مطالعه تجربي افت فشار در جريان آرام نانوسيال اكسيد مس– روغن پايه در لوله افقي با سيم پيچ تحت شار حرارتي ثابت

مقدمه
از سيالاتي مثل آب، روغن و اتيلن گليكول به عنوان واسط انتقال حرارت
در تبادل گرهاي حرارتي و دستگاه هاي گرمازا استفاده مي شو د . ضريب
انتقال حرارت پائين اين سي الات، مشك لي اساسي در طراحي وساخت
دستگاه هاي با حجم كوچك و نرخ انتقال حرارت بالا مي باش د . از اينرو
تحقيقات گسترده اي بر روي روشهاي مختلف افزايش انتقال حرارت صورت
مي گيرد. افزودن نانو ذرات جامد به سيالات براي افزايش ضريب انتقال
حرارت آنها يكي از اين تكنيكها مي باشد . نانوذرات نسبت به ذرات در
اندازه هاي ميكرو و ميلي، مشكلات كمتري از بعد تجمع ذرات در درون
سيال، ته نشيني ذرات و از همه مهمتر افزايش افت فشار دارند.
مفهوم نانوسيال به شكل جديدي از محيط هاي انتقال حرارت اشاره دارد
كه از طريق معلق ساختن ذرات فلزي و غير فلزي در مقياس نانو در سيال
پايه توليد مي شوند كه براي اولين با توسط چوي [ 1] در سال 1995
معرفي گرديد. هر چند تحقيقات نسبتأ زيادي در زمينه افزايش انتقال
حرارت نانوسيالات مختلف انجام شده است وليكن در مورد مشخصات افت
فشار نانوسيالات، پژوهش كمي صورت گرفته است.
زوان و لي [ 2] ضريب انتقال حرارت جابجايي و ضريب اصطكاك نانوسيال
براي جريان آرام و مغشوش در لوله را بررسي كرده اند. آنها نانوسيال آب با
10 را فراهم كردند. نتايج نشان مي دهد كه nm ذرات مس با قطر زير
براي هر دو جريان آرام و مغشوش افزايش قابل توجهي براي ا فت فشار
آب- مس وجود ندارد. اين بدين معني است كه نانوسيال سبب افزايش
قدرت پمپاژ نمي شود.
كو و همكاران [ 3] يك تحقيق تجربي براي بررسي افت فشار نانوسيال
شامل نانولولههاي كربني در لوله افقي را فراهم آوردند. آنها مقادير مختلف
ويسكوزيته برحسب نرخ برش را بدست آوردند و مشاهده كردند كه با
افزايش نرخ برش، ويسكوزيته كاهش مي يابد. بنابراين، آنها گزارش كردند
كه افت فشار براي اين نانوسيالات به طور قابل توجهي در جريان آرام
افزايش مي يابد. وليكن، زماني كه دبي جريان افزايش ياب د ، افت فشار
نانوسيال به سيال پايه نزديك مي شود.
دوان تانسوك و وونگ وايزز [ 4] مطالعه تجربي بر روي انتقال حرارت
جابجايي اجباري و افت فشار نانوسيال آب- اكسيدتيتانيوم در تبادل گ ر
حرارتي دولوله اي جريان مخالف تحت جريان مغشوش انجام دادند. غلظت
21 بو د. نتايج آنها nm 0% و قطر ذرات حدود / حجمي اين نانوسيال 2
نشان داد كه استفاده از نانوسيال مقدار كمي باعث افزايش افت فشار
مي شود. اخيراً نيز فوتوكيان و همكاران [ 5] افت فشار و انتقال حرارت
نانوسيال آب- اكسيدمس را در داخل لوله دايروي با شرايط مرزي دما ثابت
%0/ براي جريان مغشوش بررسي كردند. غلظت حجمي نانوسيال كمتر از 3
بود. آنها مشاهده كردند كه افت فشار جريان لزوماً با افزايش غلظت
نانوذرات افزايش نمي يابد و بيشترين افزايش در افت فشار حدود 20 % براي
0% ارائه شده است . آنها همچنين نتيجه / نانوسيال با غلظت حجمي 03
گرفتند كه بايد غلظت اپتيمم براي هر نانوسيال پيدا شود تا انتقال حر ارت
بيشتر و افت فشار كمتر را سبب شود.
