دانلود ترجمه مقاله بهینه سازی انتقال حرارت همرفتی در یک لوله دایروی (ساینس دایرکت – الزویر 2015) (ترجمه ویژه – طلایی ⭐️⭐️⭐️)

بهینه سازی انتقال حرارت همرفتی در یک لوله دایروی بر اساس به حداقل رساندن تخریب اگزرژی محلی

Convective heat transfer optimization in a circular tube based on local exergy destruction minimization

چکیده
1- مقدمه
2- معادله تعادل پتانسیل در دسترس و نرخ تخریب اگزرژی محلی در فرایند انتقال حرارت
3- روش بهبود انتقال حرارت برپایه سیال
3-1- تشریح روش
3-2- مدل دوهدفه برای اعتبارسنجی روش
4- تایید عددی جریان آرام در یک لوله
5- نتایج

چکیده

در این مطالعه، معادله تعادلی پتانسیل در در دسترس که منتج به رابطه بین پتانسیل در دسترس و نرخ تخریب اگزرژی محلی می شود، تعیین شده است، و معادلات پتانسیل در دسترس و نرخ تخریب اگزرژی محلی ارائه شده است. برای بهبود انتقال حرارت و کاهش دامنه مقاومت جریان، یک روش به نام بهبود انتقال حرارت برپایه سیال پیشنهاد شده است که با بهبود انقال حرارت برپایه سطح در ارتباط است. یک مدل ریاضی بهینه با ترکیب تابع لاگرانژ و تخریب اگزرژی مربوط به افت برگشت ناپذیری فرایند انتقال حرارت و مصرف توان سیال، بری افت جریان سیال به دست آمده است تا این روش اعتبارسنجی شود. برای دستیابی به ساختار جریان بهینه در یک لوله، جریان لوله به دو بخش تقسیم شده است: جریان مرکزی و جریان مرزی. برای کاهش افت برگشت ناپذیری در جریان مرکزی، ما تخریب اگزرژی سیال را در کنار مصرف توان سیال به عنوان هدف بهینه سازی در نظر گرفتیم. برای کاهش مقاومت سیال در جریان مرزی، مصرف توان سیال را به عنوان هدف بهینه سازی در کنار تخریب اگزرژی سیال در نظر گرفتیم. معادلات بهینه سازی برای انتقال گرمای همرفت در جریان آرام به دست آمده است، که به صورت عددی حل شده اند. جریان های گردابی طولی در لوله برحسب پارامترهای مختلف به دست آمده اند. در جریان بهینه شده، انتقال حرارت خیلی بهبود یافته است، در حالی که همراه با کمی افزایش در مقاومت جریان می باشد. بازدهی کلی، یعنی نسبت افزایش در انتقال حرارت و مقاومت جریان پس از بهینه سازی به 3.65 می رسد.

1- مقدمه

بهبود و بهینه سازی انتقال حرارت برای پایستگی انرژی و حفاظت محیطی ضروری هستند، زیرا انتقال حرارت تقریبا 80% مصرف انرژی در صنایع را شامل می شود. انتقال گرمای همرفت یکی از فرایندهای متداول انتقال در صنایع می باشد. توسعه تئوری و فناوری مربوطه برای بهبود انتقال حرارت بسیار با اهمیت می باشد.
در میان شبیه سازی عددی و تجزیه و تحلیل تجربی، محققین فناوری های زیادی را برای بهبود انتقال حرارت در جریان لوله توسعه داده اند. متقابلا لوله های با بهبود انتقال حرارت معینی به دست آمده است، مانند لوله های با پره داخلی [1]، لوله های با موج حلزونی [2] و لوله های با پره های ریز [3]. بیجان و همکاران [4] جریان لوله را به دو قسمت تقسیم کرده اند : جریان مرزی و جریان مرکزی. جریان نزدیک به دیواره لوله به عنوان جریان مرزی تعریف می شود و بقیه جریان را مرکزی می گویند. در لوله های اشاره شده با بهبود انتقال حرارات، سطوح در مرز که انتقال گرمای همرفت غالب بین جریان و دیواره لوله را شامل می شود، برای بهبود انتقال حرارت طراحی و بهینه سازی می شوند. سازوکار بهبود انتقال حرارت شلمل موارد زیر است[5]: توزیع لایه مرزی، گسترش سطح انتقال حرارت، و تغییر مشخصات فیزیکی سطح انتقال حرارت. بنابراین، این نوع روش می تواند به عنوان بهبود انتقال حرارت براساس سطح تشخیص داده شود(به طور مخفف روش براساس سطح). این روش به طور موثر ضریب انتقال گرمای همرفت را بهبود می بخشد، اما افزایش در مثاومت جریان ممکن است زیاد شود و بازدهی کلی کاهش یابد.

