله اين در کرد. بررسي آزمايشگاهي بررسي مورد مشخصه طول نسبت و کويل قطر به لوله قطر نسبت مارپيچ در طبيعي جابهجايي حرارت انتقال ]10[ همکاران و دونهلي گرفت. قرار تحقيق اين در دادند. قرار مطالعه مورد را مارپيچ کويل يک بيروني سطح زين شد. بررسي کويل متفاوت مشخصه طول براي ناسلت و رايلي عدد رابطه کويل يک بيروني طبيعي جابهجايي حرارت انتقال ضريب ]11[ عباديان و با آزمايش اين در دادند. قرار مطالعه مورد را عمودي و افقي بهصورت مارپيچ شرايط حرارت توليد و کويل ديواره در متناوب الکتريکي جريان يک ايجاد شد. فراهم ثابت شار در زيادي کاربرد مبدلها از نوع اين اگرچه عنوانشده مطالب به توجه با و طبيعي جابهجايي حرارت انتقال بررسي به اندکي مطالعات اما دارند صنعت 557
566 تا 557 صفحه 1396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه حاوي بسته مخزن يک داخل در خصوص )به مارپيچ کويل اطراف در ناپايا اين است. پرداخته مستقيم لوله با آن حرارت انتقال نرخ مقايسه و سيال( را مبدلها نوع اين در فشار افت افزايش و حرارت انتقال بهبود اثر تحقيق کويل عملکرد مقاله اين در است. داده قرار بررسي مورد همزمان بهطور بيروني سطح مساحت مانند يکسان شرايط در مستقيم لوله و عمودي مارپيچ ميگيرد. قرار بررسي مورد مخزن و لوله عمودي طول جنس خنککار لوله از: عبارتند تحقيق اين اهداف در گذرا طبيعي جابجايي حرارت انتقال بر کار خنک لوله هندسه تاثير مخزن لوله و مارپيچ لوله از استفاده اثر در مخزن دماي مقايسه و بررسي مستقيم حرارتي عملکرد در حرارت انتقال و فشار افت همزمان اثر مقايسه مستقيم. لوله و مارپيچ لوله از استفاده با مخزن آزمايشگاهي 2-2 سيستم ناپایای حرارت انتقال آزمایشگاهی بررسی تحقیق این اصلی هدف شده گذرانده مارپیچ لولهی توسط شکل استوانهای مخزن یک درون سیال 10 قطر با آلومينيوم جنس از مورداستفاده مارپيچ لوله است. آن مرکز از سانتيمتر 8 گام و سانتيمتر 5 کويل قطر ميليمتر 1 ضخامت و ميليمتر 20 قطر با مستقيم آلومينيوم لوله يک از همچنين است. شده گرفته نظر در قطر است. شده استفاده نتايج مقايسه براي ميليمتر 1 ضخامت و ميليمتر خارجي سيال با درگير حرارتي سطح که شده گرفته نظر در بهگونهاي لوله آن طول و سانتيمتر 8 مخزن داخلي قطر باشد. برابر مارپيچ لوله با آن نرم تفلون جنس از مخزن بدنه عايقبودن منظور به است. سانتيمتر 24 به شيشه پشم توسط آن اطراف و شده ساخته سانتيمتر 1/5 ضخامت با در شده ساخته مارپيچ لوله تصوير است. شده پوشانده سانتيمتر 3 ضخامت نمايش ب 1- شکل در نيز آزمايشگاهي سيستم شماتيک و الف 1- شکل است. شده داده مخزن به سانتيگراد درجه 70 دماي با آب آزمايش شروع لحظه در شکل 1 ( 1 )قسمت پمپ توسط عامل سيال بالفاصله سپس ميشود. تزريق بازگشت از قبل و مخزن از عبور از پس و آمده در گردش به سيستم در 9 )قسمت حرارتي مبدل سمت به ورودي دماي تثبيت منظور به مجدد لوله و پوسته نوع از مورداستفاده حرارتي مبدل ميشود. هدايت شکل 1 ( )براي مخزن يک در ابتدا در که است شهري آب خنککار سيال ميباشد. طي در ميشود. پمپ حرارتي مبدل به سپس و ميگيرد قرار دما( تثبيت درجه 27 برابر و ثابت خنککار لولهي در سيال ورودي دماي عمل اين کنترل شير توسط جريان نرخ آزمايش هر ابتداي در ميماند. باقي سانتيگراد اندازهگيري ثانيه بر ميليليتر ±0/1 قطعيت عدم با شکل 1 ( 10 )قسمت دبي جريان کنترل ميشود. محاسبه جريان رينولدز عدد و سرعت آن دنبال به و ميشود. انجام شکل 1 ( 3 )قسمت پمپ بازگشت خط شير