در دهه هاي اخير نيز تلاش هاي بسياري براي توسعه تكنيك هاي افزايش
انتقال حرارت مانند وسايل درون لوله اي نظير سي م پيچ براي بالا بردن
[7- عملكرد تبادل گر هاي حرارتي انجام گرفته است. گارسيا و همكاران [ 6
در دو تحقيق خود به بررسي افزايش انتقال حرارت و ضريب اصطكاك در
لوله با سيم پيچ در جريان هاي آرام، انتقالي و مغشوش با اعداد پرانتل
مختلف و به صورت تجربي پرداختند. سيال مورد استفاده آنها آب و تركيب
آب- پروپيلن گليكول در دماهاي مختلف، بود. آنها از 6 سيم پيچ با هندسه
متفاوت استفاده كردند و مشاهده كردند كه در جريان آرام ضريب
اصطكاك بين 5% تا 40 % افزايش مي يابد. همچنين نتايج آنها نشان داد كه
در جريان مغشوش، سيم پيچ ها افت فشار را تا 9 برابر و انتقال حرارت را تا
4 برابر در مقايسه با لوله صاف افزايش مي دهند.
ICHVAC2- دومين كنفرانس بين المللي گرمايش، سرمايش و تهويه مطبوع 1027
اخيراً نيز اخوان بهابادي و هم كاران [ 8] يك مطالعه تجربي در زمينه
افزايش انتقال حرارت و افت فشار جريان آرام روغن موتور در لوله افقي با
استفاده از سيم پيچ گزارش نموده اند. آنها از هفت سيم پيچ با گام هاي 12 تا
3 ميليمتر استفاده كردند . آنها / 2 تا 5 / 69 ميليمتر و قطر سيم هاي بين 0
گزارش دادند كه افزايش اصطكاك در دبي هاي پائين كم بوده و با بالا رفتن
دبي، اغتشاش بوجود آمده در جريان باعث رشد سريع آن م ي گرد د. به
عنوان نمونه، ميزان افزايش ضريب اصطكاك براي لوله با سيم پيچ به قطر
سيم 2 ميليمتر و گام 28 ميليمتر حدود 34 % مي باشد كه در مقابل
افزايش انتقال حرارت 220 % ناچيز است.
در مطالعه حاضر به بررسي تأثير استفاده از نانوسيال روغن پايه-
اكسيدمس در افزايش انتقال حرارت جابجايي اجباري و افت فشار درون
لولههاي صاف و با استفاده از سيم پيچ مي پردازيم. دليل اصلي براي فراهم
ساختن نانوسيال روغن پايه- اكسيدمس اين است كه ذرات اكسيد مس به
عنوان افزودني به روغن موتور به منظور كاهش حرارت قسمت هاي بسيار
داغ موتور استفاده مي شوند. همچنين اين ذرات به دليل شكل كروي خود
داراي خواص ضد سايش نيز مي باشند. براي بررسي بهتر رفتار ذرات اكسيد
بكار گرفته شد. (SN- مس، روغن بدون افزودني ( 500
دستگاه آزمايش
براي بررسي افت فشار تحت شرايط مرزي شار ثابت يك سيستم آزمايشي
مطابق شكل 1 طراحي و ساخته شد. سيستم آزمايشي متشكل از يك مدار
براي جريان روغن پايه و يا نانوسيال مربوطه ميباشد كه از بخشهاي
متفاوتي براي اندازهگيري دما، فشار، دبي و نيز واحدهاي سرمايش و تنظيم
دبي جريان سيال تشكيل شده است. اندازه گيري افت فشار توسط يك
كه براي محدوده (PMD- دستگاه اندازه گيري اختلاف فشار با دقت بالا ( 75
0- ) كاليبره شده است، انجام مي گيرد. اين دستگاه به دو سر 150 kPa)
لوله مورد آزمايش مطابق شكل 1 متصل مي گردد.
