توضیحات

پروژه شبیه سازی انتقال حرارت در توربولاتور(turbulator) داخل لوله در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT

 

انتقال حرارت:

انتقال حرارت درواقع گسترش تجزیه و تحلیل های ترمودینامیک از طریق مطالعه شیوههای انتقال گرما و بدست آوردن روابطی برای محاسبه نرخ انتقال گرماست. در ترمودینامیک تبادل گرما و نقش حیاتی آن در قوانین اول و دوم مورد بحث قرار می گیرد ولی مکانیزم های انتقال گرما و روش های محاسبه نرخ آن مورد بررسی قرار نمی گیرد. ترمودینامیک با حالت های تعادل ماده سروکار دارد و در حالت تعادل گرادیان دما وجود ندارد. انتقال حرارت بدنبال انجام کاری است که ترمودینامیک ذاتاً از انجام آن ناتوان است. انتقال حرارت جریان انرژی ناشی از اختلاف دماست. هنگامیکه اختلاف دما در یک محیط یا بین اجسام وجود داشته باشد انتقال گرما بایستی رخ دهد.

شیوه های انتقال حرارت:

انواع مختلف فرایندهای انتقال گرما شیوه های انتقال حرارت نامیده می شود. اگر گرادیان دما در محیط ساکنی که می تواند جامد یا سیال باشد وجود داشته باشد از واژه هدایت برای معرفی نوع انتقال گرمای این محیط استفاده می شود. از طرف دیگر واژه جابجایی هنگامی بکار می رود که انتقال گرما بین یک سطح و یک سیال متحرک وجود داشته باشد سومین شیوه انتقال گرما تشعشع گرمایی نام دارد. کلیه سطوحی که دمای معین دارند انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیس صادر می کنند. بنابراین در غیاب یک ماده واسطه انتقال گرمای خالص بواسطه تشعشع بین دو سطح با دماهای متفاوت وجود خواهد داشت. در خیلی از موارد هر سه شیوه انتقال حرارت وجود دارد.

هدایت(conduction):

هدایت انتقال انرژی از ذرات پرانرژی به ذرات کم انرژی در یک ماده است که براثراندر کنش های بین ذرات صورت می گیرد. برای درک بهتر گازی را در نظر بگیرید که در آن گرادیان دما وجود داشته باشد و فرض کنید گاز ساکن باشد. این گاز فضای بین دو سطح با دماهای متفاوت را پر کرده است. دمای هر نقطه به انرژی مولکول های گاز در مجاورت آن نقطه وابسته است. این انرژی به حرکت تصادفی و انتقالی و همچنین به حرکت های چرخشی و ارتعاشی درونی مولکول ها ارتباط دارد. هنگام برخورد مولکول های مجاور به یکدیگر انرژی از مولکول های پر انرژی به مولکول های کم انرژی منتقل می شود. انتقال گرما در جهت کاهش دما رخ می دهد و به انتقال خالص انرژی در اثر حرکت تصادفی مولکول ها پخش انرژی (Diffusion) گفته می شود. وضع مشابهی در مایعات وجود دارد با این تفاوت که فاصله مولکول ها کمتر و اندر کنش های مولکولی قویتر و بیشتر هستند. در یک جسم جامد هدایت را می توان به فعالیت اتمی به شکل ارتعاشات شبکه ای نسبت داد. در نظریه های جدید انتقال انرژی را به امواج شبکه ای نسبت میدهند که در اثر القای حرکت اتمی بوجود می آید. در غیر هادی ها انرژی منحصرا توسط این امواج شبکه ای انتقال می یابد در حالیکه در هادی ها علاوه بر مکانیزم فوق حرکت انتقالی الکترونهای آزاد نیز نقش دارد.  در انتقال گرما به روش رسانش تنها قسمتی از جسم گرم می شود. گرما باعث جنبش مولکول های آن قسمت شده و جنبش ایجاد شده از طریق ارتعاش به مولکول های مجاور منتقل می شود تا به تدریج تمام جسم گرم شود. زمانی که یک میله فلزی را روی شعله قرار میدهیم در حال انتقال گرما به روش رسانش هستیم چرا که پس از مدتی تمام میله گرم می شود. سرعت انتقال گرما به روش رسانش در مواد مختلف یکسان نیست و بر همین مبنا می توان اجسام را به دو گروه رسانای گرما و نارسانا تقسیم کرد. به اجسامی مثل فلزات که سرعت انتقال گرما در آنها به روش رسانش بالا است، اجسام رسانای گرما می گویند و در مقابل اجسامی نظیر پلاستیک، شیشه، لاستیک، چوب و … قرار دارند که عایق گرما هستند یعنی گرما به کندی از آنها عبور می کند.