توسط نيز توسط خنککار لوله از عبوري سيال جريان خروجي و ورودي دماي ميشود. اندازهگيري است شده داده قرار آن انتهاي و ابتدا در که سنسور دو در نيز سنسور کافي تعداد سيال گذاري دماي اندازهگيري منظور به همپنين سنسورهاي است. شده تعبيه مخزن درون مختلف زواياي در و مساوي فواصل جمو شرکت ساخت 100 1 تي پي مقاومتي سنسورهاي نوع از استفاده مورد شدهاند. کاليبره سانتيگراد درجه ±0/1 قطعيت عدم با که ميباشند آلمان مقطع مياني قسمت در دقيقا که شده انجام بهگونهاي نيز سنسورها طراحي دماي اندازهگيري در ممکن خطاي حداقل تا باشند گرفته قرار نظر مورد 4015 2 آدام دستگاه توسط اندازهگيريشده دماهاي آيد. وجود به سيال متوسط ثبت مخزن شدن پر اوليه لحظه از ثانيه 600 مدت به شکل 1 ( 7 )قسمت ميشوند. منتقل رايانه به آدام 4561 پورت به سريال مبدل بهواسطه و دستگاه از استفاده با آزمايش لوله طول در فشار افت اندازهگيري همچنين دقت افزايش منظور به ميشود. انجام شکل 1 ( 6 )قسمت 3051 3 رزمونت بهصورت آزمايشات از حاصل نتايج و انجام مرتبه سه آزمون هر آزمايشها عدم درصد بيشينه است. شده داده نشان شکلها در درصد 95 4 اطمينان بازه اندازهگيري درصد 0/5 و 4 4/5 بهترتيب دما و فشار افت دبي براي قطعيت شده محاسبه درصد 4/5 ناسلت عدد براي قطعيت عدم ماکزيمم است. شده قطعيت عدم تحليل ميباشد. قطعيت عدم پارامترهاي نشانگر 1 جدول است. است. ]12[ مافيت روش پايه بر اندازهگیری وسایل تغییرات بازه و قطعیت لودججدجعدم Table 1. Maximum percentage uncertainty of parameters, variables and instruments قطعیت عدم تغییرات بازه اندازهگیری وسایل دما سنسور درجه 100+ تا 100- سانتیگراد سانتیگراد درجه ±0/1 ثانیه بر میلیلیتر ±1 ثانیه بر میلیلیتر 60 تا 0 سنج دبی دادهها 3-3 تحليل 3-33-3 فرمولبندي میآید. بهدست )1( رابطه از خنککار لوله از عبوری حرارت انتقال نرخ. گرمایی ظرفیت C p خنککار لوله از عبوری جرمی دبی m رابطه این در است. خنککار لوله ورودی و خروجی دمای بهترتیب T i و T o ویژه انتقال در مهمی معیار بهعنوان بیبعد عددی بهعنوان ناسلت عدد عدد محاسبه در گام اولین ]13[ میگیرد قرار توجه مورد جابجایی حرارت 1 PT 100 2 ADAM 3 Rosemount 4 Confidence Interval )(( 558
566 تا 557 صفحه 1396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه )(( )الف( لوله دمای متوسط و مخزن متوسط دمای بهترتیب T t و T r رابطه این در مخزن حرارت انتقال ضریب محاسبه برای باال رابطه در هستند. خنککار در میباشد. h( t ( خنککار لوله در حرارت انتقال ضریب محاسبه به نیاز h( r ( دروید رابطه از مارپیچ خنککار لوله در ناسلت عدد محاسبه برای مقاله این آمده )6( و )5( روابط در بهترتیب که ]15[ سلیمپور رابطه و ]14[ همکاران و است. شده استفاده است ترموفیزیکی خواص جداول از که میباشد پرانتل عدد Pr روابط این در )(( )(( بیبعد گام و دین عدد میآید. بهدست خنککار لوله متوسط دمای در میشوند. تعریف )8( و )7( روابط بهصورت )(( )(( میباشد. مارپیچ لوله گام b کویل قطر d c لوله قطر d معادالت این در )ب( رابطه از که است جابجایی حرارت انتقال ضریب محاسبه مستقیم لوله ناسلت میآید. بهدست )2( متوسط دمای و مخزن متوسط دمای بهترتیب T w و T r رابطه این در ناسلت عدد میتوان )3( رابطه از استفاده با حال میباشد. خنککار لوله دیواره کرد. محاسبه را مستقیم لوله در مارپیچ( کویل از استفاده صورت )در مخزن حرارت انتقال ضریب میشود. محاسبه )4( رابطه بیبعد