dP
AC Power Supply
T1 T8 T2 T7 T4 T3 T5 T6
Pressure gauge
Heat Exchanger
Test Section
Cooling Water In
Cooling
Water Out
Flow Rate
Measuring
Section
Gear Pump
Reflux Line
Reservoir
PreCooling Set
Main Line
Termocouple
Electrical
Coil Heater
Isolator
شكل 1: نماي شماتيك دستگاه آزمايش
همان طور كه اشاره شد، آزمايش بر لوله هاي مسي افقي با سيم پيچ كه
تحت شار حرارتي ثابت قرار دارد، انجام مي گيرد. مشخصات لوله هاي
و قطر ،(p) گام سي مپيچ ،(d) مجهز به سيم پيچ شامل: قطر داخلي لوله
در جدول 1 آمده است. (e) سيم
شار حرارتي لازم توسط المنت هاي الكتريكي كه به طور يكنواخت به دور
لوله پيچيده شده است تامين ميشود و ميزان گرماي المن تها توسط
ديمرهاي صنعتي تنظيم ميگردد. براي جلوگيري از اتلاف حرارت المنت ها
به محيط، لوله به طور كامل عايق شده است. همچنين براي خواندن
استفاده PT دماهاي بالك ورودي و خروجي از دو ترموكوپل مقاومتي 100
شده است كه هركدام به نمايشگرهاي مخصوص به خود وصل شد هاند و
0/1 را دارند. oC قابليت خواندن دما با دقت
جدول 1: مشخصات و ابعاد لوله هاي مجهز به سيم پيچ
p/d p/e
e
(mm)
p
(mm)
d
(mm)
No.
WC1 14 25 1/2 1/79 20/83
WC2 14 30 1/2 2/14 25
WC3 14 35 1/2 2/5 29/17
WC4 14 30 1/5 2/14 20
WC5 14 30 0/9 2/14 33/33
جمع آوري داده ها
ابتدا، تمامي داده ها براي جريان روغن پايه و نانوسيالات مختلف در درون
لوله صاف جمع آوري شده اند. اين داده ها براي مقايسه با لوله هاي با
سيم پيچ توسط دستگاه آزمايش بدست آمده ان د. پس از آن، داد ه ها براي
لوله هاي با سيم پيچ جمع آوري شدند. محدوده پارمترهاي اعمال شده در
اين تحقيق در زير آورده شده اند:
• نانوسيال روغن پايه- اكسيدمس
2 درصد ،1 ،0/5 ،0/ • درصد جرمي نانوسيالات 2
9900 ،6200 ، • شار حرارتي (وات بر مترمربع) 3000
120 - • عدد رينولدز 10
2/5 ،2/14 ،1/ • نسبت گام سيم پيچ به قطر لوله 79
0/107 ،0/086 ،0/ • نسبت قطر سيم به قطر لوله 064
1/ • طول لوله مورد آزمايش (متر) 2
0/059 - 0/ • نرخ دبي جرمي (كيلوگرم بر ثانيه) 01
نتايج و بحث
در اين قسمت نتايج آزمايشات جريان روغن پايه خالص و نانوسيال درون
لوله صاف و لول ه هاي با سي م پيچ ارائه مي شود . تاثير عواملي چون
شارحرارتي يكنواخت اطراف لوله، عدد رينولدز و همچنين غلظت نانوذرات
بر افزايش افت فشار، تحت بررسي قرار خواهند گرفت. همانطور كه پيش تر
نيز اشاره شد، با افزايش شار حرارتي، دماي ميانگين سيال افزايش مييابد
و در اثر آن، ويسكوزيته روغن و نانوسيال-كه بستگي بسياري به دما دارند-
به شدت كاهش مي يابد.
در شكل 2 تغييرات افت فشار جريان روغن پايه خالص و نانوسيال 2 درصد
برحسب عدد رينولدز در لوله صاف تحت شارهاي مختلف آورده شده است.
همانطور كه از اين شكل ديده مي شود براي همه شارهاي حرارتي يك روند
مشابه در افزايش افت فشار با عدد رينولدز ديده مي شود، يعني در يك شار
حرارتي ثابت، با افزايش عدد رينولدز افت فشار افزايش م ييابد.
