مطالعه آموزشي خصوصيات انتقال گرما و ضريب اصطكاك دريك لوله مدور مجهز به نوار مارپيچي

خلاصه
– اين مقاله ، داده هاي انتقال گرما و ضريب اصطكاك را براي جريان تك فاز دريك مبدل حرارتي دو لوله اي هم محور مجهز به دريچه نواري مارپيچي ، ارائه ميدهد . درمبدل حرارتي دولوله اي هم محور ، هواي داغ از ميان لوله دروني عبور مي كرد درحاليكه آب سرد از ميان حلقه ها ، جريان مي يافت . تاثير دريچه مارپيچي ، برميزان انتقال گرما و ضريب اصطكاك براي جريان مخالف مطالعه شد و اعداد Nusselt و ضريب اصطكاك بدست آمده با داده هاي قبلي براي جريان هاي محوري درلوله مسطح

، مقايسه شد .جريان موردنظر درگستره اعداد دنيولدز بين ۲۳۰۰ و ۸۸۰۰ مي باشد . ماكزيمم درصد بهره ۱۶۵% درميزان انتقال گرما براي كاربرد دريچه مارپيچي درمقايسه با لوله مسطح بدست مي آيد .
واژه هاي كليدي – افزايش انتقال گرما – ابزار جريان چرخشي – دريچه نواري مارپيچي
۱٫ مقدمه
دردهه گذشته ، تكنولوژي انتقال گرما گسترش يافته است وبه طور وسيعي براي كاربردهاي مبدل حرارتي ، اعمال ميشود ، براي مثال ، سردسازي ، صنعت اتومبيل ، آبگرمكن خورشيدي وغيره ، هدف انتقال گرماي فرآينده ، جادادن شاره هاي گرمايي بالا مي باشد ( يا ضريب انتقال گرما )

. تابه حال ، كوشش زيادي براي كاهش اندازه و هزينه مبدل حرارتي و مصرف انرژي انجام شده است . مهمترين متغير دركاهش اندازه و هزينه مبدل حرارتي كه به طور كلي منجر به كاهش هزينه سرمايه و مزاياي ديگر ميشود ،كاهش نيروي محركه دما است كه كارآمدي قانون دوم را افزايش مي دهد و توليد آنتروپي را كاهش مي دهد . بدين ترتيب ، توجه بسياري از محققان را چاپ مي كند .
اقدام بزرگ درمورد استفاده از روشهاي مختلف ، افزايش دادن ميزان انتقال گرما از طريق همرفت نيروي موردنياز مي باشد . درضمن ، مشخص مي شودكه اين روش ميتواند اندازه مبدل حرارتي را كاهش دهد و در انرژي صرفه جويي كند . به طور كلي ، افزايش انتقال گرما راميتوان به دوگروه تقسيم كرد : يكي روش غير فعال است كه روشي بدون تحريك شدن توسط توان خارجي مي

باشد از قبيل روكش كردن سطح ، ناهمواركردن سطوح ، كشيدن سطوح ، وسايل جريان چرخشي ، لوله حلقوي ( پيچيده ) مواد افزودني براي مايع و گازها . روش ديگر روش فعا است . اين روش ، منابع اضافي توان خارجي نياز دارد. براي مثال ، كمك هاي مكانيكي ، ارتعاش سيال سطح ، تزريق ومكش سيال ، اصابت جت، و ميدان هاي الكتروستاتيك .

وسايل جريان چرخشي راميتوان به دونوع طبقه بندي كرد :اولي جريان چرخش پيوسته وديگري جريان چرخشي تنزلي . براي جريان چرخشي پيوسته ، حركت چرخشي در تمام طول لوله ، ايجاد مي شود . براي مثال دريچه هاي نواري پيچيده شده ، سيم پيچ هاي جاسازي شده درامتداد كل لوله و شيارهاي مارپيچي كه درسطح داخلي لوله درصورتي كه درجريان هر چرخش تنزلي ،

چرخش درمدخل ورودي لوله ايجاد مي شود ودرامتداد مسيرجريان تنزل مي يابد ، براي مثال ، مولد چرخشي تيغه راهنماي شعاعي و ابزار تزريق جريان مماسي . براي جريان چرخشي تنزلي ضريب انتقال گرما وافت فشار، بافاصله محوري كاهش مي يابد . درحالي كه براي جريان چرخشي