ضریب هدایت گرمایی – ضریب انتقال حرارت:

ضریب هدایت گرمایی(k) خاصیتی از ماده بوده و عبارت است مقدار انرژی گرمایی که ماده می تواند در واحد سطح، در واحد ضخامت و در واحد زمان و در دمای مشخصی، از خود عبور دهد. هرچه ضریب هدایت گرمایی کمتر باشد، نشان میدهد که ماده قابلیت انتقال انرژی گرمایی کمتری داشته و بیشتر برای عایق مناسب است. واحد ضریب انتقال حرارت در سیستم متریک W/m⁰K (وات بر متر درجه کلوین) و در سیستم اینچی Btu/hft⁰F (واحد گرمای بریتانیایی بر ساعت فوت درجه فارنهایت) می باشد. BTU تقریباً 1.055 ژول است. ضریب انتقال حرارت را با k نشان می دهند. ضریب انتقال حرارت عایق های مختلف، بستگی به اختلاف درجه حرارت بین سطوح عایق، چگالی و عمر عایق دارد. معمولاً هرچه درجه حرارت بالاتر رود، ضریب انتقال حرارت عایق ها نیز افزایش یافته و عملکرد عایق افزایش می یابد همانند شکل زیر. همچنین، با کاهش چگالی و افزایش عمر، ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد.

انتقال حرارت جابجایی:

انتقال حرارت جابجایی یا همرفت، صورتی از انتقال انرژی بین یک سطح جامد و مایع یا گاز متحرک موجود در مجاورت آن است که ترکیبی از اثرات هدایت و حرکت سیال را در خود دارد. درواقع، انتقال حرارت همرفتی جابجا شدن حرارت از یک مکان به مکان دیگر در اثر حرکت سیال است. فرآیندی است که در آن جابجا شدن حرارت در اثر جابجاشدن جرم رخ می دهد. هرچه حرکت سیال سریع تر باشد، نرخ انتقال حرارت بیشتر است. در غیاب هرگونه حرکت تودهای درون سیال، انتقال حرارت بین یک سطح جامد و سیال مجاور آن، به صورت هدایت ضعیف رخ می دهد. وجود حرکت توده ای در سیال، نرخ انتقال حرارت را افزایش می دهد، اما محاسبات آن را پیچیده می کند. اگر یک سطح خنک شونده با جریان هوا را در نظر بگیریم، در ابتدا انرژی سطح از طریق هدایت به لایهی هوای مجاور منتقل شده و پس از آن، این انرژی توسط جابجایی مولکول ها از سطح دور می شود. درواقع، این نوع انتقال حرارت با ترکیبی از هدایت و حرکت توده ای یا میکروسکوپی ذرات سیال که لایه ی مجاور را از سطح دور کرده و آن را با هوای خنک تر جایگزین می کند، روی می دهد. در شکل زیر گرادیان دمایی و گرادیان سرعت درون لایه مرزی سیال عبوری از روی سطح داغ نام برده شده نشان داده شده است.

انتقال حرارت جابجایی، به دو صورت جابجایی اجباری(forced) و آزاد (natural) رخ می دهد. جابجایی اجباری زمانی رخ می دهد که سیال توسط یک نیروی خارجی (توسط پمپ، فن و یا باد)، به صورت اجباری بر روی یک سطح جریان پیدا کند. جابجایی آزاد زمانی اتفاق می افتد که حرکت سیال توسط نیروی شناوری که به خاطر اختلاف چگالی (که در اثر گرادیان دمایی در سیال رخ می دهد) است، صورت گیرد. اگر اختلاف دما بین سطح جسم و هوای اطراف به اندازهای بزرگ نباشد که بتواند بر مقاومت هوا غلبه کرده، آن را به حرکت در آورده و باعث شروع جابجایی آزاد شود، انتقال حرارت بین جسم و هوا، از نوع هدایت می باشد.