پارامترهای 2-3- )(( از است برخوردار ویژهای اهمیت از مخزن در جابهجایی حرارت انتقال در که میشود انتخاب قسمت این در معیاری بهعنوان رایلی عدد از رو این است. شده داده نشان )9( رابطه رابطه از که میباشد گراشف عدد Gr و پرانتل عدد Pr رابطه این در است. محاسبه قابل )10( )(1( ترتیب به ν و β و مخزن اولیه دمای T max لوله طول L رابطه این در که متوسط از استفاده با که میباشند سینماتیکی لزجت و حجمی انبساط ثابت میآیند. بهدست ترموفیزیکی خواص جداول از داخلی دیواره و مخزن دمای بیبعد دمای θ r شامل قسمت این در تعریفشده بیبعد پارامترهای میباشد بیبعد زمان t * خنککار سیال در خروجی بیبعد دمای θ o مخزن است. آمده )13( تا )11( روابط در ترتیب به که Fig. 1. a)helical Tube dimensions b) Schematic of the experimental loop آزمايش دستگاه نمايش ب( مارپيچ لوله مشخصات الف( 1: شکل از h t )(( )(( 559
566 تا 557 صفحه 1396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه )(1( )(1( )(1( است. شده داده نشان )14( معادله در بیبعد حرارتی شار همچنین )(1( دمای و مخزن اولیه دمای بهترتیب T i و T max از منظور معادله این در میباشد. ثانیه 600 برابر t و مخزن در سیال جرم M و خنککار لوله ورودی دادهها 4-4 تحليل لوله برابر در مارپیچ لوله حرارتی عملکرد مقایسه مقاله این اصلی هدف داخل سیال بیبعد دمای میباشد. گرم سیال حاوی مخزن از گذرنده مستقیم لوله که حالتی برای مختلف رینولدز اعداد در بیبعد زمان برابر در مخزن الف 2- شکل در ترتیب به است مستقیم لوله و مارپیچ لوله مخزن از گذرنده رینولدز افزایش با است مشخص که همانطور است. شده داده نشان ب 2- و مارپیچ لوله عملکرد مقایسه برای مییابد. بیشتری کاهش مخزن دمای مختلف رینولدز عدد دو در بیبعد زمان از تابعی بهصورت مخزن بیبعد دمای نشان الف 3- شکل در مستقیم لوله و مارپیچ لوله از استفاده حالت برای درون سیال دمای روی بر مارپیچ لوله تاثیر بهتر درک برای است. شده داده همراه به نهایی( لحظه )در رینولدز عدد از تابعی مخزن بیبعد دمای مخزن ب 3- شکل در واقعی مقادیر از آن انحراف میزان و دادهها خطی رگرسیون مارپیچ لوله از استفاده میشود مشاهده که همانطور است. شده داده نشان )ب( Fig. 2. Temperature of the closed reservoir for different Reynolds numbers a) helical tube, b) straight tube رينولدزهاي در بيبعد زمان حسب بر مخزن بيبعد دماي نمايش 2: شکل مستقيم لوله ب(مبدل مارپيچ لوله الف(مبدل مختلف کاهش بیشینه نشاندهنده نتایج میگذارد مخزن دمای روی بسزایی تاثیر رینولدز در خالی لوله مبدل به نسبت مارپیچ لوله مبدل درصدی 42 دمای است. 5197 ورودی دمای که آنجایی از مییابد کاهش مخزن دمای زمان گذشت با اب خنککار لوله خروجی دمای دلیل بههمین است ثابت خنککار لوله افزایش موجب رینولدز عدد افزایش طرفی از مییابد. کاهش زمان گذشت شکل مییابد. کاهش خروجی دمای میزان و میشود سیال جابجاشده حجم لوله و مارپیچ لوله خروجی بیبعد دمای ترتیب به ب 4- شکل و 4 -الف به را مخزن دمای مارپیچ لوله اینکه به توجه با میدهد. نشان را مستقیم نسبت مارپیج لوله خروجی دمای بنابراین میدهد کاهش بیشتری میزان )الف( )الف( 560
