مطالعه عددي انتقال حرارت درون مبدل حرارتي دولوله‌اي آكنده از ماده متخلخل براي جريان سيال مغشوش

Numerical study of heat transfer in double-tube heat exchanger filled with porous material in a turbulent fluid flow

در مطالعه حاضر، انتقال حرارت درون يك مبدل حرارتي دولوله‏اي آكنده از ماده متخلخل فلزي بررسي شده ‏است. بر خلاف اكثر مطالعات پيشين موجود در اين زمينه، جريان سيال درون لوله‏هاي مبدل حرارتي مغشوش در نظر گرفته شده است كه با شرايط عملكردي واقعي اين مبدل ها در صنعت تطابق بيشتري دارد. معادلات جريان سيال و انتقال حرارت با استفاده از روش حجم محدود و با استفاده از الگوريتم سيمپل بر روي يك شبكه هم مكان گسسته شده‏اند. معادلات گسسته شده با نوشتن يك برنامه عددي در زبان فرترن حل گرديده و تاثير مشخصات ماده متخلخل و رينولدز جريان سيال بر روي انتقال حرارت در مبدل حرارتي دولوله‌اي مورد بررسي قرار مي گيرد. براساس نتايج و با بررسي مقدار تخلخل در محدوده‌ي 0.8 تا 0.95، قطر حفره ماده متخلخل از 1 تا 6 ميلي‌متر و جنس‌هاي مختلف ماده متخلخل مشاهده مي‌شود كه كاهش مقدار تخلخل، افزايش قطر حفره و استفاده ماده متخلخل از جنس مس (با ضريب هدايت حرارتي بالا)، انتقال حرارت را افزايش مي‌دهد. در بهترين حالت ضريب انتقال حرارت كلي مبدل حرارتي دولوله‌اي تا 7 برابر بهبود مي‌يابد. همچنين نتايج نشان مي‌دهد با تغيير عدد رينولدز جريان مغشوش از 10000 تا 80000 نسبت بهبود انتقال حرارت در مبدل حرارتي تغيير چنداني ندارد. معيار ارزيابي عملكرد كه اثرات همزمان افت توان پمپ و توان حرارتي را بررسي مي‌كند نيز نشان مي‌دهد كه سهم اتلاف توان پمپ در اثر استفاده از ماده متخلخل بالاست و براي كاهش آن مي‌توان قطر حفره ماده متخلخل را افزايش داد.

In present study, heat transfer in double-tube heat exchanger filled with metal porous material has been investigated. In contrast to most of the previous studies, fluid flow is considered turbulent in heat exchanger which is in good agreement with the practical performance of these exchangers in the industry. Fluid flow and heat transfer equations have been discretized on a collocated grid by means of finite volume method with simple algorithm. Discretized equations are solved with a numerical program in FORTRAN language in order to study the effect of porous material parameters and Reynolds of fluid flow on the heat transfer in double-tube heat exchanger. According to the results and analysis of porosity in the range of 0.8 to 0.95 as well as pore diameter of 1 mm up to 6 mm and diverse types of porous material, it is observed that the decrease in porosity, the increase in pore diameter and the use of copper porous material (with high heat conduction coefficient), increase heat transfer. In the best case, overall heat transfer coefficient increases up to 7 times. Moreover, the results reveal that the heat transfer enhancement ratio has no distinct difference with changing Reynolds number of turbulent flow in the range of 10000 to 80000. Performance evaluation criteria, which investigate the effects of pump lost power and thermal power, shows that with using porous material the value of the pump lost power is of major importance, and can be decreased by increasing the porous pore diameter.