پيوسته ، ضريب انتقال گرما و افت فشار ثابت باقي مي ماند . دراين گزارش ها ، آزمايشات براي مطالعه تاثير جريان چرخشي يا جريان دوراني بربهبود عملكرد مبدل حرارتي دولوله ايي تنظيم شد كه مجهز به يك نوار مارپيچي بود كه درتمام طول لوله داخي قرار داشت كه به عنوان ژنراتورهاي چرخشي / گرمايي يا افزايش دهنده آشفتگي براي تحريك كردن سيال فرض مي شود كه در شكل ۱ نشان داده شده است .

۲٫ محاسبه انتقال گرما و ضريب اصطكاك
براي جريان سيال در يك مبدل حرارتي لوله هم محور، سرعت انتقال گرماي سيال ( هواي ) گرم براي لوله داخلي را ميتوان به صورت زير بيان كرد :

درصورتي كه انتقال گرماي سيال سرد( آب ) براي لوله بيروني

درحاليكه

و

كه دماي ديواره خطي است و درسطح ديواره بيروني لوله داخلي اندازه گيري مي شود. و بايستي درعمق از سطح بيروني اندازه گيري شود . دماي ميانگين ديواره از ۱۵ نقطه كه بين ورودي و خروجي لوله داخلي قرار دارند محاسبه مي شود .ضريب ميانگين گرما و عددميانه Nusselt به صورت زير برآورد مي شوند :

عدد رينولدز با معادله زيرمعين مي شود :

ضريب اصطكاك را ميتوان به صورت زير نوشت

شكل ۱-لوله داخلي مجهز به نوار مارپيچ تمام قد

شكل ۲- يك مبدل حرارتي با دو لوله اي مجهز به يك مارپيچ

شكل ۳- نمودار طرح كلي دستگاه آزمايش : ۱- دمنده۱۰ hp 2- يك گرمكن الكتريكي با ترموستات ۳- شير ساچمه اي ۴- شير كروي ۵- طول سنج براي هواي گرم ۶- پمپ آب ½ hp 7- چيلر (دستگاه مولد آب سرد) ۸- فشار سنج نعلي شكل (u شكل ) ۹- شير فلكه ساچمه اي ۱۰- شير كروي ۱۱- طول سنج براي هواي سرد ۱۲- ثبت كننده داده ها ۱۳- كامپيوتر pc 14- يك مبدل حرارتي دو لوله اي

۳٫روش ودستگاه آزمايشگاهي
تنظيم ترتيب جزئيات آزمايش و سيستم آزمايشي مبدل حرارتي لوله هم محور، درشكل ۲ و ۳ نمايش داده مي شود . مبدل حرارتي دولوله اي از دولوله به هم محور تشكيل مي شد ، لوله داخلي براي جريان هواي داغ و لوله بيروني براي جريان آب ، شعاع لوله هاي بيروني وداخلي به

ترتيب ۱۹ و ۴۰mm بود . طول لوله ها و ضخامت آنها ۱mm بود . لوله هاي مسي و فولادي به ترتيب براي لوله هاي داخلي و بيروني استفاده شد . سطح لوله بيروني با عايق پيچيده شده تا اتلاف گرما حداقل شود . دريچه نواري مارپيچي كه دراين آزمايش استفاده شده درشكل ۲ نشان داده مي شود . دراين آزمايشات ، شرايط هندسي دريچه حلزوني ثابت نگه داشته شد .
دريچه حلزوني از فولاد ضدزنگ ساخته شد و ابعاد مهندسي آن به ترتيب و و مي باشد .

هواي داغ از يك دمنده از طريق لوله داخلي هدايت شد ، درحالي كه هواي سرد از ميان فضاي بين حلقه هاي متحد المركز ، پمپاژ شد . فلومترهاي ( جريان سنج ) هوا و مايع براي اندازه گيري سرعت هاي جريان هوا و مايع استفاده شد . سرعت جريان حجمي هواي گرم و آب سرد توسط شيرهاي سوپاپي كه قبل از دريچه هاي ورودي قرار داشت ، كنترل شد . هواي ورودي با يك گرمكن الكتريكي قابل تنظيم ، گرم شد . هردو دماي ورودي و خروجي هواي گرم و آب سرد توسط

ترموكوپل كنستانتان – آهن چند كانالي اندازه گيري شد (نوع K ) . براي پيداكردن ميانگين عدد Nusselt اندازه گيري دما در ۱۵ محل همگي درسطح بيروني لوله داخلي ، ضروري ميباشد . هر ۱۵ ردياب اندازه گيري دما به دستگاه هاي ثبت كننده داده متصل شدند . ورودي و خروجي لوله ها بيروني و دروني مجهز به انشعاب هاي فشارسنجي براي اندازه گيري افت فشار ، با اتصال به فشار سنج لوله اي U بود.