انتقال گرمای جابجایی از دو مکانیزم تشکیل می شود:

١- انتقال انرژی بواسطه حرکت تصادفی ملکول ها (پخش گرما یا diffusion)

2- انرژی توسط حرکت حجمی سیال (ادواکسیون Advection)

نتیجة اندرکنش بین سطح و سیال رشد ناحیه ای در سیال است که در آن سرعت سیال از صفر برروی سطح تا مقدار معین جریان تغییر می کند. این ناحیه از سیال لایه مرزی سرعت نام دارد. اگر دماهای سطح و سیال متفاوت باشند ناحیه ای در سیال وجود خواهد داشت که در آن دما از T_s در 0=y تا T_∞ در جریان آزاد تغییر می کند. این ناحیه را لایه مرزی گرمایی می نامند که ضخامت آن می تواند کوچکتر، مساوی یا بزرگتر از لایه مرزی سرعت باشد. در نزدیکی سطح حرکت تصادفی ملکول ها (پخش گرما) وجه غالب را دارد. همزمان با پیشرفت سیال در جهت x حرکت توده سیال نقش غالب را پیدا می کند.

انواع انتقال گرمای جابجایی:

۱- جابجایی اجباری (Forced Convection): هنگامیکه جریان توسط عوامل خارجی نظیر فن یا پمپ ایجاد شود.

۲- جابجایی آزاد (Free Convection): هنگامیکه جریان توسط نیروهای غوطه وری(Buoyancy Forces) ایجاد می شود که بعلت اختلاف چگالی ناشی از تغییرات دما در سیال بروز می کند.

۳- جابجایی بواسطه تغییر فاز (جوشش و میعان Boiling and Condensation)

تشعشع(radiation):

تشعشع گرمایی به انرژی صادر شده از ماده ای با دمای معین اطلاق می شود. انرژی تشعشعی توسط امواج الکترومغناطیسی فوتون ها (Photons) منتقل می شود. تشعشع برخلاف هدایت و جابجایی نیازمند محیط مادی نیست. درحقیقت انتقال حرارت تشعشعی در خلا بهتر صورت می گیرد. نور یکی از انواع انرژی است که اصطلاحا از طریق تابش، انتقال می یابد. در صورتی که نور به جسمی تابیده شود، آن جسم گرم می شود بدین معنی که انرژی نور در جسم تبدیل به حرارت می شود. همچنین، جسمی که نور می تاباند، گرما از دست می دهد. پس می توان نتیجه گرفت که تابش یکی از راه های انتقال حرارت است. بارزترین مثال رسیدن گرمای خورشید به زمین است، چرا که چون بین زمین و خورشید اتمسفری وجود ندارد(و تقریبا خلا است)، تنها راه انتقال حرارت از خورشید به زمین تابش بوده و هدایت و همرفت امکان پذیر نیستند. تمامی اجسام تابش می کنند. وقتی نور به یک جسم تابیده می شود، کسری از آن جذب شده و کسری از آن انعکاس می یابد. کسر جذب شده مجددا توسط ماده، تحت فرکانس مشخصی بسته به جنس و رنگ سطح آن، تابش می یابد. در واقع علت اصلی که چشم می تواند اجسام را ببیند، تابش اجسام در یک فرکانس مشخص (رنگ) است. مقدار تابش اجسام، ارتباط مستقیم با درجه حرارت آنها دارد. مثلا بعضی مواد اگر بسیار داغ شوند، قبل ذوب، به رنگ کاملا قرمز در می آیند که نشان از تابش زیاد آنها دارد. مواد عایق ضد تابش معمولا کسر جذب شده را به حداقل رسانده و کسر انعکاس را افزایش می دهند و به این ترتیب ماده انرژی از دست نمی دهد. به این دلیل است که عایق های ضد تابش اکثر به صورت فویل های صیقلی ساخته می شوند.

روش های افزایش انتقال حرارت:

