عنوانصفحه
1-1-مقدمهای بر لوله ورتکس.. 2
1-2-برخی از کاربردهای لوله ورتکس.. 3
1-2-1-کاربردهای خنک ساز موضعی.. 4
1-2-2-کاربردهای گرما ساز موضعی.. 5
1-2-3-تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس.. 6
1-3-نظریههای رایج در مورد لوله ورتکس.. 7
1-4-1-تحلیل ترمودینامیکی سیستم لوله ورتکس.. 7
1-4-1-2-قانون اول ترمودینامیک.. 8
1-4-1-3-قانون دوم ترمودینامیک.. 9
1-4-2-راندمانهای سیستم لوله ورتکس[2].. 12
1-4-2-1-راندمانهای گرمایی برای سیستم لوله ورتکس.. 12
1-4-2-2-راندمان برای یک انبساط ایزنتروپیک کامل.. 13
هشت |
1-4-2-4-معیاری بر مبنای سیکل کارنو.. 14
2-2-3-2-توزیعهای سرعت در داخل لوله ورتکس.. 21
2-2-3-3-اثبات تجربی جریان گردشی ثانویه.. 22
2-3-1-انتقال حرارت اصطکاکی.. 25
2-4-مدل جریان صوتی در لوله ورتکس.. 27
2-5-مطالعات دینامیک سیالات محاسباتی.. 29
3-5-معادلات حاکم در بخش دینامیک سیالات محاسباتی.. 35
نه |
4-2-3-3-خطای منظم (سیستماتیک).. 48
4-2-3-4-خطای کاتوره ای(نامنظم).. 48
4-2-4-1-عدم قطعیت و آنالیز خطا.. 48
4-3-شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی.. 53
4-3-2-استفاده از نتایج تجربی.. 54
4-3-3-مدل دینامیک سیالات محاسباتی لوله ورتکس.. 54
4-3-5-مطالعه استقلال از شبکه.. 60
4-3-7-نتایج عملکرد مدل های توربولانسی.. 63
4-3-7-2-توزیع های سرعت مماسی ،و محوری .... 72
4-3-7-4-کانتورهای عدد ماخ.. 74
4-3-10-عملکرد شبکه با ساختار نامنظم.. 82
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
ده |
گسسته سازی معادلات CFD حاکم.. 88
رویکرد حل در نرمافزار Ansys CFX 14.5. 91
نمایش نتایج در پس پردازنده.. 95
یازده |
شکل 1‑1: طرحی از یک نمونه لوله ورتکس [3]. 3
شکل 1‑2: لوله ورتکس تجاری ساخت شرکت Exair [3]. 4
شکل 1‑3تفنگ هوای سرد ساخت ITW Vortec [3]. 4
شکل 1‑4: کابین کنترل لوله ورتکس ساخت Exair [3]. 5
شکل 1‑5: توصیف خنک کاری کابین کنترل توسط لوله ورتکس [3]. 5
شکل 1‑6: خنکسازی لنز دوربین عکاسی توسط لوله ورتکس [3]. 5
شکل 1‑7: تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس ساخت P.A.Hilton Ltd [4]. 6
شکل 1‑8:تهویه مطبوع شخصی ساخت ITW Vortec [5]. 6
شکل 1‑9:حجم کنترل بصورت خطوط پر رنگ نشان دادهشده در شکل میباشد. 8
شکل 2‑1: طرحواره یک نمونه از لوله ورتکس جریان موافق. 17
شکل 2‑2: طرحواره لوله ورتکس با جریان گاز برگشتی[24]. 18
شکل 2‑5: نازلهای استفادهشده در کار دینسر و همکاران. a)دونازله b)چهار نازله c)6 نازله[28]. 20
شکل 2‑6تجهیزات آزمایشگاهی جهت اندازهگیری جریانهای داخلی در لوله ورتکس[2] 21
شکل 2‑9:a)جریانهای چرخشی محیطی و داخلی b)حلقههای محیطی و چرخشی ثانویه [6] 23
شکل 2‑10: طرحواره الگوی جریان در یک لوله ورتکس بر اساس نظریه انتقال حرارت اصطکاکی [1]. 26
شکل 2‑11: گردابه اجباری و گردابه آزاد [1]. 26
