بررسی تجربی جوشش جریانی نانو سیال در لوله­های قائم

فصل اول: مقدمه و پیشینه پژوهشی …………………………………………………………………………………………………… 1

1-1طبقه بندی جوشش  …………………………………………………………………………………………………………………….. 3

• جوشش هسته ای و جابجایی ………………………………………………………………………………………………… 3

• جوشش استخری و جریانی ………………………………………………………………………………………………………. 4

1-2جوششاستخري……………………………………………………………………………………………………………………………. 4

1-2- 1منحني جوش ……………………………………………………………………………………………………………………….. 4

1-2-2 جوشش جابجائي آزاد………………………………………………………………………………………………………………. 5

1-2-3 جوشش هسته اي ……………………………………………………………………………………………………………………. 5

1-2-4 جوشش انتقالي …………………………………………………………………………………………………………………………. 6

1-2-5 جوشش فيلمي………………………………………………………………………………………………………………………… 6

1-3 جوشش جریانی …………………………………………………………………………………………………………………………… 7

1-4الگوهای جریان دوفازدر لوله های قائم ………………………………………………………………………………………. 8

1-4-1جریان حبابی …………………………………………………………………………………………………………………………… 8

1-4-2 جریان لخته ای ………………………………………………………………………………………………………………………. 8

1-4-3جریان Churn ……………………………………………………………………………………………………………………… 9

1-4-4جریانWispy annular …………………………………………………………………………………………………….. 9

• جریان حلقوی………………………………………………………………………………………………………………………….. 9

• الگوی جریان در لوله های افقی ………………………………………………………………………………………….. 10

1-5-1جریان حبابی ……………………………………………………………………………………………………………………….. 10

1-5-2جریان توپی …………………………………………………………………………………………………………………………. 10

1-5- 3جریان چینه ای ……………………………………………………………………………………………………………………. 10

1-5-4 جریان چینه ای موجدار……………………………………………………………………………………………………….. 11

• جریان حلقوی ……………………………………………………………………………………………………………………… 11

• جوشش جریانی مادون سرد………………………………………………………………………………………………… 11

• شار حرارتی بحرانی ………………………………………………………………………………………………………………12

1-8  نانوسيالوفروسيال …………………………………………………………………………………………………………………13

1-8-1 اهميتوكاربردنانوسيال­ها………………………………………………………………………………………………….. 14

1-8-2بهبودانتقالحرارتوپايداري ……………………………………………………………………………………………. 14

• تهيه­ينانوسيال ………………………………………………………………………………………………………………….. 14

1-9 مروری بر کارهای گذشته …………………………………………………………………………………………………………. 15

فصل دوم: مواد و روش­ها …………………………………………………………………………………………………………………… 24

2-1 مدار ترموهیدرولیکی …………………………………………………………………………………………………………………. 25

2-2 منبع تغذیه ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 27

2-3 قسمت آزمایش …………………………………………………………………………………………………………………………. 28

2-4 مدار ثانویه …………………………………………………………………………………………………………………………………. 31

2-5 پمپ سیرکولاسیون ………………………………………………………………………………………………………………….. 31

2-6 پیش گرمکن …………………………………………………………………………………………………………………………….. 32

2-6-1 طراحی پیش گرمکن ……………………………………………………………………………………………………………. 31

2-7 کنترلر دمای ورودی …………………………………………………………………………………………………………………. 34

2-8 دماسنج ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 36

2-9 فشار سنج …………………………………………………………………………………………………………………………………. 38

2-10 شیر فشارشکن ……………………………………………………………………………………………………………………….. 40

