بررسی تجربی و عددی انتقال¬ حرارت جابجایی اجباری نانوسیالات در لوله¬های مارپیچی

نانوسیال و مارپیچ¬سازی لوله دو تکنیک متفاوت جهت بهبود توانایی انتقال حرارتی تجهیزات می¬باشند. در این پژوهش، انتقال حرارت جا¬به¬جایی اجباری و میزان افت فشار جریان آرام نانوسیال¬ها در لوله¬های مستقیم ومارپیچی با هندسه¬های مختلف و شرط مرزی شار ثابت به صورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته¬اند. نانوسیال¬های اکسید¬تیتانیوم (50 نانومتر)/آب، اکسیدآلومینیوم (35 نانومتر)/آب و نانولوله¬های¬کربنی-چندجداره/آب به ترتیب در غلظت¬های 0/2-25/0% ، 0/1-25/0% حجمی و 5/0-1/0% وزنی به روش دومرحله¬ای تولید و اثر محدوده وسیعی از پارامتر¬های مختلف نظیر اعداد رینولدز و هلیکال، غلظت نانوسیال، مشخصات هندسی لوله¬های مارپیچی (نسبت ابعاد و طول¬گام) مطالعه شده¬اند. آزمایش¬ها در دامنه 500 تا 4500 عدد رینولدز برای لوله¬های مارپیچی با نسبت ابعاد 10 و 20 و طول گام 24 و 42 انجام پذیرفته است. براساس داده¬های تجربی، مشخص شده است که عدد ناسلت با افزایش غلظت نانوذرات و همچنین عدد رینولدز بهبود می¬یابد. این افزایش به دلیل هدایت حرارتی موثر بالاتر نانوسیال و همچنین تقویت اختلاط نانوذرات می باشد. ضمن اینکه افزایش دانسیته و ویسکوزیته نانوسیال در مقایسه با سیال پایه منجر به افزایش افت فشار جریان داخل لوله-مارپیچی می¬گردد. همچنین به دلیل هدایت حرارتی بالاتر و اندازه کوچکتر نانوذرات اکسیدآلومینیوم نسبت به نانوذرات اکسیدتیتانیوم، نانوسیال اکسیدآلومینیوم/آب بهبود حرارتی مناسبتری را از خود نشان می¬دهد. به دلیل انحنا لوله¬های مارپیچی، افزایش قابل¬توجهی در نرخ انتقال حرارت و افت فشار در صورت استفاده از لوله¬های مارپیچی به جای لوله مستقیم مشاهده می¬شود. علاوه بر آن نرخ انتقال حرارت با افزایش طول گام و کاهش نسبت انحنا بهبود می-یابد. اگر چه نسبت انحنا تاثیر بیشتری در مقایسه با طول گام بر روی عدد ناسلت و افت فشار نشان می¬دهد. همچنین تکنیک مارپیچ¬سازی لوله عملکرد بهتری نسبت به تکنیک استفاده از نانوسیال در آزمایش¬ها نشان می¬دهد. با ترکیب این دو تکنیک، شاخص عملکرد حرارتی سیستم¬های مورد مطالعه به صورت قابل توجهی افزایش ¬می¬یابد. روابطی بر اساس داده¬های تجربی برای تخمین عددناسلت و افت فشار برمبنای عدد هلیکال، عدد پرانتل، غلظت حجمی یا وزنی و اندازه نانوذرات نیز ارائه شده¬اند. در مطالعه عددی، معادله انرژی سه¬بعدی در سیستم مختصات منحنی¬الخط به روش اختلاف محدود با استفاده از زبان برنامه¬نویسی matlab حل شده است. مدل پراکندگی بهبودیافته به منظور شبیه¬سازی عملکرد حرارتی جریان نانوسیال¬ها درون لوله¬های مارپیچی مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج عددی تطبیق منطقی با داده¬های تجربی از خود نشان می¬دهند.