مطالعه تجربی بهینه سازی فرآیند انتقال حرارت دیواره ذخیره حرارتی پمپ حرارتی در سنگ اطراف تونل در منطقه سردسیر

Experimental Study on Heat Transfer Process Optimization of Heat Storage Wall of the Heat Pump in Tunnel Surrounding Rock in the Cold Region

چکیده

1 مقدمه

2 مدل فیزیکی

3 متدولوژی

4 نتایج آزمایش

5 نتیجه گیری

منابع

چکیده

در خصوص تونل ها در مناطق سردسیر یا بسیار سرد، مشکل نشت در بازه زمانی آب شدن برف ها در بهار بسیار شایع است، که باعث آسیب های متنوع به تونل به دلیل یخ زدگی می شود. با استفاده از انرژی زمین گرمایی سنگ اطراف در پروژه ی تونل، به ویژه پروژه ی تونل زیر لایه ی همیشه یخبندان، سیستم پمپ حرارتی تونل ناحیه ی سرد قابلیت بهبود و ارتقای راندمان انرژی کلی گرمایشی را دارد زیرا درجه حرارت جانبی مربوط به تبخیر پمپ حرارتی افزایش می یابد، که بیشتر به درد تأسیسات ساختمانی پشتیبان محیط اطراف می خورد. با الهام از این سیستم و فناوری بنای کوپلینگ فعال و غیرفعال، نوع بازیابی حرارتی مدل دیوار ذخیره سازی حرارتی در این تحقیق پیشنهاد شده است. با شرح فرآیند انتقال حرارت و گرما در راتباط با نوع بازیابی حرارتی دیوار ذخیره سازی حرارتی و انجام تحقیقات تجربی، امکان پذیری و اثربخشی آن تأیید می شود. نتایج نشان می دهند زمانی که دمای هوای محیط بیرون در اورومچی تقریبا -7°C ~ -15°C است و تابش کلی نورخورشید در لحظه به بازه ی 0~1108 W/m2 می رسد، این نوع دیوار می تواند هوای گرم نزدیک دیوار ایجاد کند که دمای آن 11.89°C بالاتر از دمای محیط است تا یک منبع گرمای با کیفیت برای پمپ حرارتی منبع هوا را زمانی که دما پایین است فراهم کند، که به موجب آن راندمان و کارایی سیستم حرارتی پمپ حرارتی منبع هوا را به طور قابل ملاحظه ای ارتقا می دهد. بدون تجهیزات فتوولتائیک و فتوترمال، نوع بازیابی حرارتی دیوار ذخیره سازی حرارتی میتواند میزان استفاده از انرژی خورشیدی را به 13% تا 20%، حتی حداکثر تا 36% برساند.

2- مدل فیزیکی
نوع بازیابی حرارتی دیوار ذخیره سازی حرارتی در شکل 1 نشان داده شده است، که متشکل از دیوار استاندارد ساختار صرفه جویی در انرژی، لایه ی میانی هوا، و ورق پوششی شفاف است. هوا بدون دمای محیط بیرون از طریق صفحه ی روزنه دار یا اوریفیس پلیت در بخش پایین تر لایه ی میانی هوا وارد می شود و از صفحه ی روزنه دار بالایی هم شار و هم جریان می شود و پس از آن به پورت مکش هوای تبخیر کننده ی پمپ حرارتی منبع هوا فرستاده می شود.

لایه ی میانی هوا ضخامتی برابر با 200 mm دارد، و اندازه ی صفحه ی دیوار ذخیره سازی حرارتی عرضی برابر با 1500 mm و ارتفاع 2000 mm دارد. سه اوریفیس (روزنه) روی دیوار زیر لایه ی میانی هوا باز می شوند تا اجازه دهد هوای بیرون وارد لایه ی میانی هوا شده، و اندازه ی روزنه (اوریفیس) 4 × 15 cm است. اندازه ی اوریفیس در مرکز بالای لایه ی میانی هوا شبیه به کانال فن ϕ 16 cm است. جدول 1 فهرستی از پارامترهای فیزیکی نشان داده شده با هر لایه ی دیوار محفظه را ارائه می کند و نوع بازیابی حرارتی دیوار ذخیره سازی حرارتی در شکل 2 نشان داده شده است. ضریب جذب تابش خورشیدی سطح بیرونی دیوار برابر است با αwall=0.75.

3- متدولوژی
بارزترین تفاوت بین یک چنین دیوار ذخیره سازی حرارتی و دیوار ذخیره سازی حرارتی معمولی حالت جریان هوا در ارتباط با لایه ی میانی می باشد. تبادل گرما روی سطح دیوار ذخیره سازی حرارتی معمولی یک همرفت و انتقال گرمای طبیعی می باشد؛ هوا در لایه ی میانی نوع بازیابی حرارتی دیوار ذخیره سازی حرارتی مجبور به همرفت می شود. فرآیند انتقال حرارت نوع بازیابی حرارتی دیوار ذخیره سازی حرارتی سه بخش دارد: صفحه ی پوششی شفاف، لایه ی میانی هوا، و ساختار دیوار سنگین [22]، و فرآیندهای انتقال گرما و تبادل گرما در شکل 3 نشان داده شده اند.