2-11 نانوذرات ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 41

2-12 حمام فراصوت ………………………………………………………………………………………………………………………… 41

2-13 نانوسیال ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 42

2-14 خواص ترموفیزیکی نانوسیال …………………………………………………………………………………………………. 43

فصل سوم: بحث و نتایج ……………………………………………………………………………………………………………………. 45

3-1  تعیین دمای سطح داخل لوله ………………………………………………………………………………………………….. 46

3-2  تعیین شار حرارتی بحرانی از روی دما ……………………………………………………………………………………. 47

3-3 کالیبراسیون سنسورهای دما و فشار ………………………………………………………………………………………… 49

3-4 دبی سنجی ………………………………………………………………………………………………………………………………… 50

3-5 آماده سازی مدار برای انجام آزمایش ……………………………………………………………………………………….. 50

3-6  بررسی نتایج …………………………………………………………………………………………………………………………….. 51

3-6-1 اعتباردهی نتایج ……………………………………………………………………………………………………………………. 51

3-6-2 نتایج و بحث ………………………………………………………………………………………………………………………….. 54

3-7 خلاصه و نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………………………………. 62

3-8  پیشنهاد برای ادامه کار………………………………………………………………………………………………………………. 63

فهرست اشکال

شکل 1-1 : منحنی جوشش برای آب در فشار یک اتمسفر……………………………………………………………………………..5

شکل1-2 : الگوهای جریان دوفازی در لوله های قائم………………………………………………………………………………………. 8

شکل 1-3 :  نقشه جریان دوفاز برای جریان عمودی………………………………………………………………………………………. 9

شکل 1-4 : الگوی جریان دوفاز در لوله های افقی………………………………………………………………………………………… 10

شکل 1-5 : رژیم­های جوشش جریانی مادون سرد……………………………………………………………………………………….. 12

شکل1-6 : تاثیر غلظت نانوسیالات بر روی افزایش CHF در فشارهای مختلف………………………………………….. 16

شکل1-7 : شار گرمای بحرانی برای آب بر روی سطوح با پوشش های مختلف…………………………………………… 17

شکل1-8 : منحنی های جوشش برای نانوسیال رقیق آب/Al₂O₃ بر روی سطح مسی صاف و اکسید شد. 18

شکل1-9 : شار حرارتی بحرانی آب خالص و نانوسیالات a) نانوسیال آب/TiO₂ بر روی هیتر نیکل-کروم٬b) نانوسیال آب/Al₂O₃ بر روی هیتر نیکل-کروم٬c) نانوسیال آب/TiO₂ بر روی هیتر Ti…………………………… 19

شکل1-10 : مقایسه ی افزایش CHF آب خالص بر روی هیتر پوشیده از نانوذرات و نانوسیالات بر روی هیتر بدون پوشش a) هیتر از جنس نیکل-کروم و نانو ذرات از جنس TiO₂b)نانوذرات Al₂O₃  و هیتر از جنس نیکل-کروم c)نانوذرات TiO₂و هیتر از جنس Ti………………………………………………………………………………………….. 20

شکل1-11 : مقادیر CHF٬مربوط به آب خالص و نانوسیالات Al₂O₃٬zirconia٬silica……………….. 21

شکل1-12: جوشش آب خالص و نانوسیال Al₂O₃ (v% 01/0 ) در شار گرمای یکسان بر روی هیتر فولادی ضدزنگ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 21

شکل1-13: افزایش CHF٬ به صورت نسبت CHF مربوط به نانوسیال٬ به CHF مربوط به آب خالص (محاسبه شده از رابطه ی زابر)٬ برای نانوسیالات مختلف………………………………………………………………………………. 22

شکل1-14: تاثیر تری سدیم فسفات بر روی شار حرارتی بحرانی………………………………………………………………… 23

شکل1-15 : تاثیر بوریک اسید بر روی شار حراتی بحرانی…………………………………………………………………………… 23

شکل1-16: تاثیر افزودن نانوذرات اکسید روی و الماس برروی شار حراتی بحرانی……………………………………… 24

شکل1-17: تاثیر غلظت نانوذرات آلومینا برروی شار حرارتی بحرانی در شارهای جرمی مختلف……………….. 24

