بررسي عددي جريان و انتقال حرارت فروسيال در مبدل حرارتي دولوله‌اي

Numerical investigation of ferrofluid flow and heat transfer characteristics through a double pipe heat exchanger

در اين مقاله، رفتار حرارتي و هيدروديناميكي نانوسيال مغناطيسي (آب و 4% اكسيد آهن) در يك مبدل حرارتي دولوله‌اي مستقيم افقي، تحت ميدان مغناطيسي غيريكنواخت متقاطع با شدت‌هاي متفاوت به صورت عددي بررسي شده است. فروسيال به عنوان سيال گرم درون لوله داخلي و هوا به عنوان سيال سرد در لوله بيروني درنظر گرفته شده و هر دو سيال در رژيم جريان آرام با جرياني غير همسو هستند. ميدان مغناطيسي ذكر شده توسط سيم حامل جريان الكتريسيته ايجاد مي‌شود كه به موازات طولي مبدل و در فاصله‌اي مشخص و نزديك به لوله داخلي (بين دولوله) قرار مي‌گيرد. از مدل تكفازي و روش حجم محدود براي حل اين مسيله استفاده شده است. اثرات ميدان مغناطيسي با نوشتن كدهايي به زبان C++، به معادلات حاكم بر جريان فروسيال در نرم‌افزار انسيس فلوينت 14 اضافه شده است. اعمال ميدان مغناطيسي غيريكنواخت متقاطع باعث ايجاد نيروي كلوين در جهت عمود بر جريان فروسيال مي‌شود كه پروفيل سرعت محوري را تغيير داده و در نهايت با ايجاد يك جفت گردابه، منجر به افزايش عدد ناسلت، ضريب اصطكاك پوسته‌اي و افت فشار فروسيال مي‌شود. با مقايسه درصد افزايش عدد ناسلت، ضريب اصطكاك و افت فشار مشخص مي‌شود كه مقدار بهينه عدد مغناطيس براي در محدوده و قرار دارد. در نتيجه با اعمال ميدان مغناطيسي متقاطع غيريكنواخت ناشي از سيم حامل جريان الكتريسيته مي‌توان جريان فروسيال را كنترل كرده و فرايند خنك كاري فروسيال در مبدل حرارتي دولوله‌اي را بهبود بخشيد.

This study attempts to numerically investigate the hydro-thermal characteristics of a ferrofluid (water and 4 vol % Fe3O4) in a counter-current horizontal double pipe heat exchanger, which is exposed to a non-uniform transverse magnetic field with different intensities. The magnetic field is generated by an electric current going through a wire located parallel to the inner tube and between two pipes. The single phase model and the control volume technique have been used to study the flow. The effects of magnetic field have been added to momentum equation by applying C++ codes in Ansys Fluent 14. The results show that applying this kind of magnetic field causes kelvin force to be produced perpendicular to the ferrofluid flow, changing axial velocity profile and creating a pair of vortices which leads to an increase in Nusselt number, friction factor and pressure drop. Comparing the enhancement percentage of Nusselt number, friction factor and pressure drop demonstrates that the optimum value of magnetic number for Reff =50 is between Mn=1.33×106 and Mn=2.37×106. So applying non-uniform transverse magnetic field can control the flow of ferrofluid and improve heat transfer process of double pipe heat exchanger.