کاربرد شکل بهبود یافته از روش هیدرودینامیکی ذرات صاف برای شبیه سازی انتشار ترک در مکانیک سنگ

An improved form of smoothed particle hydrodynamics method for crack propagation simulation applied in rock mechanics

چکیده

1-مقدمه

2- IKSPH پایه

1-2 معادلات حاکم

2-2 معادله مشخصه

3-2 ادغام زمان

4-2 قوانین انتگرال گیری کوادراتور

3- پردازش ترک در روش IKSPH

1-3 معیارهای ترک

2-3 روش جستجوی دامنه ذره (PDSM)

4- پردازش مرز

5- مثال ها و بحث

1-5 شبیه سازی عددی فشردگی و شکست برشی با یک شکاف تنها

2-5 شبیه سازی عددی شکستگی ناشی از فشار و برش در نمونه دارای دو شکاف

5-3 شبیه سازی عددی فشردگی و شکاف برشی با داشتن چندین شکاف

4-5 شبیه سازی عددی گسیختگی پیش رونده یک شیب سنگی شکاف دار

5-5 آنالیز هزینه محاسباتی

6- نتیجه گیری ها

منابع

چکیده

شبیه سازی فرایند گسترش ترک در مهندسی سنگ نه نتها موضوع داغ مورد بررسی توسط محققان بوده بلکه یک چالش مهم است. با در نظر داشتن این پیش زمینه، یک روش عددی به نام کرنل پیشرفته هیدرودینامیک ذرات هموار (IKSPH) معرفی شد. با بهبود تابع کرنل در روش هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) مرسوم، ویژگی های شکنندگی (تردی) ذرات اصلی شناخته می شود. روش جستجوی دامنه ذره (PDSM) نیز برای ایجاد شبکه های پیچیده شکاف استفاده شد. سه مثال عددی برای اعتبارسنجی راندمان روش های IKSPH و PDSM آنالیز شدند که توانستند مورفولوژی شکاف جانبی را به درستی مشخص کنند و قوانین مربوط به به هم پیوستن شکاف ها را در مقایسه با پژوهش های عددی و تجربی پیشین نشان دهند. نهایتا یک مدل سنگ شیبدار دارای درزهای پیچیده بصورت عددی شبیه سازی شد و فرایند گسیختگی پیشرونده آن مشخص شد که نشان داد روش IKSPH را می توان به خوبی برای مهندسی مکانیک سنگ استفاده کرد. نتایج این تحقیق نشان داد که روش IKSPH دشواری های برنامه نویسی را کاهش می دهد و از کجی (اعوجاج) خطوط مش بندی جلوگیری می کند که می تواند مرجعی برای کاربرد IKSPH در مهندسی مکانیک سنگ و درک مکانیزم ترک برداشتن سنگ باشد.

1-مقدمه

سنگ یک ماده غیرمتناجس است که دارای شمار زیادی از نقص های ذاتی با استحکام نسبتا پایین است. این نقص ها شامل گسل ها، شکاف ها، درزها، سوراخ ها، لایه های درونی و غیره است که باعث می شود سنگ ویژگی های نظیر ناهمگنی، خطی نبودن و ناپیوستگی قوی داشته باشد [1]. علاوه بر این، تحت شرایط جفت شدگی پیچیده چند میدانی [2]، ساختار سنگ ممکن است بدلیل وجود این نواقص از هم شکسته شود. بنابراین چگونگی توصیف دقیق شاخص های ناپیوستگی توده های سنگ یکی از چالش های سخت سالیان اخیر بوده است.

6- نتیجه گیری ها

1) در این مقاله یک روش عددی بنام روش کرنل پیشرفته هیدرودینامیک ذرات هموار (IKSPH) که هدف آن مدلسازی ترک شکننده موجود در توده های سنگی است پیشنهاد شد. در مقایسه با پژوهش های پیشین، هیچ نیازی به کاهش سفتی نقطه پایه یا نقشه برداری تنش به تنش پیوستگی بین ذرات پایه مختلف نیست که این کار باعث شده تا دشواری برنامه نویسی کمتر شود. در عین حال، روش جستجوی دامنه ذره (PDSM) نیز برای ایجاد شبکه های ترک پیچیده استفاده شد.

Abstract

The simulation of crack propagation processes in rock engineering has been not only a research hot spot among scholars but also a challenge. Based on this background, a new numerical method named improved kernel of smoothed particle hydrodynamics (IKSPH) has been put forward. By improving the kernel function in the traditional smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, the brittle fracture characteristics of the base particles are realized. The particle domain searching method (PDSM) has also been put forward to generate the arbitrary complex fissure networks. Three numerical examples are analyzed to validate the efficiency of IKSPH and PDSM, which can correctly reveal the morphology of wing crack and the laws of crack coalescence compared with previous experimental and numerical studies. Finally, a rock slope model with complex joints is numerically simulated and the progressive failure processes are exhibited, which indicates that the IKSPH method can be well applied to rock mechanics engineering. The research results showed that IKSPH method reduces the programming difficulties and avoids the traditional grid distortion, which can provide some references for the application of IKSPH to rock mechanics engineering and the understanding of rock fracture mechanisms.

1. Introduction

Rock is a typical anisotropic material, which contains large amounts of inherent defects with relatively lower strength. These defects include faults, fissures, joints, holes, interlayers and so on, which makes rock exhibit the characteristics of heterogeneity, non-linearity, and strong discontinuity [1]. Furthermore, under complex multi-field coupling conditions [2], the rock structures may fail due to these defects. Therefore, how to correctly describe the discontinuous characteristics of rock masses has been a hot but difficult problem in recent years.

6. Conclusions

(1) A new numerical method named improved kernel of smoothed particle hydrodynamics (IKSPH), which is aimed at modeling the brittle fracture of rock masses, has been proposed in this paper. Compared with previous studies, there is no need to reduce the stiffness of the base point or map the stress to the stress bond between different base particles, which has reduced programming difficulties. Meanwhile, the particle domain searching method (PDSM) has also been put forward to generate complex fissure networks.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

کاربرد شکل بهبود یافته از روش هیدرودینامیکی ذرات صاف برای شبیه سازی انتشار ترک در مکانیک سنگ

An improved form of smoothed particle hydrodynamics method for crack propagation simulation applied in rock mechanics

تأثیر مواد سطحی مختلف و زمان تابش فراصوت بر پایداری و خصوصیات ترموفیزیکی نانوسیالات ترکیبی

Impact of different surfactants and ultrasonication time on the stability and thermophysical properties of hybrid nanofluids