566 تا 557 صفحه 1396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه )ب( است. مخزن در حرارت انتقال افزایش نشانگر که است بیشتر خالی لوله به است. انجامشده آزمایشهای درستی بر دلیلی مساله این همچنین یکی بهعنوان مخزن( داخل )سیال مخزن سمت در سیال ناسلت عدد ب 5- شکل و الف 5- شکل میباشد. حرارت انتقال معیارهای مهمترین از به ترتیب به بیبعد زمان از تابعی بهصورت را مخزن درون ناسلت عدد افزایش با اگرچه میدهد. نشان مستقیم لوله و مارپیچ لوله از استفاده ازای دبی که آنجایی از اما میشود کم خنککار سیال خروجی دمای رینولدز بنابراین میشود. بیشتر ناسلت و حرارتی شار نتیجه در مییابد افزایش جرمی ناسلت عدد افزایش باعث رینولدز عدد افزایش کلی حالت در گفت میتوان به خنککار لوله حرارتی شار زمان گذشت با )2( رابطه به توجه با میشود. و دیواره دمای اختالف همچنین میشود. کم خروجی دمای افزایش دلیل بطوریکه مییابد کاهش خنککار لوله ورودی دمای بودن ثابت با ومخزن عدد نتایج میشود. کم زمان گذشت با کسر مخرج و صورت )2( رابطه در شار تغییرات زمان گذشت با مارپیچ لوله مبدل در میدهد نشان ناسلت عکس و است دیواره و مخزن سیال دمای اختالف تغییرات از کمتر حرارتی تغییرات دلیل همین به میافتد. اتفاق مستقیم لوله با مبدل در موضوع این صعودی تابع یک مستقیم لوله مبدل در و نزولی مارپیچ لوله مبدل در ناسلت است. کوچک شیب با Fig. 3. Dimensionless Temperature of the closed reservoir a) in helical tube and straight tube for Reynolds numbers of 1485 and 4455 ; b) in different Reynolds numbers at the last moment مستقيم لوله و مارپيچ لوله مبدل الف( مخزن بيبعد دماي نمايش 3: شکل ب(دررينولدزهاي بيبعد زمانهاي همه براي 4455 و رينولدز 1485 دو در لحظه آخرين در مختلف )ب( Fig. 4. Dimensionless outlet temperature of a) helical tube b) straight tube ب( مارپيچ لوله مبدل الف( خنککار لوله خروجي بيبعد دماي 4: شکل مستقيم لوله مبدل )الف( )الف( 561
566 تا 557 صفحه 1396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه Fig. 6. Rayleigh numbers as a function of dimensionless heat flux )ب( سیال مخزن در حرارت انتقال راه تنها طبیعی جابهجایی که آنجایی از می یابد. ویژهای اهمیت مخزن در رایلی عدد بررسی دلیل بههمین است مارپیچ لوله مبدل برای بیبعد حرارتی شار برحسب را رایلی عدد 6 شکل دمای بین دمای اختالف از تابعی رایلی عدد میدهد. نشان مستقیم لوله و کاهش دیواره دمای زمان گذشت با است. لحظه هر در دیواره و مخزن اولیه در و دیواره و مخزن اولیه دمای اختالف افزایش سبب موضوع این که یافته کاهش دلیل به زمان گذشت با همچنین میشود. رایلی عدد افزایش نتیجه کاهش حرارت انتقال میزان 6( )نمودار لوله خروجی و ورودی دمای اختالف توجه باید میشود. کم حرارت انتقال میزان رایلی افزایش با نتیجه در مییابد عنوان به زمان پارامتر متعدد آزمونهای تعداد با نمودار این در که داشت مقابل در رایلی عدد و است شده حذف نوعی به ناپایا( )مساله مهم پارامتر یک که است گفتنی است. شده ترسیم هستند( زمان تابع دو هر )که حرارتی شار کمک به و اندازهگیریشده پارامترهای تمام کنترل از پس مستقیم لوله در در شده داده )نمایش بعد بدون حرارتی شار از رابطهای غیرخطی رگرسیون شده استخراج خالص آب برای رینولدز عدد و رایلی عدد حسب بر 6( شکل )در درصد 19 خطای حداکثر دارای دادهبرداری محدوده تمام در که است بیان قابل زیر صورت به رابطه میباشد. شده( اندازهگیری دادههای با مقایسه است: دارد. ویژهای اهمیت خنککاری سرعت صنعتی فرایندهای از بسیاری در مبدل به نسبت مارپیچ لوله مبدل در مخزن دمای کاهش درصد 2 جدول در نشانگر نتایج است. شده داده نشان 5197 و 742 رینولدز دو در خالی