توصيفگر ها :
محيط متخلخل , جريان آشفته , مدل تعادل گرمايي موضعي , انتقال حرارت , افت فشار , معيار ارزيابي عملكرد
چكيده فارسي :
با توجه به افزايش جهاني قيمت انرژي، استفادهي بهينه از انرژي موجود الزامي انكارناپذير براي رقابت در دنياي امروز ميباشد. يكي از تجهيزات كليدي به منظور صرفهجويي در مصرف انرژي، مبدلهاي حرارتي با راندمان بالا ميباشد. راهكارهاي متفاوتي براي افزايش انتقال حرارت در مبدلهاي حرارتي وجود دارد. استفاده از مواد متخلخل يكي از روشهاي غيرفعالي است كه در دهههاي اخير در فرآيندهاي انتقال حرارت مورد توجه ويژه قرار گرفته است. محيط متخلخل به دليل افزايش سطح تماس با سيال و داشتن ضريب هدايت حرارتي بالاتر نسبت به سيال، انتقال حرارت را به طور قابل توجهي افزايش ميدهد، اما باعث افزايش افت فشار نيز خواهد شد. در پژوهش عددي حاضر، ماده متخلخل درون دامنهي مبدلهاي لوله سينوسي با ابعاد مختلف قرار گرفته و در اين حالت جريان سيال و انتقال حرارت مورد بررسي قرار گرفته است. در پژوهش حاضر معادلات جريان تراكمناپذير و پايا در رژيم جريان آشفته با استفاده از روش حجم محدود گسسته شده و با الگوريتم coupled در نرمافزار فلوئنت حل شدهاند. از مدل توربولانسي k-ω SST براي شبيه سازي جريان آشفته بهره گرفته شده است. همچنين از مدل تعادل گرمايي موضعي براي معادلهي انرژي و از مدل دارسي- برينكمن-فورشيمر براي معادله مومنتوم در محيط متخلخل استفاده شده است. ماده متخلخل همگن و ايزوتروپيك بوده و ضريب تخلخل آن ثابت و برابر 0/95 درنظر گرفته شده است. در اين مطالعه سيال عامل هوا بوده و شرط مرزي دماي ثابت 373 كلوين روي ديواره لوله و دماي 300 كلوين در ورودي لوله برقرار ميباشد. در اين بررسي ضريب انتقالحرارت جابهجايي، عدد ناسلت، ضريب اصطكاك و معيار ارزيابي عملكرد براي سه پارامتر هندسي(L*) برابر با 11، 19 و 25 محاسبه شدهاند (L*)نسبت طول موج به نصف دامنه سينوسي بوده و ميزان موجدار بودن لوله را مشخص ميكند. در اين پژوهش تاثير دو پارامتر عدد دارسي و ضخامت ماده متخلخل بر روي انتقال حرارت و افت فشار در جريان آشفتهي درون لوله بررسي شده است. با مشاهدهي نتايج، مشخص شده است كه با اضافه كردن محيط متخلخل به دامنهي لولههاي سينوسي، جبههي دمايي گرم در اين نواحي افزايش يافته كه منجر به افزايش دماي خروجي از مبدل شده است. قرار دادن مادهي متخلخل در قسمت واگراي لولههاي سينوسي بر كاهش افتفشار ناشي از محيط متخلخل، تاثير مثبت خواهد داشت. نتايج بدست آمده حاكي از آن است كه در هر سه حالت ذكر شده براي ساختار هندسي لوله سينوسي، در يك عدد دارسي ثابت، با افزايش ضخامت مادهي متخلخل انتقال حرارت، افت فشار و معيار ارزيابي عملكرد افزايش مييابد. با افزايش ضخامت مادهي متخلخل، نسبت افزايش انتقال حرارت به افت فشار در اعداد دارسي بزرگ از اعداد دارسي كوچك بيشتر خواهد بود، درحاليكه ميزان افزايش انتقال حرارت و افت فشار در اعداد دارسي كوچك بيشتر از اعداد دارسي بزرگ ميباشد. نتايج نشان ميدهد با كاهش اندازه ذرات محيط متخلخل، انتقال حرارت و افت فشار افزايش و معيار ارزيابي عملكرد كاهش مييابد. همچنين بيشترين تغييرات در انتقال حرارت، افت فشار و معيار ارزيابي عملكرد در محدودهي دارسي 3-^10 تا 5-^10 ميباشد. از بين موارد بررسي شده، در پارامتر هندسي 25 و عدد دارسي 0/01 با افزايش ضخامت ماده متخلخل، معيار ارزيابي عملكرد به بيشترين مقدار در اين پژوهش ميرسد. در اين حالت عدد ناسلت و ضريب اصطكاك نسبت به لولهي بدون مادهي متخلخل به ترتيب 58% و 180% افزايش مييابد.
چكيده انگليسي :
Given the global increase in energy prices, the optimal use of available energy is an undeniable requirement for competition in today's world. One of the key equipment to save energy is high-efficiency heat exchangers. There are different ways to increase heat transfer in heat exchangers. The use of porous materials is one of the passive methods that has received special attention in heat transfer processes in recent decades. The porous medium significantly increases heat transfer due to the increased contact surface with the fluid and having a higher thermal conductivity than the fluid, but will also increase the pressure drop. In the present numerical study, the porous material is located within the range of sinusoidal tube exchangers with different dimensions, and in this case, fluid flow and heat transfer have been investigated. In the present study, the incompressible and stable flow equations in the turbulent flow regime are discretized using the finite volume method and solved with the coupled algorithm in Fluent software. The k-ω SST turbulence model is used to simulate turbulent flow. Also, the local thermal equilibrium model is used for the energy equation and the Darcy-Brinkman-Forchheimer model is used for the momentum equation in a porous medium. The porous material is homogeneous and isotropic and its porosity coefficient is considered equal to 0.95. In this study, the fluid is air and the boundary condition of a constant temperature of 373 K on the tube's wall and a temperature of 300 K at the inlet of the tube is established. In this study, heat transfer coefficient, Nusselt number, friction factor, and performance evaluation criteria for three geometric parameters (L*) have been calculated equal to 11, 19, and 25. L* is the ratio of the wavelength to half the sine amplitude and determines the degree of waviness of the tube. In this study, the effect of two parameters of Darcy number and porous medium thickness on heat transfer and pressure drop in turbulent flow inside the tube has been investigated. Observing the results, it is found that by adding a porous medium to divergent sections of the sinusoidal tube, the hot temperature front in these areas has increased, which has led to an increase in the outlet temperature of the transducer. inserting the porous material in the divergent sections of the sinusoidal tubes will have a positive effect on reducing the pressure drop caused by the porous medium. The results show that in all three cases mentioned for the geometric structure of the sinusoidal tube, in a fixed Darcy number, with increasing the thickness of the porous medium, the heat transfer, pressure drop, and performance evaluation criteria increase. As the thickness of the porous medium increases, the ratio of increase in heat transfer to pressure drop in large Darcy numbers will be greater than in small Darcy numbers, while the rate of increase in heat transfer and pressure drop in small Darcy numbers will be greater than in large Darcy numbers. The results showed that with decreasing particle size of the porous medium, heat transfer and pressure drop increase and performance evaluation criteria decreases. Also, the most changes in heat transfer, pressure drop, and performance evaluation criteria in the Darcy range are 10^-3 to 10^-5. Among the studied cases, in geometric parameter 25 and Darcy number 0.01, with increasing the thickness of porous medium, the performance evaluation criteria reaches the highest value in this research. In this case, the Nusselt number and friction factor increase by 58% and 180%, respectively, compared to a tube without a porous material.