همچنين با افزايش شار حرارتي بدليل كم شدن ويسكوزيته روغن، ميزان
افت فشار كاهش پيدا مي كند. همانطور كه مي دانيم، تغييرات دماي روغن
رابطه شديدي با ويسكوزيته آن دارد و زماني كه شار حرارتي بالا مي رود،
دماي ميانگين بالك سيال بالا مي رود و ويسكوزيته روغن ب ه مقدار قابل
توجهي كاهش مي يابد. بنابراين، نيروي درگ اصطكاكي و تنش برشي
ICHVAC2- دومين كنفرانس بين المللي گرمايش، سرمايش و تهويه مطبوع 1027
ديواره بتدريج افزايش مي يابد و پروفيل دمايي در لوله بيشتر تخت مي شود
و در نتيجه آن افت فشار در شارهاي بالاتر نسبت به زماني كه شار حرارتي
پائين تر است، كمتر مي باشد.
شكل 2: مقايسه تغييرات افت فشار برحسب عدد رينولدز در لوله صاف تحت
شارهاي مختلف براي روغن پايه و نانوسيال 2 درصد جرمي
اين شكل همچنين نشان مي دهد كه جريان نانوسيال نيز با تغييرات شار
حرارتي روند مشابهي را طي مي كند، اما افت فشار آن نسبت به سيال پايه
بيشتر است. كاملاً مشهود است كه افزايش افت فشار در رينولدزهاي پائين
كمتر است. همينطور افزايش افت فشار براي نانوسيال 2 درصد در مقايسه
با روغن پايه خالص در يك رينولدز ثابت ، براي شارهاي پائين بيشتر از
شارهاي بالاتر است، بدين ترتيب كه افزايش افت فشار اين نانوسيال در
11 % و براي شار حرارتي / شار حراتي 3000 وات بر مترمربع حدود 5
10 % نسبت به سيال پايه در رينولدز حدود / 9900 وات بر مترمربع حدود 2
100 مي باشد.
مقادير افت فشار اندازه گيري شده در لوله صاف براي روغن پايه خالص و
نانوسيالات اكسيدمس- روغن پايه برحسب عدد رينولدز براي پائين ترين
شار حرارتي در شكل 3 ترسيم شده است.
شكل 3: تغييرات افت فشار برحسب عدد رينولدز براي روغن پايه و نانوسيالات
مختلف در شار حرارتي 3000 وات بر مترمربع
همانطور كه در شكل 3 ديده مي شو د، در رينولد ز هاي پائين تمامي
غلظت هاي نانوسيال افت فشار تقريباً برابري را ايجاد م ي كنند، اما در
رينولدزهاي بالاتر ديده مي شود كه افزايش غلظت نانوسيال به 2 درصد
جرمي مقدار كمي باعث افزايش افت فشار نسبت به ساير غلظ ت ها
مي گردد.
در نهايت مي توان بدين صورت نتيجه گرفت كه نانوسيال حتي در
0 درصد جرمي افت فشار را مي افزاي د و در / غلظت هاي پائين يعني 2
غلظت هاي بالا اندكي بيشتر است . در واقع ذرات جامد معلق در سيال
عموماً ويسكوزيته ديناميكي را نسبت به سيال پايه افزايش م يدهد و مقدار
بالاتر ويسكوزيته باعث افزايش مقدار افت فشار مي گرد د. دليل ديگر كه
باعث افزايش افت فشار نانوسيالات مي شود ممكن است حركات نامنظم و
انتقال نانوذرات در سيال پايه كه باعث اغتشاش بيشتر مي گردد، باشد. اين
دليل توجيه مي كند كه چرا در دبي هاي بالا، نرخ افزايش افت فشار بيشتر
است، در حالي كه در دبي هاي پائين، افت فشار روغن پايه مقدار ناچيزي
كمتر از نانوسيالات است.