لوله است. زمان گذشت با خنککاری سرعت افزایش محاسبه برای موجود تئوری روابط از بهدستآمده نتایج از اطمینان برای شده مقایسه تحقیق این دادههای با آن مقادیر و استفاده مخزن ناسلت میتوان را رابطه این است. شده استفاده LMTD رابطه از دلیل این به است. کرد: تعریف زیر بهصورت و مخزن درون سیال آزاد جابجایی حرارت انتقال ضریب h r آن در که محاسبه برای است. مرکزی لوله از عبوری سیال اجباری جابجایی ضریب h t توسط شده انجام آزمایشگاهی تحقیق نتایج از لوله داخلی جابجایی ضریب جریان ناسلت عدد محققین این است. شده استفاده ]16[ همکاران و نظری از پس نمودهاند. گزارش جریان رینولدز عدد حسب بر را ثابت دما لوله یک میتوان )16( رابطه توسط مخزن جابجایی حرارت انتقال ضریب محاسبه بهدستآمده نتایج مقایسه کرد. محاسبه را مخزن درون سیال ناسلت عدد رابطه از بهدستآمده نتایج و مقاله این در انجامشده آزمایشگاهی تحقیق از نتایج است. شده داده نشان 7 شکل در 5197 رینولدز عدد برای LMTD ار ارائهشده روابط نتایج به نسبت درصدی 29 حداکثر خطای بهدستآمده Fig. 5. Nusselt numbers in closed reservoir for a) helical tube b) straight tube )(1( مستقيم لوله مبدل ب( مارپيچ لوله مبدل الف( مخزن ناسلت 5: شکل هر در بيبعد حرارتي شار حسب بر مخزن در رايلي عدد نمايش 6: شکل لحظه خنککاري سرعت سنجش منظور به مخزن دماي کاهش درصد 2: جدول Table 2. Rapid Cooling in different Reynolds numbers )(1( 562
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر دوره 49 شماره 3 سال 1396 صفحه 557 تا 566 نشان میدهد. باید دقت شود که ماهیت مساله حاضر ناپایا است و اختالف مشاهدهشده میتواند در اثر استفاده از نتایج انتقال حرارت جابجایی مرجع ]16[ در رابطه )16( و یا نوسانات غیرقابلتشخیص در شرایط محیطی )مانند دمای اندازه گیریشده( باشد. Fig. 8. Comparing pressure drop in straight and helical tubes شکل 8: مقايسه افت فشار در دو سر لوله خنککار در لوله مارپيچ و لوله مستقيم Fig. 7. Comparing experimental results for the Nusselt numbers in the closed reservoir with Nazari et al.[13] شکل 7: مقايسه ناسلت مخزن از نتايج آزمايشگاهي در مبدل لوله مستقيم و نتايج تجربي نظري و همکاران ]13[ Fig. 9. Effect of heat flux and pressure drop in helical and straight tubs اگرچه نتایج حاکی از افزایش قابلتوجه انتقال حرارت در مبدل لوله مارپیچ نسبت به مبدل لوله مستقیم میباشد اما افت فشار بهعنوان عامل محدودکننده برای استفاده از مبدل لوله مارپیچ باید بررسی شود. شکل 8 نشاندهنده افت فشار در لوله خنککار است. نتایج حاکی از افزایش افت فشار مبدل لوله مارپیچ نسبت به لوله مستقیم میباشد. همچنین این اختالف با افزایش رینولدز جریان افزایش مییابد. بررسی همزمان بهبود حرارتی سیستم )نسبت حرارت کلی مخزن در لوله مارپیچ به لوله خالی( و افزایش افت فشار) نسبت افت فشار در لوله مارپیچ به لوله خالی( بهعنوان معیاری از مصرف انرژی میتواند دید مناسبتری نسبت به استفاده از مبدل مارپیچ ارائه دهد. شکل 9 نشاندهنده هر دو اثر انتقال حرارت و افت فشار در لوله است. انتقال حرارت کلی در مخزن از رابطه )17( تعیین میشود. T max به ترتیب دمای نهایی و اولیه مخزن میباشند. T end و در این رابطه در این شکل نسبت انتقال حرارت کلی در مخزن لوله مارپیچ به انتقال حرارت مبدل لوله مستقیم و نسبت افت فشار مبدل لوله مارپیچ به مبدل لوله مستقیم برحسب