افزایش میزان انتقال حرارت همواره موضوع مورد توجه پژوهشگران بوده است. و برای این کار، استفاده از روش های غیرفعال(passive) به عنوان یک روش موثر بسیار مورد توجه بوده است. به همین دلیل مطالعات آزمایشگاهی و عددی بسیاری در دهه های اخیر در این زمینه کاری صورت گرفته است. شاید مهم ترین دلیل علاقه ی محققان به این زمینه کاری را می توان سادگی و کاربردی بودن روش های غیرفعال برای انتقال حرارت دانست. به عبارت دیگر می توان گفت در این روش نیاز به هیچ منبع انرژی خارجی برای افزایش میزان انتقال حرارت وجود ندارد و این نکته حائز اهمیت می باشد. درواقع افزایش میزان انتقال حرارت در یک مبدل منجر به افزایش بازده مبدل، کاهش هزینه ها، کاهش وزن و حجم مبدل می شود و درنتیجه امکان طراحی مبدل های حرارتی کوچک را فراهم می سازد. هزینه بالای انرژی و مشکلات زیست محیطی همواره محققان را به فکر یافتن راه هایی برای افزایش میزان انتقال حرارت و افزایش ضریب عملکرد مبدل های حرارتی انداخته است. دو روش بسیار موثر برای افزایش میزان انتقال حرارت در مبدل های حراتی اصلاح کردن نوع لوله های مبدل و نیز استفاده از انواع گوناگون پره ها و صفحات(توربولاتور) برای افزایش سطح انتقال حرارت می باشد. توربولاتورهای متعددی به این منظور مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال شکل پیچ خورده و تاب دار، سیم های مارپیچ شیار، پره، صفحات بافل و باله های کوچک ، پوشش های سطح، سطوح زبر، سطوح توسعه یافته، تجهیزات ایجاد جریان آشفته و جریان چرخشی، رینگ های مخلوطی نمونه هایی از آن ها می باشند. از این روش ها برای افزایش میزان انتقال حرارت به طور وسیعی در زمینه های سردسازی، سیستم های تبرید، صنایع مرتبط با پمپ های حرارتی، صنایع شیمیایی، پالایشگاه ها و بسیاری جاهای دیگر استفاده می شود.

به طور کلی روش های افزایش انتقال حرارت به دو قسمت روشهای فعال و غیرفعال تقسیم می شوند. روشهای فعال به روش هایی اطلاق می شود که در آن از یک نیروی خارجی استفاده شده تا بتوان میزان انتقال حرارت را افزایش داد. درحقیقت در این روش برای افزایش میزان انتقال حرارت انرژی مصرف می شود، از این روش ها می توان به مواردی از جمله استفاده از میدان مغناطیسی، ایجاد پالس در جریان، ایجاد لرزش در سطوح و… اشاره نمود. روش های غیرفعال نیز به روش های گفته می شود که در آن از انرژی خارجی جهت افزایش انتقال حرارت استفاده نمی شود و صرفا تغییرات هندسی و استفاده از سطوح و…. در افزایش میزان انتقال حرارت نقش اساسی دارند. البته در موارد بسیاری از هردو این روش ها برای افزایش میزان انتقال حرارت استفاده شده است. اگرچه روش های بسیاری به عنوان روش های غیرفعال معرفی گردیده است اما به صورت کلی همه این روش ها را می توان به دسته کلی تقسیم بندی نمود، که ذیلا به آنها اشاره شده است:

1-سطوح تغییر یافته: سطوحی که تغییرات با ساختار مناسب که معمولا در پوشش سطحی آنها انجام گرفته است که زبری سطوح آنها از سطوح دیگر که در انتقال حرارت تک فاز مورد استفاده قرار می گیرد کمتر است و معمولا در فرایند جوشش از آنها استفاده می گردد.

۲. سطوح زبر: معمولا فرمی از سطوح هستند که هدف آنها ایجاد توربولانس در جریان است. زبری این نوع از سطوح از حدود دانه های ریز شن تا برآمدگی های سطحی بزرگ متفاوت می باشد.

٣. سطوح گسترش یافته: این سطوح باعث افزایش انتقال حرارت چشمگیری می شوند. مطالعات جدید منجر به تولید فین هایی شده است که علاوه بر افزایش سطح انتقال حرارت باعث مغشوش شدن جریان نیز می شوند.

۴. ابزارآلات بهبود انتقال حرارت جاگذاری شونده: روشهای جایگذاری ابزارآلاتی هستند که در جابجایی اجباری مورد استفاده قرار گرفته است. ابزارآلاتی که باعث بهبود انتقال انرژی از طریق جابجایی سیال گرم شونده یا سرد شونده نزدیک دیواره لوله با جریان مرکزی میشوند.

۵ وسایل چرخاننده جریان : ابزارآلاتی هستند که باعث ایجاد جریان ثانویه چرخشی در یک جریان محوری میشوند.

۶. لوله های پیچیده شده: این تکنیک که بیشتر برای مبدل های فشرده مورد استفاده قرار می گیرد با ایجاد جریان چرخشی ثانویه و ایجاد چرخش در جریان حجمی باعث افزایش چشمگیر ضریب انتقال حرارت می گردد.