شكل 4 تغييرات افت ف شار را بر حسب عدد رينولدز در لوله صاف و
لوله هاي با سيم پيچ تحت شار حرارتي ثابت 6200 وات بر مترمربع براي
جريان آرام روغن پايه خالص نشان مي دهد.
شكل 4: تغييرات افت فشار با عدد رينولدز براي روغن پايه در لوله صاف و لوله هاي
با سيم پيچ تحت شار حرارتي 6200 وات بر مترمربع
در شكل 4 آشكار است كه ازدياد عدد رينولدز افت فشار را م ي افزايد و
ميزان اين افزايش در رينولدز هاي بالا بيشتر است. همانطور كه از اين شكل
مشخص است افت فشار با افزايش قطر سيم و كاهش گام سيم پيچ، افزايش
مي يابد. در شرايط اين تحقيق اثر افزايش قطر سيم نسبت به كاهش گام
سيم پيچ، تاثير بيشتري بر افزايش افت فشار دارد . اين افزايش براي
43 % و براي سيم پيچ با / حدود 9 (WC سيم پيچ با بالاترين قطر سيم ( 3
32 % در عدد رينولدز حدود 90 مي باشد. / حدود 9 (WC كمترين گام ( 5
در شكل 5 تغييرات افت فشار جريان روغن پايه خالص و نانوسيال 2 درصد
جرمي در لوله صاف و لوله هاي با سيم پيچ تحت شار حرارتي ثابت 6200
وات بر متر مربع آورده شده است.
همانطور كه در شكل 5 ديده مي شود، افت فشار نانوسيال زماني كه در
لوله هاي با سيم پيچ جريان دارد، بتدريج با بالا رفتن عدد رينولدز نسب
به لوله صاف افزايش مي يابد. اين روند براي تمامي سيم پيچ ها مشاهده
مي گردد. همچنين همانند روغن پايه، در اينجا نيز با افزايش قطر سيم و
كاهش گام سيم پيچ ضريب اصطكاك افزايش پيدا مي كند و بيشترين مقدار
(WC ضريب اصطكاك براي سيم پيچ سوم با بزرگترين قطر سيم ( 3
مشاهده مي شود. در نهايت افزايش 63 درصدي افت فشار براي جريان
ICHVAC2- دومين كنفرانس بين المللي گرمايش، سرمايش و تهويه مطبوع 1027
(WC نانوسيال 2 درصد جرمي در لوله با سيم پيچ با بيشترين قطر سيم ( 3
مشاهده شده است.
شكل 5: تغييرات افت فشار با عدد رينولدز براي نانوسيال 2 درصد جرمي در لوله
صاف و لول ههاي با سي مپيچ تحت شار حرارتي 6200 وات بر مترمربع
براي درك بهتر تأثير نانوذرات و سيم پيچ، تغييرات افت فشار جريان روغن
پايه و نانوسيالات با غلظت هاي مختلف برحسب عدد رينولدز در لوله صاف
تحت شار حرارتي ثاب ت (WC و لوله با سيم پيچ با بالاترين قطر سيم ( 3
6200 وات بر مترمربع در شكل 6 آورده شده است.
شكل 6: تغييرات افت فشار برحسب عدد رينولدز براي روغن پايه و نانوسيا ل 2
درصد جرمي در لوله صاف و لول ه با سيم پيچ تحت شار ثابت 3000 وات بر مترمربع
همان طور كه در اين شكل مشاهده مي شود، نانوسيالات در لوله با سيم پيچ
افت فشار را كمتر نسبت به لوله صاف، حتي در بالاترين غلظت، افزايش
مي دهند. شايان ذكر است كه غلظت نانوسيال باعث افزايش اندك افت
فشار در لوله با سيم پيچ مي گردد. اين روند براي ساير سيم پيچ ها نيز
مشاهده شده است. افزايش افت فشار براي جريان نانوسيال 2 درصد جرمي
نسبت به جريان روغن پايه در لوله با (WC در لوله با سيم پيچ سوم ( 3
همين سيم پيچ، تقريباً 10 % در عدد رينولدز حدود 90 مي باش د كه اين
% افزايش براي جريان همين نانوسيال در لوله صاف نسبت به روغن پايه 15
مي باشد
نتيجه گيري
نتايج زير از اين مطالعه بدست آمد:
1. افزايش شار حرارتي باعث كاهش افت فشار و همچنين نرخ افزايش افت
فشار مي گردد، اما افت فشار در رينولدز هاي بالا در شارهاي پائين بيشتر
افزايش پيدا م يكند.