شکل 2‑12: دانسیته طیفی سیگنال صوتی به دست آمده توسط کوروساکا [26] 27
دوازده |
شکل 4‑1: تجهیزات لوله ورتکس مدل433R ساخت شرکت P.A.Hilton Ltdموجود در آزمایشگاه 45
شکل 4‑3: ابعاد هندسی لوله ورتکس به همراه نازل موجود در محفظه ورتکس 46
شکل 4‑5: نمودار فشار (کیلوپاسکال) خروجی سرد برحسب کسر سرد به همراه میله خطا 52
شکل 4‑6: نمودار راندمان آیزنتروپیک بر حسب کسر سرد به همراه میله خطا 52
شکل 4‑7: نمودار ضریب عملکرد به عنوان گرماساز و سرماسازبر حسب کسر سرد به همراه میله خطا. 53
شکل 4‑8: مدل دینامیک سیالات محاسباتی لوله ورتکس. 56
شکل 4‑9: نماهای مختلف از شبکه ایجاد شده با ساختار منظم. 58
شکل 4‑10: نمودار مطالعه استقلال از شبکه بر اساس اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد. 60
شکل 4‑11: المان شبکه مرحله 1. 61
شکل 4‑12: المان شبکه مرحله 6. 62
شکل 4‑13: استفاده از تکنیک انطباق شبکه. 62
شکل 4‑15: نمودار مقایسه ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل استاندارد و نتایج تجربی. 64
شکل 4‑16: نمودار ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل و نتایج تجربی. 64
شکل 4‑17: نمودار ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل و نتایج تجربی 65
شکل 4‑18: نمودار مقایسه راندمان ایزنتروپیک برحسب کسر سرد برای سه مدل توربولانسی و نتایج تجربی. 65
سیزده |
چهارده |
شکل 4‑43: توزیع سرعت مماسی برای مدل در و در فواصل از خروجی گرم. 73
شکل 4‑44: توزیع سرعت محوری برای مدل در و در فواصل از خروجی گرم. 73
شکل 4‑45: کانتور چگالی برای مدل در ...................................... 74
شکل 4‑46: کانتور چگالی برای مدل در ...................................... 74
شکل 4‑47: کانتور چگالی برای مدل در ...................................... 74
شکل 4‑52: خطوط جریان برای مدل در و .................... 77
شکل 4‑53: خطوط جریان برای مدل در و .................... 77
شکل 4‑54: خطوط جریان برای مدل در و .................... 78
شکل 4‑55: خطوط جریان برای مدل در و ..................... 78
شکل 4‑56: خطوط جریان برای مدل در و ...................... 78
شکل 4‑57: خطوط جریان برای مدل در و ...................... 78
شکل 4‑58: خطوط جریان برای مدل در و ...................... 79
شکل 4‑59: خطوط جریان برای مدل در و ....................... 79
شکل 4‑60: نمودار باقیمانده مربوط به جرم و ممنتوم برای مدل ...... 80
شکل 4‑61: نمودار باقیمانده مربوط به انتقال حرارت برای مدل ...... 81
شکل 4‑62: نمودار باقیمانده مربوط به توربولانس برای مدل ...... 81
شکل 4‑63: شبکه با تعداد 884957 سلول و ساختار نامنظم. 82
پانزده |
شکل 4‑64: نمودار باقیمانده جرم و ممنتوم مربوط به شبکه با ساختار نامنظم 83
شکل 4‑65: نمودار باقیمانده انتقال حرارت مربوط به شبکه با ساختار نامنظم 83