5 -نتایج

معادله تعادلی پتانسیل دردسترس به دست آمده است، که در آن نرخ تخریب اگزرژی محلی برای تشریح افت برگشت ناپذیری فرایند انتقال گرمای همرفت تعریف شده است. روش پایه سیال،به گونه ای متفاوت با روش بهبود انتقال حرارت برپایه سطح، با درنظرگرفتن هردوی مقاومت های جریان و حرارتی پیش برده شده است. مدل ریاضی بهینه با روش دو-ناحیه توسعه داده شده است تا قاعده بهبود انتقال حرارت برپایه سیال را بازتاب دهد. با حل عددی معادلات حام برگرفته از تغییرات تابعی لاگرانژ، میدان سرعت بهینه به دست آمده است. تجزیه و تحلیل تئوری برای فناوری های بهبود انتقال حرارت پربازده و با مقاومت کم سودمند است. نتایج خاص به صورت زیر است:
1 ) پتانسیل دردسترس، سطح انرژی سیال را نشان می دهد، و معادله تعادل آن فرایند انتقال انرژی دردسترس را در بردارد. با کاهش تخریب اگزرژی سیال، برگشت ناپذیری فرایند انتقال قابل کاهش است.
2 ) یک روش بهینه سازی انتقال حرارت جابجایی، با انتخاب نرخ تخریب اگزرژی به عنوان هدف بهینه سازی در جریان مرکزی، و افت انرژی سیال به عنوان هدف بهینه سازی در جریان مرزی لوله دایروی توسعه داده شده است، که به قانون بهبود انتقال حرارت برپایه سیال کمک می کند.
3 ) نتایج عددی با حل معادلات حاکم نشان می دهد که میدان جریان بهینه در لوله دایروی، در ساختاری با جریان چرخشی طولی می باشد، که گردابه های کوچک و بزرگ متناوبی را در مقطع برشی لوله نشان می دهد، و با افزایش کمی در مقاومت جریان، انتقال حرارت قابلیت بهبود زیادی دارد.

Abstract

In this study, the equilibrium equation of available potential, which reveals the relation of available potential and local exergy destruction rate, is determined, and the expressions of available potential and local exergy destruction rate are given. To improve heat transfer enhancement and reduce increase amplitude of flow resistance, a method termed as fluid-based heat transfer enhancement is proposed relative to surface-based heat transfer enhancement. An optimal mathematical model by constructing Lagrange function with exergy destruction corresponding to irreversibility loss of heat transfer process and fluid power consumption to flow loss of fluid is adopted to validate this method. To obtain the optimal flow structure in a tube, the tube flow is divided into two parts: core flow and boundary flow. For reducing the irreversibility loss in the core flow, we take fluid exergy destruction as optimization objective with prescribed fluid power consumption. For reducing the flow resistance in the boundary flow, we take fluid power consumption as optimization objective with prescribed fluid exergy destruction. The optimization equations for the convective heat transfer in laminar flow are derived, which are solved numerically. The longitudinal swirling flows in the tube are found at different parameters. In the optimized flow, heat transfer is enhanced greatly while accompanied with a little increase of flow resistance. Comprehensive performance, the ratio of increases in heat transfer and flow resistance, reaches at 3.65 after optimization.

1- Introduction

The enhancement and optimization of heat transfer are essential for energy conservation and environment protection, because heat transfer is related to almost 80% of total energy consumption in industry. Convective heat transfer is one of the common transport processes in industry. It is highly important to develop a theory and corresponding technology for enhancing convective heat transfer.
Through numerical simulation and experimental analysis, researchers have developed many technologies to enhance the heat transfer in tube flow. Correspondingly, certain heat-transfer-enhanced tubes are exploited, such as inner-finned tubes [1], spiral corrugated tubes [2], and micro-finned tubes [3]. Bejan et al. [4] divided the tube flow into two parts: boundary flow and core flow. The flow near the wall of tube is defined as boundary flow and the remaining is core flow. In the aforementioned heat-transfer-enhanced tubes, the surfaces in the boundary, which dominate the convective heat transfer between fluid and tube wall, are designed or improved to enhance heat transfer. The mechanism for heat transfer enhancement includes [5]: disturbing the boundary layer, extending the heat transfer surface, and changing the physical properties of the heat transfer surface. Therefore, this kind of method can be designated as surface-based heat transfer enhancement (abbreviated as the surface-based method). This method effectively enhances the convective heat transfer coefficient, but the increase in flow resistance may become significant and the comprehensive performance can be weakened.

5- Conclusions

The equilibrium equation of available potential is obtained, in which the local exergy destruction rate is defined to express the irreversibility loss of the convective heat transfer process. Different from the surface-based heat transfer enhancement method, the fluid-based method is put forward by considering both thermal and flow resistances. The optimal mathematical model is constructed by the two-region method to reflect the principle of fluid-based heat transfer enhancement. By numerically solving the governing equation deduced through functional variation for Lagrange function, the optimal velocity field is obtained. The theoretical analysis is benefit to the high-efficiency and low-resistance heat transfer enhancement technologies. Specific conclusions are summarized as follows.
(1) Available potential represents the energy grade of the fluid, and its equilibrium equation expresses the transport process of available energy. By reducing the exergy destruction of the fluid, the irreversibility of transport process can be decreased.
(2) An optimization method of convective heat transfer is constructed by setting exergy destruction rate as optimization objective in the core flow and fluid power consumption as optimization objective in the boundary flow in a circular tube, which supports the principle of fluid-based heat transfer enhancement.
(3) Numerical results by solving the governing equations show that the optimized flow field in a circular tube is in a structure of longitudinal swirling flows, which shows alternating large and small vortexes in the cross section of tube, and heat transfer can be greatly enhanced with a slight increase in flow resistance.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بهینه سازی انتقال حرارت همرفتی در یک لوله دایروی بر اساس به حداقل رساندن تخریب اگزرژی محلی

Convective heat transfer optimization in a circular tube based on local exergy destruction minimization