تعيين نسبت‌هاي قطري داراي كمترين توليد آنتروپي در يك مبدل حرارتي حفره اي زمينگرمايي با شبيه سازي عددي جريان سيال و انتقال حرارت

Determination of Diameter Ratios for Minimum Entropy Generation in a Borehole Geothermal Heat Exchanger using Numerical Simulation of Flow and Heat Transfer

در اين مقاله، نسبت‌هاي قطري كه در آن‌ها توليد آنتروپي كمينه مي‌شود، براي شرايط مختلف در يك مبدل حرارتي زمين گرمايي هم محور به دست آمده است. براي اين منظور، انتقال حرارت و جريان آشفته داخل مبدل شبيه‌سازي شده است. در شبيه سازي جريان آشفته، از مدل SST k-? استفاده گرديده است. با محاسبه افت فشار در نسبت قطرهاي مختلف، كمترين افت فشار و اتلاف اصطكاكي در نسبت قطر 7/0 به دست آمده است. نتايج به دست آمده براي توزيع دماي جريان سيال در راستاي عمق نشان مي دهد كه با افزايش مقاومت حرارتي ديواره دروني، دماي سيال خروجي افزايش مي يابد. توليد آنتروپي كل براي نسبت قطر هاي مختلف و با مقاومت‌هاي حرارتي گوناگونِ ديواره دروني به دست آمده است و تغييرات نسبت قطر، داراي كمترين توليد آنتروپي نسبت به مقاومت حرارتي ديواره دروني ارايه شده است. نتايج نشان مي دهد كه با افزايش مقاومت حرارتي ديواره مياني، نسبت قطر ي داراي كمترين توليد آنتروپي بزرگتر خواهد بود. از طرف ديگر، كاهش ضريب انتقال حرارت در ديواره بيروني و افزايش ضريب انتقال حرارت در ديواره مياني نامطلوب است. با افزايش مقاومت حرارتي ديواره مياني، در نسبت قطرهاي بيشتر، اين تاثير نامطلوب در هر دو ديواره كمتر مي شود.

In this work, the diameter ratio of a geo-thermal borehole heat exchanger is determined in a manner that the entropy generation is minimized. For this purpose, the heat transfer and fluid flow in the heat exchanger are simulated. The SST k-? model is used to model the turbulent flow. The pressure loss calculation for different diameter ratios of the heat exchanger shows that for a diameter ratio of 0.7, the total pressure loss is minimum. The results of the bulk flow temperature show that the outlet temperature increases at a higher heat resistance of the internal wall. The total entropy generation for different diameter ratios at different heat resistance of the internal wall are also presented, and the diameter ratios for minimum entropy generation are determined. The results obtained show that when the heat resistance of the internal wall increases, a minimum entropy generation occurs at higher diameter ratios. On the other hand, reduction in the heat transfer coefficient of the outer wall and the increment in the heat transfer coefficient of the internal wall are not favorable. The increment in heat resistance of the internal wall at higher diameter ratios of the heat exchanger reduces both of these unfavorable effects.