2. با افزايش دبي كه نتيجه آن افزايش عدد رينولدز مي باشد، افت فشار
روندي صعودي دارد كه اين رويه در تمام شارها و در هر غلظت
نانوسيال در لوله صاف و لوله با سيم پيچ قابل مشاهده است.
3. در لوله صاف، حضور نانوذرات باعث افزايش افت فشار جريان روغن پايه
ميگردد و اين ميزان افزايش افت فشار با افزايش غلظت جرمي
نانوذرات، تا حدي افزايش مي ياب د. چنين روندي در تمام شارهاي
آزمايش شده، قابل مشاهده است.
4. نانوذرات در لوله با سيم پيچ تاثير كمتري بر افت فشار نسبت به لوله
صاف دارند.
5. بيشترين افزايش افت فشار، در آزمايشات مربوط به نانوسيال با غلظت
است (WC جرمي 2 درصد براي لوله با سيم پيچ با بالاترين قطر سيم ( 3
كه 63 % افزايش در عدد رينولدز حدود 90 مشاهده شده است.
تقدير و تشكر
نويسندگان اين مقاله از شركت بهينه سازي مصرف سوخت كشور
و دانشكده فني دانشگاه تهران به منظور حمايت هاي مالي، كه (IFCO)
در ساخت دستگاه آزمايش، تهيه نانودرات و انجام اين تحقيق داشت هاند،
تشكر و سپاسگزاري مي نمايند.
مراجع
1. Choi, S.U.S., "Enhancing thermal conductivity of
fluids with nanoparticles", 1995, Developments
and Applications of Non-Newtonian Flows FEDVol.
231/MD-Vol. 66, ASME, New York, pp. 99–
105.
2. Xuan, Y., and Q. Li, "Investigation on convective
heat transfer and flow features of nanofluids",
2003, Journal of Heat Transfer, Vol. 125, pp. 151-
155.
3. G.H Ko, K.H, K. Lee, D.S Kim, C. Kim, Y. Sohn
and M. Choi, "An experimental study on the
pressure drop of nanofluids containing carbon
nanotubes in a horizontal tube", 2008, Wear 265,
pp.422-428.
4. W. Duangthongsuk and Wongwises, S, "Heat
transfer enhancement and pressure drop
characteristics of TiO2–water nanofluid in a
double-tube counter flow heat exchanger, 2009,
International Journal of Heat and Mass Transfer,
Vol. 52, pp. 2059-2067.
5. Fotukian, S.M. and Nasr Esfahany, M.,
"Experimental study of turbulent convective heat
transfer and pressure drop of dilute CuO/water
nanofluid inside a circular tube", 2010,
International communication in heat and mass
transfer, Vol. 37, pp. 214-219.
ICHVAC2- دومين كنفرانس بين المللي گرمايش، سرمايش و تهويه مطبوع 1027
6. García, Alberto, Vicente, Pedro G. and Viedma,
Antonio, "Experimental study of heat transfer
enhancement with wire coil inserts in laminartransition-
turbulent regimes at different Prandtl
numbers", 2005, International Journal of Heat and
Mass Transfer, Vol. 48, pp. 4640-4651.
7. García, Alberto, Solano, Juan P., Vicente, Pedro
G. and Viedma, Antonio, "Enhancement of
laminar and transitional flow heat transfer in tubes
by means of wire coil inserts", 2007, International
Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp.
3176-3189.
8. Akhavan-Behabadi, M.A., Kumar, Ravi,
Salimpour, M.R., and Azimi, R., "Pressure drop
and heat transfer augmentation due to coiled wire
inserts during laminar flow of oil inside a
horizontal tube", 2010, International Journal of
Thermal Sciences, Vol. 49, pp. 373-379.