مطالعه عددي انتقال حرارت جابجايي طبيعي دي‌اكسيد كربن فوق بحراني در لوله عمودي با استفاده از معادله حالت چند پارامتري اسپن و وگنر

Numerical study of natural convection heat transfer to supercritical carbon dioxide in a vertical tube using Span and Wagner multi-parameter equation of state

سيال فوق بحراني به دليل دارا بودن خصوصيات منحصربه‌فرد سال‌هاست كه در برخي از صنايع به‌منظور افزايش كارايي فرآيندها جايگزين سيال غير بحراني شده و از زمان شناختش مورد مطالعات آزمايشگاهي، عددي و تحليلي متعددي قرارگرفته است. در اين پژوهش فرآيند انتقال حرارت جابجايي طبيعي آرام بين لوله داغ دما ثابت عمودي و دي‌اكسيد كربن فوق بحراني به‌طور عددي شبيه‌سازي‌شده است. مدل‌سازي اين فرآيند به‌صورت دوبعدي شبه گذرا و با استفاده از روش حجم محدود انجام‌گرفته است. هدف اصلي پژوهش بررسي اثر تغييرات خواص سيال فوق بحراني نزديك دماي شبه بحراني آن بر ميدان سرعت و دماي سيال در انتقال حرارت جابجايي طبيعي و درنهايت تأثير اين تغييرات بر ميزان كل انتقال حرارت صورت گرفته به سيال نسبت به حالت غير بحراني است. مدلسازي فرآيند انتقال حرارت بين دماهاي 305 تا 312 كلوين و فشارهاي 7.5 تا 9 مگا پاسكال انجام‌شده است. در اين تحقيق به‌منظور محاسبهي خواص دي‌اكسيد كربن در شرايط مختلف براي اولين بار از معادله حالت چند پارامتري اسپن و وگنر برحسب انرژي هلمهولتز به‌طور مستقيم استفاده‌شده است. نتايج به‌دست‌آمده نشان‌دهنده افزايش نرخ انتقال حرارت جابجايي آزاد به دي‌اكسيد كربن در حالت فوق بحراني نسبت به فرض گاز ايده آل تا 160% در نزديكي نقطه شبه بحراني و در ديگر نقاط افزايش تا 118% است.

Supercritical fluids have substituted non-super critical fluids in some areas of industry because of their unique characteristics and have been the subject of numerous experimental, numerical and analytic studies since their discovery. In this study laminar natural convection between a hot vertical tube with constant temperature and supercritical carbon dioxide with uniform temperature at inlet is simulated by utilizing a numerical model. The simulation is a two-dimensional, pseudo-transient numerical model based on finite volume method. The main objective of this study is to investigate and analyze the effect of severe property variations of supercritical carbon dioxide on the flow and temperature field of natural convection that ultimately affect heat transfer rates with respect to non-critical natural convection. Numerical simulations have been carried out for temperature and pressure ranges of 305K to 312K and 7.5MPa to 9MPa respectively. Span and Wagner’s multi-parameter equation of state have been used directly to determine carbon dioxide properties around pseudo critical temperature for the first time. Results indicate an increased rate of total heat transfer up to 160% near pseudo-critical temperature and 118% in other temperatures for supercritical natural convection with respect to ideal gas assumption.