عدد رینولدز بررسی شده است. با مقایسه نسبت بهبود انتقال حرارت و نسبت افت فشار نتیجه میگیریم که برای رینولدزهای کمتر از 3000 استفاده از مبدل لوله مارپیچ انتخاب بهتری میباشد. شکل 9: نمايش تاثير همزمان نسبت کل حرارت منتقل شده به مخزن و نسبت افت فشار لوله مارپيچ به لوله مستقيم 5-5 نتیجهگیری يکي از مسائل مهم مورد توجه محققان بهبود سيستمهاي انتقال حرارت و يافتن راهکارهاي جديد در راستاي ارتقاي عملکرد حرارتي آنهاست. اين روشهاي جديد بخصوص در صنايعي مانند پتروشيمي لبني و سيستمهاي خورشيدي که داراي ماهيت ناپايا هستند در حال تحقيق و توسعه هستند. در اين مقاله استفاده از کويل مارپيچ بعنوان لوله خنککار در يک مخزن استوانهاي حاوي سيال که انتقال حرارت در آن بهصورت ناپايا انجام ميشود مورد بررسي قرار گرفته و نتايج آن با حالتي که از لوله مستقيم براي )(1( 563
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر دوره 49 شماره 3 سال 1396 صفحه 557 تا 566 خنککاري استفاده ميشود مقايسه شده است. بهمنظور مقايسه بهتر سطح حرارتي لوله مارپيچ بهگونهاي طراحي شده تا با سطح حرارتي لوله مستقيم برابر باشد. تاثير استفاده از لوله مارپيچ بر روي انتقال حرارت و از طرفي افت فشار در ازاي لوله مستقيم مدنظر قرار گرفته است. با تکرار آزمايشها نتايج بهدستآمده به همراه بازه اطمينان ارائه شده و براي اعتبارسنجي نتايج لوله خالي با روابط تئوري متداول در ادبيات مساله مقايسه شدهاند. نتايج بهبود قابلمالحظه انتقال حرارت در ازاي استفاده از لوله مارپيچ بهجاي لوله مستقيم را نشان ميدهد. تا جايي که کاهش حداکثر 42 درصدي دماي مخزن مبدل لوله مارپيچ با رينولدز 5197 و گام 8 سانتيمتر طول عمودي 24 سانتيمتر و قطر لوله و قطر کويل 1 و 5 سانتيمتر نسبت به لوله مستقيم مشاهده شده است. همچنين سرعت خنککاري مبدل لوله مارپيچ نسبت به لوله خالي در زمان بيبعد مختلف در اين تحقيق مورد بررسي قرار گرفته شده است. پژوهش حاضر از جمله معدود مقاالت درخصوص بررسي تجربي اين گونه مبدلها در حالت گذرا و همچنين استفاده لوله مارپيچ بهعنوان لوله خنککار است که نوآوري اين کار پژوهشي به حساب ميآيد. فهرست عالئم منابع [1] L. Janssen, C. Hoogendoorn, Laminar convective heat transfer in helical coiled tubes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 21(9) (1978) 1197-1206. [2] F. Kozo, A. Yoshiyuki, Laminar heat transfer in a helically coiled tube, International Journal of Heat and Mass Transfer, 31(2) (1988) 387-396. [3] M. Abdalla, A four-region, moving-boundary model of a once-through, helical-coil steam generator, Annals of Nuclear Energy, 21(9) (1994) 541-562. [4] M. Nazari, M. Karami, M. Ashouri, Comparing the thermal performance of water, Ethylene Glycol, Alumina and CNT nanofluids in CPU cooling: Experimental study, Experimental Thermal and Fluid Science, 57 (2014) 371-377. [5] J. Jayakumar, S. Mahajani, J. Mandal, P. Vijayan, R. Bhoi, Experimental and CFD estimation of heat transfer in helically coiled heat exchangers, Chemical engineering research and design, 86(3) (2008) 221-232. [6] M.E. Ali, Experimental investigation of natural convection from vertical helical coiled tubes, International journal of heat and mass transfer, 37(4) (1994) 