چکیده

1- مقدمه

2-روش تحقیق

2-1 آماده سازی نانوسیالات

2-2 تصویربرداری میکروسکوپی انتقال الکترون

2-3 ارزیابی پایداری نانوسیالات

2-4 اندازه گیری ویژگی های ترموفیزیکی

3- نتایج و بحث

3-1 توصیف

3-2 تحلیل طیف سنجی UV-vis

3-3 ویژگیهای ترمو فیزیکی

4- نتیجه گیری

چکیده

نانوسیالات گرافینی توجه بیشتری را در میان محققان به خود جلب کرده اند زیرا دارای رسانایی گرمای بسیار زیاد هستند. در تحقیق کنونی نانوسیالات هیبربدی پایدار از طریق پراکنش نانو صفحات گرافین(GnPs) و دی اکسید تیتانیوم (O۲i T)در ترکیبی از آب مقطر و اتیلن و گلیکون با استفاده از یک روش دو مرحله ای تولید شده اند. برای حذف مقایسه، GnPs در داخل مایع پایه یکسان پراکنده می شود و به عنوان نانو سیال نامگذاری می شود. تاثیر مواد سطحی مختلف و زمان تابش فراصوت برپایداری نانو سیالات با استفاده از روش رسوب گیری تحلیل پتانسیل و آزمون سقف تعیین می شوند. مشاهده شده است که اضافه کردن هگزا دسیبل قوی متیلامونیوم (CTAB) دارای پایداری بیشتری در تمام تحلیل ها می باشد و حداقل رسوب گیری تا ۴۰ روز اتفاق می افتد. ویژگیهای ترموفیزیکی نان و سیالات دارای (CTAB) از ۲۰درجه تا ۷۰ درجه برای غلظت های 172%-75%-5%-25%نانو ذرات اندازه گیری شده اند. حداکثر رسانای گرمایی برای مایع پایه در صورت وجود غلظت 747/ 23برای% wt ۱ CooH- GnP % در دمای 60 درجه سانتی گراد مشاهده شده است نانو سیالات هیبریدی دارای رسانای گرمایی بیشتر در مقایسه با ناتو سیالات مقدار ۳۰ تا ۵۰ درجه سانتی گراد هستند. نانوسیالات موجود هیبریدی رفتار نیوتنی نشان می دهد که در آن فشار کششی به صورت خطی همراه با افزایش سرعت واکنش افزایش می یابد. نانوسیالات موجود با غلظت wt ۱ % از دارای بیشترین ویسکوزیته در 40 درجه سانتی گراد است و این مقدار %54/ 42 و%58/ 4بیشتر از مایع پایه و % wt ۱ % نانو سیالات هیبریدی است. ویژگی های ارتقا یافته نانوسیالات هیبریدی می تواند به عنوان ابزار جایگزین انتقال گرما در نظر گرفته شود.

4- نتیجه گیری

پایداری، رسانایی گرمایی و ویسکوزیته نانوسیالات TiO2 (COOH-GnP)-از 30 تا 70 درجه سانتی گراد با چهار غلظت مختلف (0. 1 wt% 0. 025, 0. 05, 0. 075,) تعیین شده اند. فراصوتی کردن در 90 دقیقه برای تولید ترکیب نانوسیالات بسیار پایدار از طریق افزودن CTAB یا SDBS کافی می باشد. بر اساس نتایج بدست آمده از تحلیل های متعدد پایداری، این نتیجه بیان شد که CTAB بهترین ماده سطحی برای تثبیت این نانو سیال ترکیبی است. رسانایی حرارتی نانو سیالات همراه با دما و غلظت نانو ذرات افزایش می یابد و بیشترین افزایش (23. 74%) در دمای 60 درجه سانتی گراد و 0. 1 wt% مشاهده شده است. نانو سیالات ترکیبی دارای رسانایی حرارتی بالاتری در مقایسه با نانو سیالات COOH-GnP در تمام غلظت ها با دمای کمتر هستند (30 تا 50 درجه سانتی گراد). این بدین معناست که مونو نانو سیالات در دمای 60 درجه سانتی گراد (تمام غلظت ها) برتر از نانو سیالات ترکیبی هستند. رسانایی حرارتی بالا برای COOH-GnP مهم ترین عامل برای افزایش رفتار حرارتی نانو سیالات مونو و هیبریدی می باشد. فشار کششی زمانی افزایش می یابد که نانو ذرات به مایع اصلی اضافه شود. ویسکوزیته نانو ترکیبات مونو و هیبریدی نشان دهنده اختلاف 6% در غلظت 0. 1 wt% و دمای 4 درجه سانتی گراد می باشد. ویژگی افزایش حرارت با افزودن نانو ذرات بیانگر این است که این نانو سیال جدید ترکیبی می تواند به عنوان ابزاری برای انتقال گرما باشد.

Abstract

Graphene based nanofluids are getting more attention among researchers due to their exceptional thermal conductivity. In the present study, stable hybrid nanofluids were produced by dispersing graphene nanoplatelets (GnPs) and titanium dioxide (TiO2) in a mixture of distilled water and ethylene glycol (DW/EG) using a two-step method. For comparison purpose, GnPs were dispersed into the same base fluid and labelled as mono nanofluid. The impact of different surfactants and sonication time on nanofluids’ stability was determined by sedimentation method, zeta potential analysis, and absorbency test. It was observed that the addition of hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) showed the highest degree of stability in all analyses, with minimal sedimentation up to 40 days. Thermophysical properties of nanofluids with CTAB were measured from 30 °C to 70 °C at 0.1, 0.075, 0.05, and 0.025 wt% concentrations of nanoparticles. The maximum thermal conductivity enhancement of base fluid was found to be 23.74% when 0.1 wt% of COOH-GnP was added at 60 °C. Hybrid nanofluid showed higher thermal conductivity than mono nanofluid at all concentration and temperature ranged from 30 to 50 °C. Both mono and hybrid nanofluids showed Newtonian behaviour in which shear stress increased linearly with increasing shear rate. Mono nanofluid with 0.1 wt% concentration showed the highest viscosity at 40 °C, which was 32.54% and 4.85% higher than base fluid and 0.1 wt% hybrid nanofluid, respectively. The enhanced properties of this hybrid nanofluid could be used as an alternate heat transfer medium in an automobile cooling system.

