دانلود پایان نامه ارشد : مدل‌سازی جریان و انتقال حرارت دو فاز در لوله گرمایی با صفحات لانه‌زنبوری

دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده مهندسی مکانیک

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد

گرایش

تبدیل انرژی

عنوان پایان‌نامه

مدل‌سازی جریان و انتقال حرارت دو فاز در لوله گرمایی با صفحات لانه‌زنبوری

اساتید راهنما:

دکتر سیروس آقانجفی

دکتر محمدرضا شاه‌نظری

زمستان 1393

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

استفاده از لوله گرمایی برای صفحات لانه‌زنبوری در این پایان‌نامه بررسی شده است. در این راستا توزیع دما در دیواره لوله گرمایی استوانه‌ای استخراج‌شده و برای سه سیال به‌طور جداگانه موردبررسی و مقایسه قرار گرفته است. امروزه صفحات لانه‌زنبوری به دلیل دارا بودن نسبت سختی به جرم بالا کاربردهای گسترده‌ای در صنایع فضایی و سازه‌های ماهواره‌ای یافته‌اند. یکی از مهم‌ترین مشخصه‌ های طراحی ماهواره کنترل دمای آن و جلوگیری از به وجود آمدن نقاط گرم در آن است که این مورد نیاز به هدایت گرمایی مناسبی را برای سازه‌های استفاده‌شده در ماهواره طلب می‌کند. علی‌رغم مزیت ذکرشده برای صفحات لانه‌زنبوری، این صفحات ازنقطه‌نظر هدایت گرمایی ضعیف هستند و بنابراین نیاز به طراحی سازوکار مناسبی جهت کنترل دما در این سازه‌ها وجود دارد. یکی از راهکارهای افزایش هدایت گرمایی استفاده از لوله گرمایی در این صفحات است. لوله‌های گرمایی به‌طور گسترده در میکروالکترونیک، ذخیره انرژی گرمایی و تهویه استفاده‌شده و حل مدل تحلیلی آن موجود و قابل پیاده‌سازی است. پیاده‌سازی لوله‌های گرمایی در صفحات لانه‌زنبوری اشاره‌شده با در نظر گرفتن مشخصات منحصربه‌فرد آن و حل مدل ریاضی آن به‌منظور کنترل دما هدف از انجام این پایان‌نامه است. به این منظور ابتدا معادلات حاکم ریاضی که منجر به معادلات دیفرانسیل پاره‌ای می‌شود، برای حل دوبعدی و سه‌بعدی به دست می‌آیند. به‌منظور پیاده‌سازی این معادلات برای صفحه لانه‌زنبوری لازم است تا شرایط مرزی مطابق با شرایط این صفحات تعیین گشته تا معادلات ذکرشده در این شرایط محیطی حل گردند. نهایتاً به‌منظور حل معادلات دیفرانسیلی پاره‌ای با شرایط مرزی مشخص‌شده، روش حل عددی Coupled و SIMPLEC پیشنهاد و پیاده‌سازی شده است و پس از اطمینان از صحت مدل‌سازی‌ها، مابقی نتایج شبیه‌سازی به کمک آنالیز مقایسه‌ای در محیط نرم‌افزار راستی آزمایی شده‌اند. نتیجه شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که کاهش تخلخل در صفحه لانه‌زنبوری منجر به کاهش اختلاف دما می‌شود. همچنین تغییر پوشش روی صفحه لانه‌زنبوری و افزایش ضریب صدور در کاهش حداکثر دمای صفحه لانه زنبوری از تغییر جرم کل صفحات تاثیرگذارتر است.

واژه‌های کلیدی: صفحات ساندویچی لانه‌زنبوری، لوله‌های گرمایی، شبیه‌سازی عددی، کنترل دما.

فهرست مطالب

عنوان                                            صفحه

فهرست جداول.. ذ‌

فهرست شکل‌ها ر‌

فهرست علایم و اختصارات… س‌

فصل 1-    مقدمه. 1

1-1-   مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………………………………………..1

1-2-   شرح موضوع. 2

1-3-   اهمیت موضوع. 4

1-4-   مرور ادبیات موضوع. 4

فصل 2-    تئوری و معادلات حاکم.. 21

2-1-   مقدمه… 21

2-2-   لوله گرمایی.. 21

2-2-1-    محدودیت فتیله. 26

2-2-2-   محدودیت کشیدگی.. 27

2-2-3-    محدودیت صوتی 27

2-2-4-    محدودیت جوشش…. 28

2-3-   محیط متخلخل.. 29

2-3-1-    جریان سیال تک فاز و انتقال.. 30

2-3-2-    بقای جرم سیال.. 30

2-3-3-    قانون دارسی.. 31

2-4-   معادلات حاکم بر لوله گرمایی.. 31

2-4-1-    معادله مایع-فتیله. 32

2-4-2-    فصل مشترک مایع-بخار 33

2-4-3-    منطقه بخار 35

2-4-4-    معادله انرژی.. 35

2-5-   صفحات ساندویچی لانه‌زنبوری.. 36

2-5-1-    ساختارهای لانه‌زنبوری.. 37

2-5-2-    هسته لانه‌زنبوری.. 38

2-5-3-    کاربردهای ساختارهای ساندویچی.. 38

2-5-4-    هدایت در صفحات لانه‌زنبوری.. 38

فصل 3-     روش مدل‌سازی.. 40

3-1-   مقدمه  ……………………………………………………………………………………………………………………………………..40

3-2-   هندسه لوله گرمایی و محدوده محاسبه. 40

3-3-   شرایط مرزی و خواص سیال کاری.. 40

3-4-   روش حل.. 43

3-5-   الگوریتم حل.. 44

3-6-    معیار همگرایی.. 44

3-7-   مدل صفحات لانه‌زنبوری.. 44

3-8-   هندسه مسئله. 45

3-9-   الگوریتم حل.. 46

3-10- شرایط مرزی.. 46

فصل 4-    روش حل با نرم‌افزار 47

4-1-   تنظیمات لازمه برای حل قسمت اول.. 47

4-2-   تنظیمات لازمه برای حل مسئله لانه‌زنبوری.. 51

فصل 5-    نتایج.. 55

5-1-   مقدمه………… 55

5-2-   بررسی شبکه تولیدشده لوله گرمایی.. 55

5-3-   ارزیابی شبیه‌سازی.. 56

5-4-   حل مسئله برای سیالات مختلف… 57

5-5-   نتایج به‌دست‌آمده برای صفحات لانه‌زنبوری به همراه لوله گرمایی.. 62

5-5-1-    بررسی تأثیر ضریب جابه‌جایی بر دمای صفحات لانه‌زنبوری.. 67

فصل 6-     نتیجه‌گیری و پیشنهادها 71

6-1-   پیشنهادها 72

فهرست منابع و مآخذ. 73

فهرست جداول

عنوان                                            صفحه

جدول ‏2‑1 محدوده دما و شار گرمایی برای سیالات کاری و دیواره لوله ]43[ 24

جدول ‏2‑2 پارامترهای معمول فتیله لوله گرمایی ]43[ 25

جدول ‏2‑3 ابعاد لوله گرمایی.. 40

جدول ‏2‑4 خواص سیالات کاری استفاده‌شده در دمای50 درجه سانتی‌گراد  42

جدول ‏2‑5 مشخصات صفحه لانه‌زنبوری شبیه‌سازی‌شده.. 45

جدول ‏2‑6 ابعاد لوله گرمایی در صفحه لانه‌زنبوری.. 45

جدول ‏2‑7 خواص سیال کاری آمونیاک در 17 درجه سانتی‌گراد.. 45

جدول ‏5‑1 خواص آب در 76 درجه سانتی‌گراد. 56

جدول ‏5‑2 اختلاف دما در دو سر لوله گرمایی و افت فشار در ناحیه مایع-فتیله برای سیالات مختلف… 62

جدول ‏5‑3 مقدار تخلخل متناظر با هدایت‌های گرمایی.. 66

جدول ‏5‑4 حداکثر دما برای ضریب جابه‌جایی‌های مختلف… 70

فهرست شکل‌ها

عنوان                                            صفحه

شکل ‏1‑1 قسمت‌های مختلف یک لوله گرمایی ]43[ 2

شکل ‏1‑2 لوله گرمایی حلقوی ]19[ 2

شکل ‏1‑3 لوله گرمایی داخل صفحه لانه‌زنبوری.. 4

شکل ‏2‑1 ضریب M برای سیالات مختلف]43[ 26

شکل ‏2‑2 محدودیت‌های لوله گرمایی]43[ 28

شکل ‏2‑3 حجم میانگین‌گیری شده]43[ 30

شکل ‏2‑4 نمایی از صفحه ساندویچی با هسته لانه‌زنبوری ]41[ 37

شکل ‏2‑5 هسته لانه‌زنبوری.. 38

شکل ‏2‑6 جهت جانبی و عرضی ]44[ 39

شکل ‏2‑7 وضعیت قرارگیری مرزها در محدوه حل.. 41

شکل ‏2‑8 شرایط مرزی مدل.. 41

شکل ‏2‑9 شرایط مرزی و هندسه حل برای مدل صفحه لانه‌زنبوری.. 44

شکل ‏4‑1 منوی معرفی و تعیین خواص مواد.. 48

شکل ‏4‑2 منوی Cell Zone Condition. 48

شکل ‏4‑3 تعیین شرط مرزی Mass Flow Rate برای ورود به ناحیه بخار  48

شکل ‏4‑4 شرط مرزی Mass Flow Inlet برای خروج از ناحیه بخار 49

شکل ‏4‑5 چگونگی انتخاب روش حل.. 49

شکل ‏4‑6 تنظیمات لازم برای ناحیه فتیله. 50

شکل ‏4‑7 تعیین خواص برای هسته لانه‌زنبوری.. 51

شکل ‏4‑8 ماتریس تعیین مقدار هدایت گرمایی.. 52

شکل ‏4‑9 شرایط مرزی برای صفحه لانه‌زنبوری.. 52

شکل ‏4‑10 انتخاب نوع شرط مرزی.. 53

شکل ‏4‑11 تعیین شرط مرزی عایق.. 53

شکل ‏4‑12 قرار دادن شرط مرزی جابه‌جایی.. 54

شکل ‏5‑1  بررسی استقلال از شبکه برای مدل به‌دست‌آمده.. 55

شکل ‏5‑2 مقایسه نتایج به‌دست‌آمده با نتایج تجربی.. 57

شکل ‏5‑3 تغییرات فشار در ناحیه بخار 57

شکل ‏5‑4 نمودار افت فشار در ناحیه مایع برای آمونیاک.. 58

شکل ‏5‑5 نمایش بردار سرعت در ناحیه بخار برای آمونیاک… 58

شکل ‏5‑6 نمودار تغییرات سرعت در ناحیه بخار برای آمونیاک… 59

شکل ‏5‑7 نمودار تغییرات دما در دیواره لوله گرمایی برای آمونیاک… 59

شکل ‏5‑8 نمودار دمای دیواره لوله گرمایی با سیال استون.. 60

شکل ‏5‑9 نمودار فشار در ناحیه مایع-فتیله برای استون.. 60

شکل ‏5‑10 نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای آب… 61

شکل ‏5‑11 نمودار فشار در ناحیه مایع-فتیله برای آب… 61

شکل ‏5‑12 کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با هدایت گرمایی 1 w/m k. 63

شکل ‏5‑13نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای هدایت گرمایی 1w/m k. 63

شکل ‏5‑14 کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با هدایت گرمایی 2.5 w/m k. 64

شکل ‏5‑15 نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای هدایت گرمایی 2.5 w/m k. 64

شکل ‏5‑16 کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با هدایت گرمایی 5 w/m k. 65

شکل ‏5‑17 نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای هدایت گرمایی 5w/m k. 65

شکل ‏5‑18 نمودار اختلاف دما برحسب هدایت گرمایی.. 66

شکل ‏5‑19 نمودار اختلاف دما برحسب تخلخل.. 67

شکل ‏5‑20  کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی 0.76w/m² K.. 67

شکل ‏5‑21 نمودار دمای دیواره لوله گرمایی برای ضریب جابه‌جایی 0.76w/m² K.. 68

شکل ‏5‑22کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی1.03 w/m2 K. 68

شکل ‏5‑23 نمودار دمای دیواره لوله گرمایی برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی 1.03w/m² K.. 69

شکل ‏5‑24 کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی1.17 w/m2 K. 69

شکل ‏5‑25 نمودار دمای دیواره لوله گرمایی برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی 1.17 w/m² K.. 70

فهرست علایم و اختصارات

عنوان                                    علامت اختصاری

(m²) مساحت فصل مشترک

(J/kg K) گرمای ویژه فاز مایع

(J/kg K) گرمای ویژه فاز بخار

(m) قطر سیم

(m) قطر هیدرولیکی

(J/kg) آنتالپی ویژه کل

(J/kg) گرمای نهان تبخیر

(w/m²k) ضریب انتقال گرما

i                                                                                                       (kJ) انرژی داخلی

(w/m k) هدایت گرمایی موثر فتیله اشباع

K                                                                                                        (m²) نفوذپذیری

(w/m k) ضریب هدایت گرمایی هسته لانه‌زنبوری

(w/m k) هدایت حرارتی مایع

(w/m k) ضریب هدایت گرمایی فلز لانه‌زنبوری

(w/m k) ضریب هدایت گرمایی جامد

(w/m k) ضریب هدایت گرمایی بخار

(w/m k) هدایت حرارتی فتیله

(m) طول قسمت آدیاباتیک

(m) طول قسمت چگالنده

(m) طول قسمت تبخیرکننده

(kg/s) نرخ جریان جرمی در فصل مشترک

(kg/s π) نرخ جریان جرمی در واحد رادیان در قسمت تبخیرکننده در فصل مشترک مایع-بخار

(kg/s π) نرخ جریان جرمی در واحد رادیان در قسمت آدیاباتیک در فصل مشترک مایع-بخار

(kg/s π) نرخ جریان جرمی در واحد رادیان در قسمت چگالنده در فصل مشترک مایع-بخار

N تعداد مش فتیله

P,p                                                                                             (N/m²) فشار استاتیکی

(N/m²) فشار بخار اشباع

(N/m²) فشار بخار اشباع

(w/m²) شار گرمایی در سطح خارجی قسمت آدیاباتیک

(w/m²) شار گرمایی در سطح خارجی قسمت تبخیرکننده

(w/m²) شار گرمایی در سطح خارجی قسمت چگالنده

(w) گرمای ورودی بر واحد زمان در فصل مشترک مایع-بخار

(w) گرمای ورودی بر واحد زمان در فصل مشترک مایع-بخار در قسمت تبخیرکننده

(w) گرمای ورودی بر واحد زمان در فصل مشترک مایع-بخار در قسمت چگالنده

(w/m²) شار گرمایی تشعشعی

R                                                                                         (8.314J/mol K) ثابت گازها

(m) شعاع فصل مشترک مایع-بخار

r                                                                                                    (m) مختصه شعاعی

شعاع لوله موئین

(w/m³) عبارت منبع در قسمت آدیاباتیک

(w/m³) عبارت منبع در قسمت چگالنده

(w/m³) عبارت منبع در قسمت تبخیرکننده

(w/m³) عبارت منبع برای آنتالپی کل

T                                                                                                                   (K) دما

(K) دمای چاه گرمایی

(K) دمای مایع

(K) دمای جامد

(K) دمای بخار

(m) ضخامت فتیله

u                                                                                     (m/s) zسرعت در جهت محور

بردار سرعت

(m/s) سرعت در فصل مشترک مایع-بخار

v                                                                                                  (m/s)سرعت شعاعی

(m/s) سرعت فصل مشترک در فصل مشترک مایع بخار در ناحیه آدیاباتیک

(m/s) سرعت فصل مشترک در فصل مشترک مایع بخار در ناحیه تبخیرکننده

(m/s) سرعت فصل مشترک در فصل مشترک مایع بخار در ناحیه چگالنده

(m/s) سرعت مایع

(m/s) سرعت بخار

w                                                                                               (m/s) سرعت محوری

Weعدد وبر

z                                                                                                  (m) مختصه محوری