7. سطوح ایجاد کننده تنش: این سطوح فتیله شده و شیار دار که به صورت مستقیم باعث تسهیل در جوشش یا میعان می گردند معمولا در مبدل های حرارتی با هدف تغییر فاز مورد استفاده قرار می گیرند.
8. مواد افزودنی به مایعات: این روش شامل افزودن ذرات جامد حبابهای گازی و به مایعات تک فازی می گردد که با افزایش میزان تنش سطحی مایعات، باعث افزایش میزان انتقال حرارت می گردد.

۹. مواد افزودنی به گازها: این روش شامل قطرات مایع و یا ذرات جامد می گردد، که به ترتیب با عناوین فازهای غلیظ و فازهای رقیق شناخته می شوند.

در مقایسه با روش های غیرفعال، روش های فعال به خاطر این که نیاز به نیروی خارجی و وسایل دیگری برای انجام این روش ها دارند کمتر مورد توجه محققان قرار گرفته است. این روش ها در مقایسه با روشهای غیرفعال پتانسیل و کاربرد اندکی دارند. به طور کلی این تکنیک ها را می توان به صورت زیر دسته بندی نمود:

1-روش های مکانیکی: این وسایل جریان رابه وسیلهی وسایل مکانیکی با صفحات چرخشی به حرکت در می آورند.

2. لرزاندن صفحات: به صورت کلی برای انتقال حرارت تک فاز مورد استفاده قرار می گیرد. فرکانس های متفاوتی برای کمک به لرزیدن صفحات اعمال می شود که باعث افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی می گردد.

٣. ایجاد لرزش در جریان سیال: به جای اعمال ارتعاش به صفحات با ایجاد پالس هایی در جریان باعث افزایش انتقال حرارت می شود. از این روش به طور معمول در جریان های تک فازی استفاده می گردد.

۴. میدان های الکترواستاتیکی: میدان های الکترواستاتیکی مانند میدان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی و یا مجموع این دو که از منابع تغذیه جریان مستقیم و یا جریان متناوب تولید می شوند، باعث افزایش اختلاط حجمی و ایجاد جابجایی اجباری و یا حتی باعث پمپاژ الکترومغناطیسی می گردد. این روش ها در مبدلهایی قابل اعمال هستند که سیال عامل در آنها دی الکتریک باشد.

5. تزریق: در این روش سیال هم نوع و یا از جنس دیگر به وسیله یک صفحه انتقال حرارتی متخلخل به داخل جریان حجمی تزریق می شود، روش دیگر نیز تزریق به بالادست جریان می باشد. این روش برای انتقال حرارت در جریان تک فاز کاربرد دارد.

۶. مکش: این روش در هر دو نوع انتقال حرارت تک فاز و دوفاز کاربرد دارد. در انتقال حرارت جوشش هسته دار دوفاز شامل برداشت بخار از روی یک صفحه متخلخل گرمادیده می شود، در حالی که در انتقال حرارت تک فاز سیال از روی صفحه متخلخل خارج می شود. با توجه به اینکه روش های عامل به دلیل نیاز به نیروی خارجی و هزینه بر بودن آنها و نیز عدم وجود پتانسیل بالقوه برای استفاده از آنها، بیشتر محققان فعالیتهای خود را بر پایه روش های غیرفعال طرح ریزی نمودند.

 

توربولاتورها:

قابلیت بهبود ضریب انتقال حرارت در کنار حداقل تلفات به عنوان ضریب عملکرد ترموهیدرولیکی یک توربولاتور(turbulator) تعریف می شود. به عبارت دیگر توربولاتوری دارای بیشترین ضریب عملکرد است که در کنار این که ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد کمترین تاثیر را در افزایش ضریب اصطکاک داشته باشد. توربولاتورهای داخل لوله ها سال ها است که در صنایعی مانند پالایشگاه های پتروشیمی و واحدهای شیمیایی به منظور افزایش ضریب انتقال حرارت و کاهش رسوب گذاری مورد استفاده قرار می گیرند.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت در لوله همراه توربولاتور(turbulator) و لوله بدون توربولاتور در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر ترسیم شده است.

شبکه و مش:

شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.

شبیه سازی و حل:

شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

 

حلگر:

حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.

مدل لزجت:

مدل آشفتگی دو معادله ای k-ω SST استفاده شده است.

سیال:

سیال مورد استفاده آب می باشد که خواص آن در شکل زیر نشان داده شده است.

 

جنس لوله از آلومینیوم می باشد که خواص آن در شکل زیر نشان داده شده است.

وابستگی سرعت-فشار:

برای وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم حل پیوسته(coupled) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادله فشار از روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم استفاده شده است.

 

نمونه نتایج شبیه سازی: