دانلود پایان نامه ارشد : مدل‌سازي جريان و انتقال حرارت دو فاز در لوله گرمايي با صفحات لانه‌زنبوري

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسي مکانيک

گرایش : تبديل انرژي

عنوان : مدل‌سازي جريان و انتقال حرارت دو فاز در لوله گرمايي با صفحات لانه‌زنبوري

دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده مهندسي مکانيک

پايان‌نامه دوره کارشناسي ارشد

گرايش

تبديل انرژي

عنوان پايان‌نامه

مدل‌سازي جريان و انتقال حرارت دو فاز در لوله گرمايي با صفحات لانه‌زنبوري

اساتيد راهنما:

دکتر سيروس آقانجفي

دکتر محمدرضا شاه‌نظري


زمستان 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(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)

چکيده

استفاده از لوله گرمايي براي صفحات لانه‌زنبوري در اين پايان‌نامه بررسي شده است. در اين راستا توزيع دما در ديواره لوله گرمايي استوانه‌اي استخراج‌شده و براي سه سيال به‌طور جداگانه موردبررسي و مقايسه قرار گرفته است. امروزه صفحات لانه‌زنبوري به دليل دارا بودن نسبت سختي به جرم بالا کاربردهاي گسترده‌اي در صنايع فضايي و سازه‌هاي ماهواره‌اي يافته‌اند. يکي از مهم‌ترين مشخصه‌هاي طراحي ماهواره کنترل دماي آن و جلوگيري از به وجود آمدن نقاط گرم در آن است که اين مورد نياز به هدايت گرمايي مناسبي را براي سازه‌هاي استفاده‌شده در ماهواره طلب مي‌کند. علي‌رغم مزيت ذکرشده براي صفحات لانه‌زنبوري، اين صفحات ازنقطه‌نظر هدايت گرمايي ضعيف هستند و بنابراين نياز به طراحي سازوکار مناسبي جهت کنترل دما در اين سازه‌ها وجود دارد. يکي از راهکارهاي افزايش هدايت گرمايي استفاده از لوله گرمايي در اين صفحات است. لوله‌هاي گرمايي به‌طور گسترده در ميکروالکترونيک، ذخيره انرژي گرمايي و تهويه استفاده‌شده و حل مدل تحليلي آن موجود و قابل پياده‌سازي است. پياده‌سازي لوله‌هاي گرمايي در صفحات لانه‌زنبوري اشاره‌شده با در نظر گرفتن مشخصات منحصربه‌فرد آن و حل مدل رياضي آن به‌منظور کنترل دما هدف از انجام اين پايان‌نامه است. به اين منظور ابتدا معادلات حاکم رياضي که منجر به معادلات ديفرانسيل پاره‌اي مي‌شود، براي حل دوبعدي و سه‌بعدي به دست مي‌آيند. به‌منظور پياده‌سازي اين معادلات براي صفحه لانه‌زنبوري لازم است تا شرايط مرزي مطابق با شرايط اين صفحات تعيين گشته تا معادلات ذکرشده در اين شرايط محيطي حل گردند. نهايتاً به‌منظور حل معادلات ديفرانسيلي پاره‌اي با شرايط مرزي مشخص‌شده، روش حل عددي Coupled و SIMPLEC پيشنهاد و پياده‌سازي شده است و پس از اطمينان از صحت مدل‌سازي‌ها، مابقي نتايج شبيه‌سازي به کمک آناليز مقايسه‌اي در محيط نرم‌افزار راستي آزمايي شده‌اند. نتيجه شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد که کاهش تخلخل در صفحه لانه‌زنبوري منجر به کاهش اختلاف دما مي‌شود. همچنين تغيير پوشش روي صفحه لانه‌زنبوري و افزايش ضريب صدور در کاهش حداکثر دماي صفحه لانه زنبوري از تغيير جرم کل صفحات تاثیرگذارتر است.

 

واژه‌هاي کليدي: صفحات ساندويچي لانه‌زنبوري، لوله‌هاي گرمايي، شبيه‌سازي عددي، کنترل دما.

 

 

فهرست مطالب

عنوان                                            صفحه

 

فهرست جداول.. ذ‌

فهرست شکل‌ها ر‌

فهرست علايم و اختصارات… س‌

فصل 1-    مقدمه. 1

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

1-2-   شرح موضوع. 2

1-3-   اهميت موضوع. 4

1-4-   مرور ادبيات موضوع. 4

فصل 2-    تئوري و معادلات حاکم.. 21

2-1-   مقدمه… 21

2-2-   لوله گرمايي.. 21

2-2-1-    محدوديت فتيله. 26

2-2-2-   محدوديت کشيدگي.. 27

2-2-3-    محدوديت صوتي 27

2-2-4-    محدوديت جوشش…. 28

2-3-   محيط متخلخل.. 29

2-3-1-    جريان سيال تک فاز و انتقال.. 30

2-3-2-    بقاي جرم سيال.. 30

2-3-3-    قانون دارسي.. 31

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

2-4-1-    معادله مايع-فتيله. 32

2-4-2-    فصل مشترک مايع-بخار 33

2-4-3-    منطقه بخار 35

2-4-4-    معادله انرژي.. 35

2-5-   صفحات ساندويچي لانه‌زنبوري.. 36

2-5-1-    ساختارهاي لانه‌زنبوري.. 37

2-5-2-    هسته لانه‌زنبوري.. 38

2-5-3-    کاربردهاي ساختارهاي ساندويچي.. 38

2-5-4-    هدايت در صفحات لانه‌زنبوري.. 38

فصل 3-     روش مدل‌سازي.. 40

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

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

3-3-   شرايط مرزي و خواص سيال کاري.. 40

3-4-   روش حل.. 43

3-5-   الگوريتم حل.. 44

3-6-    معيار همگرايي.. 44

3-7-   مدل صفحات لانه‌زنبوري.. 44

3-8-   هندسه مسئله. 45

3-9-   الگوريتم حل.. 46

3-10- شرايط مرزي.. 46

فصل 4-    روش حل با نرم‌افزار 47

4-1-   تنظيمات لازمه براي حل قسمت اول.. 47

4-2-   تنظيمات لازمه براي حل مسئله لانه‌زنبوري.. 51

فصل 5-    نتايج.. 55

5-1-   مقدمه………… 55

5-2-   بررسي شبکه توليدشده لوله گرمايي.. 55

5-3-   ارزيابي شبيه‌سازي.. 56

5-4-   حل مسئله براي سيالات مختلف… 57

5-5-   نتايج به‌دست‌آمده براي صفحات لانه‌زنبوري به همراه لوله گرمايي.. 62

5-5-1-    بررسي تأثير ضريب جابه‌جايي بر دماي صفحات لانه‌زنبوري.. 67

فصل 6-     نتيجه‌گيري و پيشنهادها 71

6-1-   پيشنهادها 72

فهرست منابع و مآخذ. 73

فهرست جداول

عنوان                                            صفحه

جدول ‏2‑1 محدوده دما و شار گرمايي براي سيالات کاري و ديواره لوله ]43[ 24

جدول ‏2‑2 پارامترهاي معمول فتيله لوله گرمايي ]43[ 25

جدول ‏2‑3 ابعاد لوله گرمايي.. 40

جدول ‏2‑4 خواص سيالات کاري استفاده‌شده در دماي50 درجه سانتي‌گراد  42

جدول ‏2‑5 مشخصات صفحه لانه‌زنبوري شبيه‌سازي‌شده.. 45

جدول ‏2‑6 ابعاد لوله گرمايي در صفحه لانه‌زنبوري.. 45

جدول ‏2‑7 خواص سيال کاري آمونياک در 17 درجه سانتي‌گراد.. 45

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

جدول ‏5‑2 اختلاف دما در دو سر لوله گرمايي و افت فشار در ناحيه مايع-فتيله براي سيالات مختلف… 62

جدول ‏5‑3 مقدار تخلخل متناظر با هدايت‌هاي گرمايي.. 66

جدول ‏5‑4 حداکثر دما براي ضريب جابه‌جايي‌هاي مختلف… 70

فهرست شکل‌ها

عنوان                                            صفحه

شکل ‏1‑1 قسمت‌هاي مختلف يک لوله گرمايي ]43[ 2

شکل ‏1‑2 لوله گرمايي حلقوي ]19[ 2

شکل ‏1‑3 لوله گرمايي داخل صفحه لانه‌زنبوري.. 4

شکل ‏2‑1 ضريب M براي سيالات مختلف]43[ 26

شکل ‏2‑2 محدوديت‌هاي لوله گرمايي]43[ 28

شکل ‏2‑3 حجم ميانگين‌گيري شده]43[ 30

شکل ‏2‑4 نمايي از صفحه ساندويچي با هسته لانه‌زنبوري ]41[ 37

شکل ‏2‑5 هسته لانه‌زنبوري.. 38

شکل ‏2‑6 جهت جانبي و عرضي ]44[ 39

شکل ‏2‑7 وضعيت قرارگيري مرزها در محدوه حل.. 41

شکل ‏2‑8 شرايط مرزي مدل.. 41

شکل ‏2‑9 شرايط مرزي و هندسه حل براي مدل صفحه لانه‌زنبوري.. 44

شکل ‏4‑1 منوي معرفي و تعيين خواص مواد.. 48

شکل ‏4‑2 منوي Cell Zone Condition. 48

شکل ‏4‑3 تعيين شرط مرزي Mass Flow Rate براي ورود به ناحيه بخار  48

شکل ‏4‑4 شرط مرزي Mass Flow Inlet براي خروج از ناحيه بخار 49

شکل ‏4‑5 چگونگي انتخاب روش حل.. 49

شکل ‏4‑6 تنظيمات لازم براي ناحيه فتيله. 50

شکل ‏4‑7 تعيين خواص براي هسته لانه‌زنبوري.. 51

شکل ‏4‑8 ماتريس تعيين مقدار هدايت گرمايي.. 52

شکل ‏4‑9 شرايط مرزي براي صفحه لانه‌زنبوري.. 52

شکل ‏4‑10 انتخاب نوع شرط مرزي.. 53

شکل ‏4‑11 تعيين شرط مرزي عايق.. 53

شکل ‏4‑12 قرار دادن شرط مرزي جابه‌جايي.. 54

شکل ‏5‑1  بررسي استقلال از شبکه براي مدل به‌دست‌آمده.. 55

شکل ‏5‑2 مقايسه نتايج به‌دست‌آمده با نتايج تجربي.. 57

شکل ‏5‑3 تغييرات فشار در ناحيه بخار 57

شکل ‏5‑4 نمودار افت فشار در ناحيه مايع براي آمونياک.. 58

شکل ‏5‑5 نمايش بردار سرعت در ناحيه بخار براي آمونياک… 58

شکل ‏5‑6 نمودار تغييرات سرعت در ناحيه بخار براي آمونياک… 59

شکل ‏5‑7 نمودار تغييرات دما در ديواره لوله گرمايي براي آمونياک… 59

شکل ‏5‑8 نمودار دماي ديواره لوله گرمايي با سيال استون.. 60

شکل ‏5‑9 نمودار فشار در ناحيه مايع-فتيله براي استون.. 60

شکل ‏5‑10 نمودار دما در ديواره لوله گرمايي براي آب… 61

شکل ‏5‑11 نمودار فشار در ناحيه مايع-فتيله براي آب… 61

شکل ‏5‑12 کانتور دما براي صفحه لانه‌زنبوري با هدايت گرمايي 1 w/m k. 63

شکل ‏5‑13نمودار دما در ديواره لوله گرمايي براي هدايت گرمايي 1w/m k. 63

شکل ‏5‑14 کانتور دما براي صفحه لانه‌زنبوري با هدايت گرمايي 2.5 w/m k. 64

شکل ‏5‑15 نمودار دما در ديواره لوله گرمايي براي هدايت گرمايي 2.5 w/m k. 64

شکل ‏5‑16 کانتور دما براي صفحه لانه‌زنبوري با هدايت گرمايي 5 w/m k. 65

شکل ‏5‑17 نمودار دما در ديواره لوله گرمايي براي هدايت گرمايي 5w/m k. 65

شکل ‏5‑18 نمودار اختلاف دما برحسب هدايت گرمايي.. 66

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

شکل ‏5‑20  کانتور دما براي صفحه لانه‌زنبوري با ضريب جابه‌جايي 0.76w/m2 K.. 67

شکل ‏5‑21 نمودار دماي ديواره لوله گرمايي براي ضريب جابه‌جايي 0.76w/m2 K.. 68

شکل ‏5‑22کانتور دما براي صفحه لانه‌زنبوري با ضريب جابه‌جايي1.03 w/m2 K. 68

شکل ‏5‑23 نمودار دماي ديواره لوله گرمايي براي صفحه لانه‌زنبوري با ضريب جابه‌جايي 1.03w/m2 K.. 69

شکل ‏5‑24 کانتور دما براي صفحه لانه‌زنبوري با ضريب جابه‌جايي1.17 w/m2 K. 69

شکل ‏5‑25 نمودار دماي ديواره لوله گرمايي براي صفحه لانه‌زنبوري با ضريب جابه‌جايي 1.17 w/m2 K.. 70

فهرست علايم و اختصارات

عنوان                                    علامت اختصاري

(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 گرمايي به دليل توانايي ويژه در انتقال گرما بدون اتلاف قابل‌توجه، يکي از يافته‌هاي مهم مهندسي انتقال گرما در قرن بيستم است. کاربرد اصلي لوله‌هاي گرمايي در ارتباط با مسائل حفاظت زيست‌محيطي و صرفه‌جويي سوخت و انرژي است.

لوله‌هاي گرمايي دستگاه‌هاي انتقال گرماي دو فاز هستند که فرآيند تبديل مايع به بخار و برعکس بين اواپراتور و چگالنده با هدايت گرمايي بالا انجام مي‌شود. به دليل ظرفيت بالاي انتقال حرارت، مبادله‌کن‌هاي گرمايي با لوله گرمايي بسيار کوچک‌تر از مبادله‌کن‌هاي سنتي هستند. به کمک سيال کاري موجود در لوله گرمايي، گرما مي‌تواند در اواپراتور جذب و به ناحيه چگالنده حمل شود که در آنجا با آزاد شدن گرما به محيط سرد، بخار چگاليده مي‌شود. فن‌آوري لوله گرمايي کاربردهاي فزاينده‌اي در افزايش عملکرد حرارتي مبادله‌کن‌هاي گرما در ميکروالکترونيک، ذخيره انرژي گرمايي، تهويه و دستگاه‌هاي تهويه اتاق عمل، اتاق‌هاي تميز و بخش‌هاي صنعتي ديگر شامل تکنولوژي انواع مختلف راکتورهاي هسته‌اي و صنايع فضايي دارد. لوله‌هاي گرمايي ساختاري جامع دارند که دست‌يابي به هدايت گرمايي بسيار بالا با کمک جريان دو فاز با گردشي مويين را ممکن مي‌سازد. يک لوله گرمايي با کمک رژيم جريان دو فاز به‌عنوان سيستم تبخيري-چگالش کار مي‌کند که براي انتقال گرمايي که همان گرماي نهان تبخير است، در فاصله‌هاي طولاني با اختلاف دماي کوچک به کار مي‌رود. گرمايي که به اواپراتور اضافه مي‌شود، به سيال کاري از طريق هدايت انتقال مي‌يابد و موجب تبخير سيال کاري در سطح ساختار مويين مي‌شود. تبخير موجب افزايش فشار محلي بخار در اواپراتور و جريان بخار به سمت چگالنده مي‌شود که به‌وسيله گرماي نهان تبخير حمل مي‌گردد. ازآنجاکه انرژي در چگالنده استخراج مي‌شود، بخاري که در سطح ساختار مويين چگاليده مي‌شود، گرماي نهان را آزاد مي‌کند. مزيت لوله‌هاي گرمايي به نسبت روش‌هاي معمول ديگر، هدايت گرمايي بالا در حالت پايا است؛ بنابراين، لوله گرمايي مي‌تواند مقدار زيادي گرما را با اختلاف دماي کم در طول‌هايي نسبتاً زياد حمل کند. لوله‌هاي گرمايي با سيال کاري فلزي مي‌توانند هدايت حرارتي چند هزار برابر يا حتي جند ده هزار برابر گرما مانند نقره و مس داشته باشد. لوله‌هاي گرمايي مي‌توانند در گستره وسيعي از دماها با انتخاب سيال کاري مناسب استفاده شود. در شکل (1-1) يک نمونه از لوله‌هاي گرمايي نشان داده‌شده است. لوله‌هاي گرمايي علاوه بر نوع ساده انواع مختلفي دارند مانند لوله گرمايي حلقوي[1] و مسطح، در شکل (1-2) يک نمونه از لوله گرمايي حلقوي را نشان مي‌دهد.

تعداد صفحه : 106

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               serderehi@gmail.com

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.

--  --