شکل 4‑66: نمودار باقیمانده مربوط به شبکه با ساختار نامنظم. 84
شکل پ‑1: ایجاد حجم کنترل در یک شبکه دو بعدی[52]. 88
شکل پ‑3: روند کلی حل نرمافزارCFX برای یک جریان تراکم پذیر، مغشوش و دائم با گرادیانهای دمایی. 92
شکل پ‑4: فلوچارت مربوط به فرایند انطباق شبکه[52]. 93
شکل پ‑5: ماژولهای نرمافزاری موجود در نرمافزارAnsys CFX14.5. 94
شانزده |
جدول 3‑1: مزایا و معایب مدل توربولانسی ..... 40
جدول 3‑2: مزایا و معایب مدل توربولانسی ...... 41
جدول 4‑1: نتایج تجربی به دست آمده در فشار و دمای ورودی به ترتیب 680 کیلوپاسکال و 290 درجه کلوین. 47
جدول 4‑3: مطالعه استقلال از شبکه. 61
جدول 4‑4: درصد خطای شبیه سازی با استفاه از سه مدل توربولانسی نسبت به نتایج اندازه گیری تجربی. 79
هفده |
مساحت سطح مقطع نازل های ورودی() |
|
سرعت صوت() |
|
ضریب عملکرد سرما ساز |
|
ضریب عملکرد پمپ گرمایی |
|
ضریب عملکرد کارنو |
|
ظرفیت حرارتی ویژه در فشار ثابت() |
|
ظرفیت حرارتی ویژه در حجم ثابت() |
|
قطر خروجی سرد لوله ورتکس(m) |
|
قطر لوله ورتکس(m) |
|
آنتالپی ویژه سکون() |
|
آنتالپی ویژه استاتیک() |
|
انرژی داخلی بر واحد جرم() |
|
انرژی جنبشی مغشوش |
|
طول لوله ورتکس(m) |
|
عدد ماخ |
|
دبی جرمی() |
|
بردار نرمال سطح |
|
فشار(Pa) |
|
فشار سکون(Pa) |
|
عدد پرانتل |
|
انرژی حرارتی() |
|
نرخ انتقال حرارت(w) |
|
مختصات قطبی |
|
ثابت ویژه گاز |
|
آنتروپی ویژه جریان() |
|
نرخ افزایش آنتروپی سیستم() |
|
نرخ تولید آنتروپی() |
|
دمای سکون() |
|
دمای استاتیک() |
|
زمان() |
|
بردار سرعت() |
|
مؤلفهی x بردار سرعت() |
|
مولفه x نوسانی بردار سرعت() |
|
مولفه x متوسط بردار سرعت() |
|
حجم() |
|
مؤلفهی y بردار سرعت() |
|
مولفه y نوسانی بردار سرعت() |
|
مولفه y متوسط بردار سرعت() |
|
سرعت متوسط در رابطه (3-8)() |
|
مؤلفهی z متوسط بردار سرعت() |
|
مؤلفهی z بردار سرعت() |
|
مؤلفهی z نوسانی بردار سرعت() |
|
توان(W) |
|
ارتفاع نسبت به مرجع() |
|
اختلاف دمای آیزنتروپیک |
|
ماکزیمم اختلاف دما بین گاز ورودی و گاز سرد |
نفوذ() |
|
نفوذ مغشوش موثر() |
|
ضریب اتمیسیته |
|
نرخ اتلاف مغشوش بر واحد جرم() |
|
لزجت() |
|
کسر سرد |
|
لزجت مغشوش موثر() |
|
لزجت مغشوش() |
|
لزجت سینماتیکی() |
|
لزجت سینماتیکی مغشوش() |
|
چگالی() |
|
نرخ تولید آنتروپی بی بعد شده |
|
راندمان کارنو |
|
تنش برشی ویسکوز() |
|
تنش برشی رینولدز() |
|
مقیاس زمانی معکوس مرتبط با مغشوش() |
|
مولفه y متوسط بردار سرعت() |
|
مؤلفهی z متوسط بردار سرعت() |
ورودی |
|
خروجی سرد |
|
خروجی گرم |
|
کارنو |
|
سرما ساز |
|
پمپ گرمایی |
|
محیط |
|
آیزنتروپیک |
|
نقاط انتگرال گیری |
لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکی است که فاقد قسمتهای متحرک بوده و یکی از تجهیزات مورد استفاده در سیستم تبرید میباشد، که در آن یک سیال پرفشار از طریق نازلهای ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب میشود بدین صورت میتوان دماهای تا 40- درجه سانتیگراد را ایجاد کرد. لوله ورتکس به عنوان خنکساز موضعی و گرماساز موضعی، دارای کاربرد وسیعی در صنعت میباشد که از آن جمله میتوان به مواردی چون: خنک کردن قالبهای تزریق پلاستیک، عملیات رطوبتزدایی گاز، عملیات آببندی حرارتی، خنک کردن کابین کنترل محفظههای الکتریکی خنکسازی لنزهای دوربین عکاسی، تنظیمات چسبها و لحیمها و خشک کردن جوهر روی برچسبها و بطریها اشاره کرد. اگرچه با وجود اینکه تاکنون مطالعات تجربی زیادی بر روی عملکرد لوله ورتکس صورت گرفته است اما همچنان فهم فیزیکی جریان و مکانیزم پدیده جدایش دمای گاز یا بخار عبوری از آن به دلیل پیچیدگی جریان و ناسازگاری نتایج تجربی به طور کامل استنباط نشده است. در این پایان نامه با هدف ثبت دماهای سرد و گرم ناشی از پدیده جدایش دما بر حسب کسر سرد ابتدا به بررسی تجربی عملکرد یک نمونه از تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس با مدل 433R ساخت شرکت P.A.Hilton واقع در بریتانیا پرداخته شده است. نتایج بررسی تجربی شامل نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم برحسب کسر سرد و همچنین نمودار فشار خروجی سرد برحسب کسر سرد میباشد. با استفاده از دمای استاتیک خروجی سرد و گرم نمودارهای ضرسب عملکرد گرماساز و سرماساز لوله ورتکس و همچنین راندمان آیزنتروپیک نیز با توجه به روابط موجود ارائه شده است. عدم قطعیت نتایج بررسی تجربی نیز با استفاده از رابطه تجربی هولمن محاسبه شده و به صورت میله خطا بر روی نمودارها رسم شده است. در ادامه با استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی موجود در نرم افزار ANSYS CFX14.5، شبیه سازی عددی جریان حالت دائم،تراکم پذیر و سه بعدی با ایجاد شبکه محاسباتی دارای ساختار منظم و ششوجهی، برروی هندسه لوله ورتکس فوق الذکر و با استفاده از مدل های مغشوشی چون استاندارد و انجام شده است. ضمن اینکه شرط مرزی ورودی و خروجی سرد اعمال شده، منطبق بر شرایط آزمایشگاهی می باشد در حالیکه در خروجی گرم از شرط مرزی مصنوعی استفاده شده است. مطالعه استقلال از شبکه نیز با تمرکز بر روی اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد لوله ورتکس به انجام رسیده است. شرح و چگونگی انجام پدیده جدایش دما و الگوی جریان به عنوان هدف شبیه سازی انجام شده در این پایان نامه مطرح نمی باشد. در پایان نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم، ضریب عملکرد و راندمان آیزنتروپیک ناشی از نتایج شبیه سازی عددی با نتایج بررسی تجربی مقایسه شده است. ضمن اینکه نتایج شبیهسازی عددی به صورت کانتورهای دمای استاتیک، دمای سکون، چگالی عدد ماخ توزیعهای سرعت و همچنین نمایش خطوط جریان با تمرکز بر روی موقعیت نقطه سکون و ناحیه شکلگیری جریان ثانویه نیز ارائه شده است.