4- Conclusion

The stability, thermal conductivity, and viscosity of (COOH-GnP)- TiO2 nanofluids were determined from 30 °C to 70 °C with four different concentrations (0.025, 0.05, 0.075, and 0.1 wt%). Ultrasonication of 90 min was sufficient to produce highly stable hybrid nanofluids with the addition of CTAB or SDBS. Based on multiple stability analyses, CTAB was found to be the best surfactant to stabilise this hybrid nanofluid. Thermal conductivity of nanofluids increased with both temperature and concentration of nanoparticles, with the most significant enhancement (23.74%) observed at 60 °C and 0.1 wt%. Hybrid nanofluid showed higher thermal conductivity than COOH-GnP nanofluid at all concentration with lower temperature (30 to 50 °C), which means mono nanofluid surpass hybrid nanofluid at 60 °C (all concentration). High thermal conductivity of COOH-GnP was found to be the dominant factor to enhance thermal behaviour of both mono and hybrid nanofluids. Shear stress was increased when nanoparticles were added into the base fluid. Viscosity of both mono and hybrid nanofluids showed about 6% of difference at 0.1 wt% concentration and 40 °C working temperature. The enhanced thermal property by adding nanoparticles suggested this novel hybrid nanofluid could be used as an alternate heat transfer medium.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تأثیر مواد سطحی مختلف و زمان تابش فراصوت بر پایداری و خصوصیات ترموفیزیکی نانوسیالات ترکیبی

Impact of different surfactants and ultrasonication time on the stability and thermophysical properties of hybrid nanofluids

تجزیه و تحلیل عددی اثرات میدان مغناطیسی بر روی ارتقای انتقال حرارت در سیال مغناطیسی برای یک جمع کننده خورشیدی به صورت سهمی شکل

Numerical analysis of magnetic field effects on the heat transfer enhancement in ferrofluids for a parabolic trough solar collector

چکیده

1. مقدمه

2. تعریف مسئله

2.1 ویژگی های فیزیکی مایع مغناطیسی

2.2 تحلیل انتقال گرمایی

2.3 میدان مغناطیسی و معادله های حاکم

2.4 شرایط مرزی

3. نتایج و مباحث

3.1 ارزیابی اعتبار

3.2 نتایج CFD

4. جمع بندی

چکیده

یک ظرف سهمی شکل به عنوان یک جمع کننده گرمایی خورشیدی تعریف می شود که  در یک بعد صاف است و در دو بعد دیگر به صورت یک سهمی، منحنی شکل می باشد که آینه های صاف برروی ان قرار گرفته است . ارتقای کارایی گرمایی این جمع کننده ها یکی از مهم ترین چالش های توسعه و رشد نیروگاه های توان گرمایی خورشیدی می باشد. مایعات مغناطیسی به عنوان یک مایع کاری جدید برای کاربرد های صنعتی ارائه شده اند که این موضوع به دلیل عملکرد گرمایی آن ها می باشد. در این مطالعه، یک انتقال گرمای همرفتی از مایعFe3O4-Therminol66 تحت میدان مغناطیسی (0-500G) با استفاده از دینامیک محاسبه سیالات، ارزیابی شده است. مایع مغناطیسی با کسر های حجمی مختلف ( 1تا4% ) و Therminol 66 ( به عنوان مایع اصلی)به عنوان مایعات کاری برای یک جمع کننده خورشیدی سهمی شکل، مورد استفاده قرار گرفته اند. تحلیل های عددی نخست نشان دهنده نتایج نظری می باشند و سپس یک مطالعه دقیق انجام شده است تا بتوان تاثیر  سیال مغناطیسی را بر روی پارامتر های مختلف از لوله جمع کننده، کارایی گرمایی و همچنین خروجی دمایی این جمع کننده، نشان داد. به علاوه، افزایش کسر حجمی نانوذرات در مایع اولیه و تراکم میدان مغناطیسی باعث افزایش عملکرد این جمع کننده شد.

1. مقدمه

انرژی تجدید پذیر، به عنوان مثال انرژی های بادی و خورشیدی، یکی از امید بخش ترین راه حل ها برای تولید کردن  انرژی تمیز برای آینده می باشد زیرا منابع انرژی فعلی ( مانند نفت، زغال سنگ و گازهای طبیعی)، در چند دهه آتی تمام خواهند شد. میزان مصرفانرژی در جهان به صورت پیوسته در حال افزایش می باشد و این موضوع برای تمام محقق ها و دانشمندان نگران کننده می باشد. انرژی خورشیدی به عنوان یک انرژی فراوان، می تواند به صورت گرما و یا برق تبدیل شود. این انرژی، یک منبع مفید برای کاربرد های مختلف می باشد : خشک کننده های خورشیدی، تولید آب گرم به صورت محلی و تولید برق در نیروگاه های انرژی خورشیدی. میزان تولید انرژی خورشیدی بین سال 2012 تا 2040 با افزایش سالانه 8.9% پیش بینی شده است و همین موضوع باعث می شود که این نوع از تولید انرژی، به سریع ترین و پر پیشرفت ترین نوع تولید انرژی در دهه های پیش رو تبدیل شودد.