لزجت

چگالی

کشش سطحی

دلتا

زاویه بالا آمدن مایع با دیواره در طول لوله موئین

تخلخل صفحه لانه زنبوری

اپراتور دیورژانس

تخلخل فتیله

(kg/m³) چگالی هسته لانه‌زنبوری

(kg/m³) چگالی مایع

(kg/m³) چگالی فلز صفحه لانه‌زنبوری

(kg/m³) چگالی بخار

(Pa s) لزجت دینامیکی مایع

(Pa s) لزجت دینامیکی بخار

تفاضل جزئی

گرادیان فشار استاتیک در زمان

پی

تنش برشی

a آدیاباتیک

cچگالنده

eتبخیرکننده

effموثر

hآنتالپی کل

iفصل مشترک مایع-بخار

i,aفصل مشترک مایع-بخار برای قسمت آدیاباتیک

i,cفصل مشترک مایع-بخار برای قسمت چگالنده

i,eفصل مشترک مایع-بخار برای قسمت تبخیرکننده

s اشباع، جامد

lفاز مایع

v فاز بخار                                                                                                                 wسیم، فتیله

1-1-        مقدمه

لوله گرمایی به دلیل توانایی ویژه در انتقال گرما بدون اتلاف قابل‌توجه، یکی از یافته‌های مهم مهندسی انتقال گرما در قرن بیستم است. کاربرد اصلی لوله‌های گرمایی در ارتباط با مسائل حفاظت زیست‌محیطی و صرفه‌جویی سوخت و انرژی است.

لوله‌های گرمایی دستگاه‌های انتقال گرمای دو فاز هستند که فرآیند تبدیل مایع به بخار و برعکس بین اواپراتور و چگالنده با هدایت گرمایی بالا انجام می‌شود. به دلیل ظرفیت بالای انتقال حرارت، مبادله‌کن‌های گرمایی با لوله گرمایی بسیار کوچک‌تر از مبادله‌کن‌های سنتی هستند. به کمک سیال کاری موجود در لوله گرمایی، گرما می‌تواند در اواپراتور جذب و به ناحیه چگالنده حمل شود که در آنجا با آزاد شدن گرما به محیط سرد، بخار چگالیده می‌شود. فن‌آوری لوله گرمایی کاربردهای فزاینده‌ای در افزایش عملکرد حرارتی مبادله‌کن‌های گرما در میکروالکترونیک، ذخیره انرژی گرمایی، تهویه و دستگاه‌های تهویه اتاق عمل، اتاق‌های تمیز و بخش‌های صنعتی دیگر شامل تکنولوژی انواع مختلف راکتورهای هسته‌ای و صنایع فضایی دارد. لوله‌های گرمایی ساختاری جامع دارند که دست‌یابی به هدایت گرمایی بسیار بالا با کمک جریان دو فاز با گردشی مویین را ممکن می‌سازد. یک لوله گرمایی با کمک رژیم جریان دو فاز به‌عنوان سیستم تبخیری-چگالش کار می‌کند که برای انتقال گرمایی که همان گرمای نهان تبخیر است، در فاصله‌های طولانی با اختلاف دمای کوچک به کار می‌رود. گرمایی که به اواپراتور اضافه می‌شود، به سیال کاری از طریق هدایت انتقال می‌یابد و موجب تبخیر سیال کاری در سطح ساختار مویین می‌شود. تبخیر موجب افزایش فشار محلی بخار در اواپراتور و جریان بخار به سمت چگالنده می‌شود که به‌وسیله گرمای نهان تبخیر حمل می‌گردد. ازآنجاکه انرژی در چگالنده استخراج می‌شود، بخاری که در سطح ساختار مویین چگالیده می‌شود، گرمای نهان را آزاد می‌کند. مزیت لوله‌های گرمایی به نسبت روش‌های معمول دیگر، هدایت گرمایی بالا در حالت پایا است؛ بنابراین، لوله گرمایی می‌تواند مقدار زیادی گرما را با اختلاف دمای کم در طول‌هایی نسبتاً زیاد حمل کند. لوله‌های گرمایی با سیال کاری فلزی می‌توانند هدایت حرارتی چند هزار برابر یا حتی جند ده هزار برابر گرما مانند نقره و مس داشته باشد. لوله‌های گرمایی می‌توانند در گستره وسیعی از دماها با انتخاب سیال کاری مناسب استفاده شود. در شکل (1-1) یک نمونه از لوله‌های گرمایی نشان داده‌شده است. لوله‌های گرمایی علاوه بر نوع ساده انواع مختلفی دارند مانند لوله گرمایی حلقوی[1] و مسطح، در شکل (1-2) یک نمونه از لوله گرمایی حلقوی را نشان می‌دهد.

تعداد صفحه : 106

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        *       tez.21@chmail.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.