بررسي عددي عدد ناسلت و ضريب اصطكاك در هيتر كماني شكل موتور استرلينگ

A numerical investigation of Nusselt number and friction coefficient in an arc-type Stirling engine heater

در دنياي امروز استفاده از موتورهاي استرلينگ در صنايع فضايي، زيردريايي‌ها و سيستم‌هاي همزمان توليد حرارت و توان، نياز به تحليل دقيق‌تر اين موتورها را افزايش مي‌دهد. موتور استرلينگ يك موتور احتراق خارجي است كه حرارت مورد نياز جهت كاركرد خود را به وسيله هيتر از يك منبع حرارتي خارجي مي‌گيرد به همين علت بحث انتقال حرارت در آن داراي اهميت زيادي مي‌باشد. در اين مقاله عدد ناسلت و ضريب اصطكاك در جريان رفت و برگشتي در مبدل حرارتي يك موتور استرلينگ به صورت عددي مورد مطالعه قرار گرفته است. مبدل حرارتي مورد مطالعه، يك هيتر است كه لوله‌هاي آن به شكل كماني هستند. پارامترهاي مختلفي جهت بررسي مقدار انتقال حرارت و يا ضريب اصطكاك در اين هيتر انتخاب شده‌اند. پنج پارامتر انتخاب شده عبارتند از: فركانس زاويه‌اي، جنس سيال، فشار گاز كاري، رژيم جريان و هندسه هيتر. با افزايش فركانس زاويه‌اي و فشار گاز كاري، مقدار عدد ناسلت افزايش مي‌يابد و همچنين ضريب اصطكاك كاهش مي‌يابد. تاثير سيال‌هاي كاري مختلف مانند كربن دي اكسيد، هوا و هليوم مورد بحث قرار گرفت. كربن دي اكسيد داراي بيشترين عدد ناسلت نسبت به بقيه سيال‌ها مي‌باشد و رابطه‌اي براي عدد ناسلت كربن دي اكسيد و هوا، ارايه شده است. همچنين عدد ناسلت و ضريب اصطكاك با تغيير رژيم جريان مورد بررسي قرار گرفته است. مقايسه‌اي نيز بين دو هيتر با هندسه عصايي و كماني انجام شده است كه نشان مي‌دهد انتقال حرارت در هيتر با هندسه كماني بيش‌تر از هندسه عصايي است و ضريب اصطكاك آن دو بسيار نزديك به هم است.

The usages of Stirling engine in many industries such as aerospace, submarines and combined heat and power systems, requires more and detailed analysis in such engines. This type of engine is an external combustion which may use almost any type of fuel. In this article the Nusselt number and friction coefficient of a Stirling engine heat exchanger is investigated numerically. The geometry of this heat exchanger is an arc shape pipe with reciprocating flow. Various parameters such as angular frequencies, type of fluids, working gas pressures, flow regime and heater geometry impact on the Nusselt number and friction coefficient of the heater were investigated. By increasing the angular frequency and the working gas pressure the Nusselt number increases but the friction coefficient decreases. The influences of different working fluids indicated that carbon dioxide has the highest Nusselt number. The results also show that the friction coefficient is highly dependent on the flow regime. Comparison between the two different geometry type heaters shows that the arc-type geometry led to higher Nusselt number. The friction coefficients of both geometries are almost similar to each other at high frequencies.