4. جمع بندی

این مطالعه یک مطالعه عددی را مبتنی بر دینامیک محاسباتی سیالات ارائه می کند که با استفاده از نرم افزار ANSYS® FLUENT® انجام شده است که هدف ما، مطالعه کردن تاثیر مایع مغناطیسی و میدان مغناطیسی بر روی عملکرد جمع کننده های خورشیدی سهمی وار می باشد. مایع مغناطیسی Fe3O4-Therminol در این مطالعه با کسر حجمی مختلف به عنوان مایع کاری مورد استفاده قرار گرفته است و  Therminol 66 در واقع، مایع پایه می باشد. به علاوه، تحلیل هایی نیز همراه یا بدون میدان مغناطیسی انجام شده است که این میدان توسط یک سیم حامل جریان الکتریکی ایجاد شده است که در نزدیکی لوله جمع کننده قرار دارد. تاثیر میدان مغناطیسی بر روی ضریب انتقال گرمایی همرفتی، کارایی گرمایی و عملکرد جمع کننده نیز به صورت دقیق ارزیابی شده است. نتایج نشان داده است که HTC جمع کننده خورشیدی با استفاده از نانوذرات قرار گرفته در مایع پایه افزایش پیدا می کند. افزایش در کسر حجمی این نانوذرات می تواند باعث افزایش HTC هم بشود. همچنین، ارزیابی های فعلی نشان داده است که استفاده از میدان مغناطیسی باعث افزایش HTC محلی در لوله جمع کننده، دمای خروجی و کارایی گرمایی می شود. بهترین عملکرد نیز برای مایع مغناطیسی با 4% کسر حجمی به دست آمده است. در نهایت، بهترین عملکرد گرمایی – هیدرولیکی نیز برای مایع مغناطیسی با 1% کسر حجمی رخ می دهد که افت فشار جریان و ضریب اصطکاک کمترین مقادیر را برای آن دارند که این موضوع مشابه با نتایجی است که در مقالات دیگر به دست آمده است.

Abstract

A parabolic trough is defined as a type of solar thermal collector that is straight in one dimension and curved as a parabola in the other two, lined with a polished metal mirror. Enhancing the thermal efficiency of this collectors is one of the major challenges of developing and growing of parabolic trough solar thermal power plants. Ferrofluids were proposed as a novel working fluid for industrial applications, due to their thermal performances. In this study, the convective heat transfer of Fe3O4-Therminol 66 ferrofluid under magnetic field (0–500 G) is evaluated using computational fluid dynamics. The ferrofluid with different volume fraction (1–4%) and the Therminol 66 (as the base fluid) are considered as the working fluids for a parabolic trough solar collector. Numerical analysis first validated using theoretical results, and then a detailed study is conducted in order to analyze the effect of the magnetic field on different parameters. The result demonstrated that using magnetic field can increase the local heat transfer coefficient of the collector tube, thermal efficiency as well as output temperature of the collector. In addition, increasing the volume fraction of nanoparticle in the base fluid and intensity of magnetic field increased the collector performance.

1. Introduction

Renewable energy, for instance solar and wind energy, is one of the most promising solutions to produce clean energy for the future since the conventional energy sources (such as oil, coal and natural gas) will be finished in a few decades [1,2]. World energy consumption is increasing continually and this is worrisome for all researchers and scientists [3]. Solar energy, as an abundant energy source, can either be converted into heat or electricity. It is a useful source of energy for various applications: solar dryers, local hot water production, and electricity production in concentrating solar power plants [4]. Global solar energy production was predicted to reach a rate of 8.9% annually between 2012 and 2040, making it the fastest developing type of energy generation in the forthcoming decades [5].

4. Conclusion

Current study presented a numerical study based on computational fluid dynamics incorporated within ANSYS® FLUENT®, in order to study the effects of ferrofluid and magnetic field on the performance of a parabolic trough solar collector. Fe3O4-Therminol 66 ferrofluid with different volume fraction was considered as the working fluid, having the Therminol 66 as the base fluid. In addition, analyses were done with and without presence of a magnetic field which was provided by a current-carrying wire located close to the collector tube. Effect of the magnetic field on the convective heat transfer coefficient, thermal efficiency, and collector performance was investigated in detail. The results have shown that the HTC of solar collector increases by using submerged nanoparticles in the base fluid. Increasing in volume fraction of nanoparticles can increase the HTC as well. Also, current investigations have shown that using magnetic field helps to increase local HTC of the collector tube, output temperature, and thermal efficiency of the collector. The best performance was obtained for ferrofluid with 4 vol% under a magnetic field of 500 G, which proves effectiveness of both ferrofluid and magnetic field on the collector performance. Finally, the best thermo-hydraulic performance occurs for ferrofluid with 1 vol % in the case of magnetic field absence for which the flow pressure drop and friction factor have the smallest values, similar to the results obtained in the literature.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تجزیه و تحلیل عددی اثرات میدان مغناطیسی بر روی ارتقای انتقال حرارت در سیال مغناطیسی برای یک جمع کننده خورشیدی به صورت سهمی شکل

Numerical analysis of magnetic field effects on the heat transfer enhancement in ferrofluids for a parabolic trough solar collector

بررسی عددی جریان چند لایه و انتقال حرارت نانوسیالات غیر نیوتنی در محیط متخلخل

Numerical investigation of laminar flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluid within a porous medium

چکیده

1- مقدمه

2- معرفی مسئله

3- معادلات حاکم

3-1 خواص ترموفیزیکی

3-2 فرآیند حل

3-3 استقلال از شبکه

3-4اعتبارسنجی

4- نتایج و بحث

5- نتیجه‌گیری

چکیده

در این تحقیق، بررسی جامع جریان آرام و انتقال حرارت یک نانوسیال غیرنیوتنی شبه‌پلاستیک (Al2O3+CMC) در داخل ناحیه‌ی متخلخل دایره‌های هم‌مرکز ارائه شده است. اثر کسر حجمی نانوذرات، عدد رینولدز، عدد دارسی و نسبت ضخامت مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه‌سازی‌ها برای اعداد رینولدز و اعداد دارسی در محدوده‌ی 100<Re<300 و 10-4<Da<10-2 انجام گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که تأثیر لایه‌ی متخلخل نسبت به اعداد رینولدز در افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی بیشتر است؛ چون در یک کسر حجمی مشخص، محیط متخلخل در مقایسه با افزایش عدد رینولدز، نقش پر رنگ‌تری در افزایش انتقال حرارت دارد. همچنین برای یک کسر حجمی مشخص و برای یک تخلخل ثابت، کاهش نفوذپذیری منجر به افزایش عدد دارسی و پروفیل سرعت می‌شود. زمانی که ضخامت لایه‌ی متخلخل در یک مقدار ثابت تخلخل و نفوذپذیری افزایش یابد؛ سرعت نانوسیال در یک عدد رینولدز ثابت افزایش پیدا می‌کند؛ افزایش ضخامت لایه‌ی متخلخل سبب زیاد شدن ضریب انتقال حرارت می‌شود. علاوه بر این، در یک عدد رینولدز ثابت و ضخامت مشخص، با افزایش عدد دراسی، ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت بیشتر می‌گردد. همچنین اگر در مقادیر ثابت نفوذپذیری و تخلخل، ضخامت لایه‌ی متخلخل افزایش پیدا کند، سرعت نانوسیال بیشتر شده و موجب به حداکثر رسیدن افت فشار می‌گردد.

