انتقال حرارت سیالات در لوله‌ها
مقدمه
صرفه جویی در انرژی یکی از چالشهای مهمی است که بشر با آن مواجه بوده و هست. تأمین انرژی پاک و بدون آلاینده‌های محیطی اولویت اغلب کشورهای توسعه یافته است
با توجه به اینکه برای تبدیل انرژی و یا خنک کاری در مصارف گوناگون صنعتی، بیش از ۷۰ درصد آن به صورت حرارت تبادل می‌شود .
در بسیاری از سیستمها و فرآیندهای صنعتی حرارت باید به صورت انرژی ورودی به سیستم داده شود و یا حرارت تولید شده در فرآیند باید از سیستم خارج گردد. با افزایش سریع نیاز به انرژی در جهان، تقویت نمودن فرایند انتقال حرارت و کاهش تلفات انرژی از اهمیت زیادی برخوردار است.
. در چند دهه اخیر توجه به مسئله انتقال حرارت از دو جنبه اهمیت پیدا کرده است. از یک سو، به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه، با درنظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست محیطی، تلاش‌های زیادی برای ساخت دستگاه‌های تبادل انتقال حرارت پربازده صورت پذیرفته است.
هدف اصلی این فعالیت‌ها کاهش اندازه مبدل‌های حرارتی مورد نیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت مبدل‌های حرارتی موجود از طریق ایجاد راندمان انتقال حرارت بالا میباشد.
عنوان مثال در وسایل نقلیه تمایل به نصب رادیاتورهای کوچک و کاستن از وزن نهایی اتومبیل از جمله رویکردهای مهندسین طراح اتومبیل است.
از سوی دیگر، پیشرفت فناوری بخصوص در زمینه پردازش‌گرها و الکترونیک و فشرده سازی این تجهیزات و بالارفتن تولید انرژی، نیاز برای ساخت دستگاه‌های تبادل انتقال حرارت پربازده را به وجود آورده است.
اگر اصول مربوط به روشهای انتقال حرارت و طراحی دستگاه‌های انتقال حرارت با سطح زیاد به خوبی شناخته شوند، امکان افزایش صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیط زیست میسر خواهد شد.
از این رو تحقیقات زیادی در زمینه بهبود عملکرد سیستم‌های انتقال حرارت صورت گرفته است و روشهای مختلفی برای افزایش انتقال حرارت ارائه شده‌اند. علیرغم تمام این تلاش‌ها، پایین بودن بازده حرارتی لوله های متداول انتقال حرارت محدودیتی اساسی در بهبود عملکرد انتقال حرارت تجهیزات مختلف به شمار می‌رود.
از طرفی دیگر، در صنعت حمل و نقل، خنککاری یک موضوع حیاتی است، زیراکه روند پیش‌رو در افزایش قدرت موتورها و یا خودروهای هیبرید، ناگزیر در استفاده از رادیاتورهای بزرگتر و در نتیجه سطح پیشانی بیشتری نیاز است که باعث افزایش نیروی درگ و مصرف سوخت بالاتر میگردد.
یک دیدگاه جایگزین برای طراحی و توسعه مبدل‌های گرمایی جدید، استفاده از سیالات انتقال حرارت کارآمدتر میباشد. همچنین انتقال حرارت و کنترل آن موضوع بسیار مهمی در سیستم‌های با شار حرارتی بالا از جمله واکنش‌ها و راکتورهای هسته‌ای، سیستم‌های میکروالکترونیک، میکروراکتورهای شیمیایی و بسیاری کاربردهای دیگر است.
روشهای مختلفی که جهت تسریع و بهبود انتقال حرارت در سیستم‌های مختلف پیشنهاد وارائه شده است. این روشها به روشهای فعال[۱] و غیرفعال[۲] و ترکیب این روشها تقسیم بندی می‌شوند.
روشهای غیرفعال
انتقال حرارت سیالات در لوله‌ها
در این روش بدون استفاده از انرژی خارجی و از طریق تکنیک هایی خاص مانند اصلاح و بهبود خواص سیالات، افزایش سطح انتقال حرارت، ایجاد زبری روی سطوح، ایجاد آشفتگی با انواع افزونه ها، استفاده از پره ها و بافل ها و… سبب افزایش انتقال حرارت می شوند. درباره این روشها و انواع آنها در فصل بعدی به تفصیل مطالبی ارائه خواهد شد.
انتقال حرارت سیالات در لوله‌ها
روشهای فعال
در این روشها با استفاده از یک انرژی خارجی باعث تحریک و ایجاد اغتشاش در جریان باعث افزایش انتقال حرارت می شوند. این روشها به دلیل نیاز به انرژی خارجی و هم چنین به صرفه نبودن از لحاظ
اقتصادی مطالعات کمی روی آنها انجام گرفته است. امروزه با توجه به درخواست روزافزون تکنولوژی های پیشرفته برای افزایش کارایی حداکثری مبادله کن های حرارتی بخصوص در صنایع هوا فضا و هسته ایی این نیاز احساس می شود که در زمینه تکنیک های فعال مطالعات بیشتری انجام گیرد.
اما مزیت بزرگ این روشها علاوه بر قابل کنترل بودن میزان انتقال حرارت مورد نیاز، افزایش چشم گیر انتقال حرارت و افت فشار کم این روشها در مقایسه با روشهای غیرفعال می باشد.
هرچند در این روشها مطالعه اقتصادی و با صرفه بودن تکنیک مورد نظر ضروری می نماید. این روشها به ۵ دسته کلی تقسیم بندی می شوند.
- روشهای مکانیکی : استفاده از پمپ ها و ابزارهای مکانیکی برای چرخاندن لوله ها و یا افزونه های چرخان
- ارتعاش سطحی: در این روش به دیواره مبدل حرارتی ارتعاش وارد می شود که باعث افزایش ضریب انتقال حرارت می شود.
- ارتعاش سیال: استفاده از ابزارهای التراسونیک یا پیزو الکتریک ها باعث اغتشاش جریان و افزایش ضریب انتقال حرارت می شود.
- استفاده از میدان الکتریکی E یا میدان مغناطیسی برای تحریک سیالات دی الکتریک و سیالات مغناطیسی
- دمش سیال توسط نازل به درون لایه مرزی: در این روش سیال هم نوع ویا غیر هم نوع به درون مبادله کن حرارتی تزریق می شود و در نتیجه آن اغتشاش زیادتر شده و لایه مرزی حرارتی و مومنتوم شکسته می شود و ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد.
باید توجه داشت که هر یک از از روشهای افزایش انتقال حرارت، علاوه بر بالا بردن ضریب انتقال حرارت معمولا افت فشار را نیز افزایش می‌دهند از این رو هنگام استفاده از روشهای مذکور علاوه بر تأمین انتقال حرارت مورد نیاز، محدودیت‌های دبی جریان و افت فشار نیز باید برآورده شود. معمولا برای نشان دادن کارآمدی یک روش در افزایش انتقال نسبت به افزایش انتقال حرارت آن، از عددی به عنوان ضریب بهبود عملکرد حرارتی استفاده می‌شود.
انتقال حرارت