تحليل عددي انتقال حرارت جريان آشفته رفت و برگشتي در مبدل حرارتي موتور استرلينگ

Numerical Analysis of Heat Transfer in Turbulent Reciprocating Flow in Stirling Engine Heat Exchanger

تحليل جريان رفت و برگشتي به دليل ماهيت متفاوت آن نسبت به جريان يك جهته، داراي اهميت است. يكي از كاربردهاي مهم جريان رفت و برگشتي، در مبدل موتور استرلينگ است. در اين پژوهش، تحليل عددي سه بعدي جريان رفت و برگشتي در مبدل موتور استرلينگ در بازه وسيعي از دامنه بالاي نوسانات جابجايي سيال (100-20) و فركانس‌هاي بالا (130-30 هرتز) و فشار كاري سيال (5/11-25/5 بار) انجام شده است. جريان در اين مبدل، تراكم پذير و آشفته در نظر گرفته شده، ضمن بررسي خصوصيات جريان و تاثير آن بر انتقال حرارت در مبدل، اثر تغيير فركانس، دامنه جابجايي سيال، فشار كاري و نوع سيال جهت بهبود انتقال حرارت بررسي شده است. با اين تغييرات مشخص شد كه افزايش فركانس نوسان سيال، افزايش فشار سيال و افزايش جابجايي بي بعد سيال، موجب بهبود انتقال حرارت در مبدل موتور مي شود. نتايج نشان مي دهد كه افزايش هشتاد درصدي در جابجايي بي بعد سيال، فركانس نوساني سيال و فشار كاري سيال به ترتيب به ميزان 14، 9 و20 درصد، عدد ناسلت متوسط را افزايش مي دهد. مشخص مي شود كه با جايگزيني گاز هيدروژن به جاي هليوم، 48 درصد به عدد ناسلت متوسط افزوده مي شود.

Analysis of the reciprocating flow is significant due to the different natures of this flow. An application of the reciprocating flow is in the heat exchangers of Stirling engines. Most research works have considered the laminar flow, which is not appropriate for Stirling engines. In this study, a 3D numerical simulation of the reciprocating flow in the heat exchanger of a Stirling engine is performed in a wide range of non-dimensional flow displacements (20-100), frequencies (30-130 Hz), and working pressures (5.25-11.5 bar). The flow is considered compressible and turbulent. The characteristic of heat transfer in the heat exchanger, effect of variation in oscillation frequency, working pressure, and working fluid are studied. It was found that increasing the kinetic Reynolds number, working pressure, and non-dimensional flow displacement increased the heat transfer in a heat exchanger engines. In a ST500 Stirling engine, it was observed that 80 percent increases in the non-dimensional flow displacement, oscillation frequency, and working pressure enhanced the Nusselt number by 14, 9, and 20 percent, respectively. By replacing the hydrogen gas with helium, a 48 percent increase in the heat transfer was observed.