5- نتیجه‌گیری

در این تحقیق، یک مطالعه‌ی جامع بر روی جریان آرام و نرخ انتقال حرارت نانوسیال غیرنیوتنی شبه پلاستیک (Al2O3+CMC) در درون محیط متخلخل دایره‌ای انجام گرفت. شبیه‌سازی برای اعداد رینولدز و اعداد دارسی مختلف در محدوده‌ی 100<Re<300 و 10-4<Da<10-2 انجام شد. نتایج زیر از انجام شبیه‌سازی‌ها حاصل شده است: – در یک نفوذپذیری ثابت، قسمت زیادی از سیال به قسمت بدون تخلخل وارد می‌شود و همچنین در ناحیه‌ی دارای مقاومت کم، ضخامت لایه‌ی تخلخل بیشتر می‌شود. – در یک کسر حجمی مشخص برای یک تخلخل ثابت، کاهش نفوذپذیری منجر به افزایش سرعت دارسی و پرفیل سرعت می‌شود. وقتی که در یک نفوذپذیری و تخلخل ثابت، ضخامت لایه‌ی تخلخل بیشتر شود، سرعت نانوسیال افزایش پیدا می‌کند. – وقتی که ضخامت لایه‌ی تخلخل افزایش پیدا می‌کند، سهم ناحیه‌ی بدون تخلخل کم می‌شود و عدد ناسلت به‌طور ناگهانی زیاد می‌گردد. – در یک کسر حجمی مشخص، لایه‌ی محیط متخلخل در مقایسه با عدد رینولدز، نقش بیشتری در انتقال حرارت دارد. – در عدد ناسلت برای Kr=5 یک افزایش 91/1% در مقایسه با حالتی که مواد متخلخل وجود ندارد، به‌دست آمد.

Abstract

In this study, comprehensive study of laminar flow and heat transfer of pseudo-plastic non-Newtonian nanofluid (Al2O3 + CMC) within the porous circular concentric region is presented. The effect of volume fraction of nanoparticles, Reynolds number, Darcy number, thickness ratio is studied. Simulations for different Reynolds numbers and Darcy numbers in the range of 100 ≤ Re ≤ 300 and 10− 4 ≤ Da ≤ 10− 2 are done. The results show that the effect of the porous layer on increasing the convective heat transfer coefficient is larger than the Reynolds number, since, at a given volume fraction, the porous medium plays a greater role in increasing the heat transfer compared to the increasing Reynolds number. Also, at a given volume fraction and for a fixed porosity, decreases in the permeability leads to increased Darcy velocity and, consequently, velocity profile. As the thickness of the porous layer increases at fixed values of permeability and porosity, the velocity of the nanofluid is also increased in a constant Reynolds number, by increasing the thickness of the porous media, heat transfer coefficient increases. In addition, at a specified thickness and constant Reynolds number, by increasing the Darcy number, the heat transfer coefficient and the Nusselt number increases. Moreover, as the thickness of the porous layer increases at fixed values of permeability and porosity, the velocity of the nanofluid is also increased; this consequently maximizes the pressure drop.

5- Conclusion

In this paper, the comprehensive study of laminar flow and heat transfer of pseudo-plastic non-Newtonian nanofluid (Al2O3 + CMC) within the porous circular concentric is investigated. Simulations for different Reynolds numbers and Darcy numbers in the range of 100≤Re ≤300 and 10−4≤Da≤10−2 are done. The following results can be deduced from our simulation: • At a fixed permeability, a larger portion of the fluid is rejected to the clean region, i.e. the region of lower resistance, as the thickness of the porous layer increases • At a given volume fraction and for a fixed porosity, decreases in the permeability leads to increased Darcy velocity and, consequently, velocity profile. As the thickness of the porous layer increases at fixed values of permeability and porosity, the velocity of the nanofluid is also increased; • As the thickness of the porous layer increases, the occupied share of the clean region is gradually decreased and hence the Nusselt number is abruptly increased. • At a given volume fraction, the porous medium plays a greater role in increasing the heat transfer compared to the increasing Reynolds number. • An increase of 1.91% is achieved in the Nusselt number for Kr = 5 compared to the case where no porous material is present. The extension of this paper for nanofluid according our previous works [41–93] affords engineers a good option for micro and nano simulation.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بررسی عددی جریان چند لایه و انتقال حرارت نانوسیالات غیر نیوتنی در محیط متخلخل

Numerical investigation of laminar flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluid within a porous medium

مبدل گرمایی کارآمد انرژی برای سیستم های تهویه

Energy efficient heat exchanger for ventilation systems

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

مبدل گرمایی کارآمد انرژی برای سیستم های تهویه

Energy efficient heat exchanger for ventilation systems

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

شبیه سازی مبدل های حرارتی و شبکه های مبدل حرارتی با جنبه اقتصادی

Simulation of heat exchangers and heat exchanger networks with an economic aspect

چکیده

1) مقدمه

فهرست علائم و اختصارات

2) مواد اولیه و روش کار

3) مشتق‌گیری ضریب اثربخشی نسبت به پارامترهای اقتصادی

۳-۱ مبدل‌های حرارتی با جریان موازی

۳-۲ مبدل‌های حرارتی با جریان مخالف

۳-۳ مبدل‌های حرارتی با جریان متقاطع

۳-۴ همه مبدل‌های حرارتی

4) مدل شبیه‌سازی اقتصادی

5) مطالعات موردی

۵-۱ محاسبات اقتصادی مبدل‌های حرارتی با جریان موازی، مخالف و متقاطع و همه مبدل‌های حرارتی