براي انجام هر آزمون ، ثبت داده هاي دما ، سرعت جريان حجمي و افت فشار هواي گرم و آب سرد درحالت پايدار ضروري بود .درطي آزمايش ، دماي هواي ورودي در و هواي سرد در نگه داشته شد. عدد رينولدز هواي گرم شده از ۲۳۰۰ تا ۸۸۰۰ بود . خصوصيات مختلف جريان و عدد Nusselt واعداد رنيولدز برمبناي دماي ديواره سطح بود.

۴٫ نتايج و بحث
اين نتايج ، سرعت انتقال گرما و ضريب اصطكاك درمبدل حرارتي لوله هم محور مجهز به ژنراتور چرخشي يا دريچه مارپيچي رانشان داد همچنانكه درشكل هاي ۴ 

 

سرعت هاي انتقال گرماي آزمايشگاهي براي هواي گرم كه دراين مطالعه بدست آمده در شكل ۴ نشان داده مي شوند. ميتوان مشاهده كرد كه دريچه نواري حلزوني، مقادير بالاتر سرعت اتقال گرما را نسبت به لوله مسطح مي دهد . درمورد جريان چرخشي يا دريچه نواري مارپيچي ، ميانگين هاي اعداد Nusselt حدود ۱۵%درمقايسه بالوله مسطح ، افزايش يافت . مشخص مي شود كه يك دريچه مارپيچي كه جريان چرخشي يا جريان هواي ثانويه و گراديان فشار را ايجاد مي كند ،

درامتداد جهت شعاعي ساخته مي شود . لايه مرزي درامتداد ديواره لوله با افزايش چرخش شعاعي و فشار ، نازك تر مي شود . بنابراين گرما مي تواند به آساني از طريق جريان منتقل شود . به علاوه ، حركت چرخشي موجب مي شود كه جريان آشفته شود كه منجر به انتقال گرماي همرفتي بهتري مي شود . از اين شكل مي توان مشاهده كرد كه به علت حركت چرخشي ضعيف و سرعت جريان پايين ، اثر دريچه ها مارپيچي در اعداد رينولدز پائين ، كاهش مي يابد ، بدين ترتيب

، افزايش عدد رينولدز در عدد رينولدز كوچكتر ، پايين بود ، درحالي كه در اداد رينولدز بالاتر ، بزرگ تر مي شود . از نتايج آزمايشگاهي مشخص شد كه لوله دروني مجهز به مارپيچ ، بالاترين انتقال گرما در حدود ۱۶۵% درمقايسه با لوله مسطح دارد .

ضريب اصطكاك در لوله داخلي به عنوان تابعي از عدد رينولدز نشان داده شده كه ضريب اصطكاك جريان محوري ( لوله مسطح ) نيز براي ماقيسه رسم شده است . ميتوان مشاهده كرد كه ضريب اصطكاك براي هردو جريان مسطح و دريچه مارپيچي مشابه بودو ضريب اصطكاك دريچه مارپيچي

بالاتر از لوله مسطح بود ، به علت جريان چرخشي يا جريان ثانويه و پراكندگي فشار ديناميكي سيال در اتلاف بالاي ويسكوزيته نزديك ديواره لوله . به علاوه با واكنش متقابل نيروهاي فشار با نيروهاي …. درلايه مرزي ، احتمال زيادي دارد كه اتلاف فشار ، اتفاق بيفتد . بنابراين ، ضريب

اصطكاك درلوله داخلي ، اساسا با افزايش عدد رينولدز افزايش يافت ، مشاهده شد كه دريچه مارپيچي جريان چرخشي درون لوله ايجاد كرد و منجر به ضريب اصطكاك زياد بالاي لوله مسطح شد .