665-671. [7] D. Prabhanjan, G. Raghavan, T. Rennie, Comparison of heat transfer rates between a straight tube heat exchanger and a helically coiled heat exchanger, International )m 2 مساحت سطح) A B C P D D De Gr H L. m M Nu Pr. q Q Ra Re T U گام بیبعد ظرفیت گرمایی ویژه حرارتی )kj/kgk( قطرلوله خنککار) m ( قطرمخزن) m ( عدد بیبعد دین عدد گراشف ضریب انتقال حرارت جابهجایی) W/mK ( طول عمودی مخزن) m ( نرخ جرمی جریان) kg/s ( جرم سیال داخل مخزن) Kg ( عدد ناسلت عدد پرانتل شار حرارتی) W/s ( حرارت کلی )W( عدد رایلی عدد رینولدز دما) K ( سرعت) m/s ( عالیم یونانی B Γ ΔP ثابت ضریب انبساط حجمی (K/1) گام بیبعد افت فشار) mbar ( چگالی) -3 )kgm )m 2 s -1 لزجت سینماتیکی) v ρ زیرنویسها c End I Max O R S T W کویل مارپیچ آخرین لحظه ورودی بیشترین مقدار خروجی مخزن لوله مستقیم لوله دیواره 564
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر دوره 49 شماره 3 سال 1396 صفحه 557 تا 566 results, Experimental thermal and fluid science, 1(1) (1988) 3-17. [13] M. Nazari, M. Ashouri, m.h. Kayhani, Experimental Investigation of Forced Convection of Nanofluids in a Horizontal Tube Filled with Porous medium, Modares Mechanical Engineering, 14(7) (2014) 109-116. [14] A.N. Dravid, K. Smith, E. Merrill, P. Brian, Effect of secondary fluid motion on laminar flow heat transfer in helically coiled tubes, AIChE Journal, 17(5) (1971) 1114-1122. [15] M. Salimpour, Heat transfer coefficients of shell and coiled tube heat exchangers, Experimental thermal and fluid science, 33(2) (2009) 203-207. [16] M. Nazari, M. Ashouri, M.H. Kayhani, A. Tamayol, Experimental study of convective heat transfer of a nanofluid through a pipe filled with metal foam, International Journal of Thermal Sciences, 88(0) (2015) 33-39. Communications in Heat and Mass Transfer, 29(2) (2002) 185-191. [8] E. Neshat, S. Hossainpour, F. Bahiraee, Experimental and numerical study on unsteady natural convection heat transfer in helically coiled tube heat exchangers, Heat and Mass Transfer, 50(6) (2014) 877-885. [9] M.E. Ali, Free convection heat transfer from the outer surface of vertically oriented helical coils in glycerolwater solution, Heat and mass transfer, 40(8) (2004) 615-620. [10] D.G. Prabhanjan, T.J. Rennie, G. Vijaya Raghavan, Natural convection heat transfer from helical coiled tubes, International Journal of Thermal Sciences, 43(4) (2004) 359-365. [11] R. Xin, M. Ebadian, Natural convection heat transfer from helicoidal pipes, Journal of thermophysics and heat transfer, 10(2) (1996) 297-302. [12] R.J. Moffat, Describing the uncertainties in experimental براى ارجاع به این مقاله از عبارت زیر استفاده کنید: Please cite this article using: M. Nazari, N. Babazadeh Baie, M.M. Shahmardan, Comparison Between Thermal Performance of Coiled Tube and Straight Tube Inserted in a Cylindrical Reservoir in the Transient Convection Heat Transfer; Experimental Study Amirkabir J. Mech. Eng., 49(3) (2017) 557-566. DOI: 10.22060/mej.2016.666 565