۵-۲ شبیه‌سازی اقتصادی شبکه مبدل حرارتی نمونه

6) نتیجه‌گیری

چکیده

در این مطالعه، روابط بین ضرایب اثربخشی (ε) و هزینه (ζ) بدست آمدند و برای نخستین بار، یک مدل شبیه‌سازی اقتصادی جهت شبیه‌سازی مبدل‌های حرارتی (HE) و شبکه‌های مبدل حرارتی (HEN) برای همه جریان‌ها ارائه شد. مقادیر ε مبدل‌های حرارتی با جریان موازی، جریان مخالف، جریان متقاطع و کلیه مبدل‌های حرارتی تحت شرایط Cr=0 برحسب پارامتر ζ، NTU (تعداد واحد انتقال) و حداقل ظرفیت‌های گرمایی (Cmin) بدست آمدند. مقادیر ε حاصل از محاسبات اقتصادی برای مدل شبیه‌سازی اقتصادی مبدل‌های حرارتی استفاده شدند. بردارها، از جمله دماهای خروجی و ورودی جریان‌ها، از شبیه‌سازی استاتیکی بدست آمدند تا در مدل شبیه‌سازی اقتصادی استفاده شوند. سپس، مطالعات موردی برای مبدل حرارتی با جریان مخالف انجام شد و مقادیر ε بطور تصادفی در شبکه مبدل حرارتی نمونه مشخص شدند. در آخر، پارامترهای مصرف (N)، هزینه (P) و صرفه‌جویی (E) همه مبدل‌های حرارتیِ درون شبکه به‌سادگی از طریق دستگاه معادلات خطی بدون هیچ فرآیند پیچیده‌، چرخه، نرم‌افزار یا سخت‌افزار خاصی براساس خواص جریان‌های سرد و گرم با بکارگیری مدل شبیه‌سازی اقتصادی محاسبه شدند.

6-  نتیجه‌گیری
در این مطالعه، روابط بین ضرایب اثربخشی و هزینه بدست آمد، و سپس برای شبیه‌سازی مبدل‌های حرارتی در همه جریان‌ها و پایش کمیت‌های صرفه‌جویی تأسیسات، مدل شبیه‌سازی اقتصادی تعریف شد. مقادیر E برای مبدل‌های با جریان موازی، مخالف و متقاطع و همه مبدل‌های حرارتی در شرایط Cr=0 برحسب پارامترهای ζ، NTU و Cmin بدست آمد. منحنی تغییرات e و ε در مقابل اختلاف دما در اشکال ۲ و ۳ آمده است. از مقدار ε حاصل از محاسبات اقتصادی برای شبیه‌سازی‌های اقتصادی مبدل‌های نمونه استفاده شد. در مبدل‌های با جریان متقاطع، زمانی که دمای خروجی‌شان معلوم بود، یعنی مقدار ε در محاسبات حرارت بدست آمده بود، معادله جواب ممکن داشت. ولی، در غیر این صورت، جواب تنها از تکرار بدست می‌آمد. با توجه به نتایجی که در اشکال ۲ و ۳ آمده، منحنی اختلاف e در مقابل اختلاف دما تقریباً با منحنی اختلاف ε در مقابل اختلاف دما یکی است. افزون بر این، e همواره با افزایش ε در نتیجه کاهش AR موردنیاز روندی صعودی دارد. بنابراین، پس از مشتق‌گیری کلیه روابط جریان‌ها، که برای اولین بار در معادلات (۳۵) و (۳۶) آمد، مدل شبیه‌سازی اقتصادی برای مبدل‌های متعارف ارائه شد. این مدل برای سه نوع جریان استفاده شد و خلاصه نتایج در جدول ۴ آمد.

Abstract

Relations between effectiveness (ε) and expense coefficients (ζ) were derived, and an economic simulation model was developed to simulate heat exchangers (HE) and HE networks (HEN) in all flow types for the first time. ε values of parallel flow, counter flow, cross flow and all HEs under the condition of Cr = 0 were derived in terms of ζ, NTU (Number of Transfer Unit) and minimum heat capacities (Cmin). ε values obtained from economic calculations were used for developing economic simulation model of HEs. Vectors including outlet temperatures and inlet temperatures of flows were obtained from static simulation to utilize in economic simulation model. Then, case studies were performed with counter flow HE and ε values randomly determined in a sample HEN. Use (N), expense (P) and savings (E) of all HEs in a HEN were calculated easily by the way of linear equation systems without any complex processes, iterations, software and special hardware, in terms of both cold and hot flows properties by using economic simulation model.

6- Conclusion

Relations between effectiveness and expense coefficients were derived, and then an economic simulation model was prepared to simulate the HEs in all flow types and monitor the savings in a facility. Ε value of parallel flow, counter flow, cross flow and all heat exchangers in the condition of Cr=0 were derived in terms of f, NTU and Cmin. Variation of e and e versus temperature difference were given in way of curves in Figs. 2 and 3. e obtained from economic calculations were used in economic simulations of sample HEs. In cross flow heat exchangers, when the outlet temperature of the HE is known, namely the e is calculated respect to the thermal calculations, solution is possible, otherwise solution is possible only with iterations. Considering the results in Figs. 2 and 3, difference of e versus temperature difference was almost identical with difference of e versus temperature. In addition, e is always in an increase with increase of e because of the decrease in required AR. Thus, a common heat exchanger economic simulation model was developed after the derivation of all relations of all flow types as given in Eq. (35) and Eq. (36) for the first time. For the three flow types, economic simulation model was run, and results were summarized in Table 4.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

شبیه سازی مبدل های حرارتی و شبکه های مبدل حرارتی با جنبه اقتصادی

Simulation of heat exchangers and heat exchanger networks with an economic aspect