کلمات کلیدی: لوله ورتکس، بررسی تجربی، دینامیک سیالات محاسباتی، جدایش دما، کسر سرد، مدل استاندارد، و ،
لوله ورتکس[1] که بعضاً با نامهایی چون لوله ورتکس رنک–هیلش یا لوله رنک-هیلش شناخته میشود اختراع مبتکرانه ایست که ایده آن توسط دو دانشمند فرانسوی و آلمانی به نامهای جورجس جوزف رنک[2] و ردلف هیلش[3] به طور مستقل در خلال سالهای جنگ جهانی دوم در اروپا مطرح شد[1].
لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکی است که فاقد قسمتهای متحرک بوده و یکی از تجهیزات مورد استفاده در سیستم تبرید میباشد، که در آن یک سیال پرفشار ازطریق نازلهای ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب میشود، (بدون هیچگونه واکنش شیمیایی یا دخالت منبع خارجی انرژی ) بدین صورت میتوان دماهای تا 40- درجه سانتیگراد را ایجاد کرد. لوله ورتکس شامل بخشهایی از قبیل یک یا چند نازل ورودی یک محفظه ورتکس[4] یک اوریفیس در انتهای سرد[5] شیر کنترل در انتهای گرم[6] و یک لوله میباشد (شکل1-1). وقتی سیال پرفشار بصورت مماس توسط نازلهای ورودی به محفظه ورتکس تزریق میشود، یک جریان چرخشی در محفظه ورتکس ایجاد میشود. وقتی چرخش جریان سیال به سمت مرکز محفظه ورتکس ادامه پیدا میکند، سیال منبسط و سرد میشود. در محفظه ورتکس بخشی از سیال به سمت خروجی گرم میچرخد و بخش دیگر سیال مستقیماً در خروجی سرد موجود است. بخشی از گاز موجود در لوله ورتکس به خاطر مؤلفه محوری سرعت بر میگردد و از انتهای گرم به انتهای سرد حرکت میکند. در خروجی گرم سیال با دمای بیشتری خارج میشود درحالیکه در خروجی سرد، سیال دمای کمتری در مقایسه با دمای ورودی دارد[2]. لوله ورتکس در مقایسه با دیگر وسایل موجود در سیکل تبرید مزایایی دارد از قبیل: سادگی، فقدان اجزای متحرک، عدم حضور جریان الکتریسیته، عدم انجام هیچگونه واکنش شیمیایی، نگهداری آسان، تأمین فوری هوای سرد، پایداری عملکرد (به خاطر استفاده از فولاد ضد زنگ و محیط کار تمیز) و تنظیم دما. همچنین وابستگی به گاز فشرده و بازده گرمایی پایین ممکن است برخی از کاربردهای آن را محدود کند.
1-2-برخی از کاربردهای لوله ورتکس
اگرچه با وجود اینکه تا کنون اثبات قاطعانهای در مورد حالت انتقال حرارت در داخل لوله ورتکس صورت نگرفته و علیرغم درک ناقص این پدیده،اخیراً لوله ورتکس، با کاربرد خنک سازهای موضعی در مقیاسهای کوچک و بصورت تجاری توسعه زیادی یافتهاند. امروزه تعداد قابلتوجهی از شرکتهای تولیدکننده وجود دارند که از تئوری لوله ورتکس بصورت کاربردی و موثر به عنوان یک راه حل در کاربردهای صنعتی بهره میگیرند. از جمله این شرکتها میتوان به Exair و ITW Vortec اشاره کرد که هر دو در ایالاتمتحده مشغول به فعالیت میباشند. این شرکتها محصولات خود را بر اساس محدوده مختلفی از کاربردها و بر اساس کیفیتهای زیر از فن آوری لوله ورتکس عرضه میکنند:
با وجود اینکه موارد زیادی برای کاربردهای لوله ورتکس، به عنوان خنک ساز و گرماساز موضعی وجود دارند (که در ادامه تشریح خواهد شد) اما همچنان نیز میتوان ایدههای مبتکرانهای در مورد کاربردهای لوله ورتکس ارائه داد. در شکل (1-2) یک نمونه از مدل تجاری لوله ورتکس ساخت شرکت Exair نشان داده شده است.