تعدیل رفتار فوم میکروسلولی iPP توسط کنترل تاریخچه حرارتی و عامل هسته ای در CO2 متراکم

Modification of iPP microcellular foaming behavior by thermal history control and nucleating agent at compressed CO2

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تعدیل رفتار فوم میکروسلولی iPP توسط کنترل تاریخچه حرارتی و عامل هسته ای در CO2 متراکم

Modification of iPP microcellular foaming behavior by thermal history control and nucleating agent at compressed CO2

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

روش های تقویت انتقال حرارت برای بهبود عمر آب بند

Heat-transfer augmentation techniques to improve seal life

طراحی آب بند

شرایط انتقال دما

رینگ های جفت شونده با کانال خنک کننده درونی

رینگ های جفت شونده با دیواره جانبی ترکیبی

رینگ های جفت شونده بایک لوله حرارتی درون ساز

اندازه گیری های تریبولوژیکال

نتیجه گیری

چکیده

این مقاله نگاهی دارد بر چند تکنولوژی تقویت انتقال حرارت که در مرکز ماشینکاری چرخشی دانشگاه ایالت لوئیزیانا اجرا شده است. هدف این مقاله کاهش حرارت دو رویه در آب بندهای مکانیکی است، که شامل طراحی رینگ های آب بند با یک تبادل گر حرارتی دورنی می باشد و همچنین تکنیک های بافت سطح را به منظور افزایش انتقال حرارت و طراحی یک مولد جدید از آب بند با یک لوله حراراتی، در بر می گیرد.

هرساله، در صنعت هزینه های هنگفتی برای تعمیر پمپ صرف می شود. هزینه های تعمیری صرف شده برای آب بندها و بیرینگ ها 80% تخمین زده شده است. مهمترین عامل های تأثیر گذار شناسایی شده مسئول نقص آب بند عبارتند از:

-انحراف دمای انباشته شده و درجه حرارت دو رویه بالا بین رینگ های آّب بند جفت شونده.

-عدم ثبات گرما-کشسانی؛ و

-پوشش ناهمگن وسیع

اندازه گیری های تریبولوژیکال
در بخش قبلی، روش های متفاوتی برای ارتقاء دما در آب بندهای مکانیکی ارائه شدند. این بخش بر آزمایش های آزمایشگاهی به کارگرفته شده به منظور ارزیابی عملکرد تریبولوژیکال تمرکز می کند. به طورخاص، نتایج یک تحقیق جدید توسط زیائو و خوانساری خلاصه شده است (2015). رینگ های آب بند از فولاد ضد زنگ حرارت دیده (17-4PH) با لوله و بدون لوله حرارتی درون ساز سایشی ساخته شدند که در مقابل عنصر دیسکی-شکل چرخشی ساخته شده از همان مواد قرار می گیرد. سطوح سایشی در روغن موتور SAE غوطه ور شدند. سرعت عمل کنندگی از 500 تا 1100 متغیر بود. به طور قابل توجهی، طرح متعارف در سرعت 110 تحت بار 133.5نیوتن شکست خورد. در مقابل، رینگ با پمپ حرارتی درون ساز برای عمل کردن در همان سرعت تا بار 311.5 نیوتن ادامه یافت. در نهایت، این طرح با لوله حرارتی درجه حرارت کمت و توزیع دمای یکسان تری داشت. یک درجه حرارت یکسان تر در فشار و خسارت دمای کمتر، پوشش کمتر و عمر خدماتی طولانی تری را حاصل می کند. بنابراین، ضریب سایش طرح متعارف قبل از تماس مرزی در حدود 0.15 بود، اما برای طرح لوله-حرارتی تا حدود 0.1 کاهش یافت.

Abstract

This article looks at several heat-transfer augmentation technologies that have been developed at Louisiana State University’s Center for Rotating Machinery. Aimed at reducing interfacial heat in mechanical seals, they include the design of seal rings with an internal heat exchanger, surface texturing techniques to improve heat transfer, and the design of a new generation of seals with a heat pipe.  Industry spends huge sums of money on pump repair every year. It is estimated that 80% of the repair costs is dedicated to seals and bearings. The most influential factors identified for being responsible for seal failure are: • high interfacial temperature and associated thermal distortion between the rotating and mating seal rings; • thermo-elastic instability; and • excessive non-uniform wear.

Tribological measurements

In previous sections, different methodologies for improving heat transfer in mechanical seals were presented. This section focuses on laboratory tests used to evaluate tribological performance. In particular, the results of a recent study by Xia & Khonsari (2015) are summarised. The seal rings were made of heat-treated stainless steel (17-4 PH) with and without a built-in heat pipe rubbing against a rotating disk-shaped element made of the same material. The rubbing faces of both disks were polished to 1–2 helium light bands, which is typical in mechanical seals, and tested using a tribometer. The disks were immersed in SAE engine oil for lubrication and the tests involved measuring temperature, the coefficient of friction and wear. The operating speed was varied from 500 rpm to 1100 rpm. Interestingly, the conventional design failed at 1100 rpm under the load of 133.5 N. In contrast, the ring with the built-in heat pump continued to operate at the same speed up to a 311.5 N load. Overall, the design with the heat pipe had a lower temperature and a more uniform temperature distribution. A more uniform temperature field results in less thermal stress and damage, lower wear and longer service life. Furthermore, the coefficient of friction of the conventional design was about 0.15 before boundary contact, but was reduced to about 0.1 for the heat-pipe design.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

روش های تقویت انتقال حرارت برای بهبود عمر آب بند

Heat-transfer augmentation techniques to improve seal life

آنالیز ترمو هیدرولیک مبدل های حرارتی چند لایه با جریان متقابل

Thermo-hydraulic analysis of multi-row cross-flow heat exchangers

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

آنالیز ترمو هیدرولیک مبدل های حرارتی چند لایه با جریان متقابل

Thermo-hydraulic analysis of multi-row cross-flow heat exchangers

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.