شکل 2-1 : طرح شماتیک مدار ترموهیدرولیکی…………………………………………………………………………………………… 26

شکل 2-2 : نمای کلی دستگاه آزمایش…………………………………………………………………………………………………………. 27

شکل 2-3 : منبع تغذیه………………………………………………………………………………………………………………………………….. 28

شکل 2-4 : قسمت آزمایش……………………………………………………………………………………………………………………………. 29

شکل  2-5 : نمودار شار حرارتی اتلافی…………………………………………………………………………………………………………. 30

شکل 2-6 : طرح شماتیک سیکل ثانویه………………………………………………………………………………………………………… 31

شکل 2-7 : پمپ سانتریفیوژ………………………………………………………………………………………………………………………….. 31

شکل2-8 : المنت­های هیتر و ترموستات مربوطه………………………………………………………………………………………….. 32

شکل 2-9 : شبکه بندی لوله پیش گرمکن……………………………………………………………………………………………………. 33

شکل 2-10: کانتور دمای سیال عامل در صفحه میانی لوله پیش گرمکن……………………………………………………..34

شکل 2-11 : کنترلر دمای ورودی به قسمت آزمایش………………………………………………………………………………….. 35

شکل 2-12 : مکانیزم نصب ترموکوپل برروی لوله آزمایش…………………………………………………………………………… 36

شکل 2-13 :  سنسور الکترونیکی فشار………………………………………………………………………………………………………… 40

شکل2-14: شیر فشارشکن…………………………………………………………………………………………………………………………… 40

شکل 2-15 : حمام اولتراسونیک……………………………………………………………………………………………………………………. 42

شکل 2-16 :  نانوسیال مورد آزمایش با غلظت 1/0% حجمی……………………………………………………………………… 43

شکل 3-1 : دمای دیواره در حین انجام آزمایش در محل وقوع شار حرارتی بحرانی…………………………………… 48

شکل 3-2 : سرخ شدگی لوله در حین آزمایشات اولیه…………………………………………………………………………………. 49

شکل 3-3 : نمودار اعتباردهی به نتایج بدست آمده………………………………………………………………………………………. 52

شکل 3-4: سوختگی صفحه اصلی بدلیل شار اتلافی…………………………………………………………………………………….. 53

شکل 3-5 : نمودار شار حرارتی بحرانی بر حسب دبی جرمی برای آب خالص، فروسیال 01/0% و 1/0%…… 54

شکل 3-6 : تصویر SEM سطح داخلی لوله بدون وقوع شار حرارتی بحرانی برای لوله بدون جوشش………. 56

شکل 3-7 : تصویر SEM سطح داخلی لوله در محل وقوع شار حرارتی بحرانی برای جوشش آب خالص… 57

شکل 3-8 :تصویر SEM سطح داخلی لوله در محل وقوع شار حرارتی بحرانی برای جوشش فروسیال 01/0% حجمی ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 58

شکل 3-9 :تصویر SEM سطح داخلی لوله در محل وقوع شار حرارتی بحرانی برای جوشش فروسیال 1/0% حجمی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 59

شکل 3-10 : زاویه تماس بین قطره آب و سطح داخلی لوله با جوشش آب خالص…………………………………….. 60

شکل3-11: زاویه تماس بین قطره آب و سطح داخلی لوله با جوشش فروسیال 1/0% حجمی ……… 60

فهرست جداول

جدول 2-1 : حروف اختصاری برای ترموکوپل­ها…………………………………………………………………………………………………… 37

جدول 2-2 : دقت­ها و محدوده کاربرد برخی از ترموکوپل­های متداول……………………………………………………………….. 38

جدول2-3 : مشخصات نانوذرات……………………………………………………………………………………………………………………………… 41

فهرست علائم
Bo	عدد باند
CP	گرمای ویژه در فشار ثابت
dT	اختلاف دما
g	شتاب گرانش
hfg	گرمای نهان تبخیر
I	شدت جریان الکتریکی
Nu	عدد نوسلت
p	فشار
	شار گرما
	شار گرمای بحرانی
Re	عدد رینولدز
Ts	دمای سطح
Tsat	دمای اشباع
	حجم مخصوص
	چگالی
K	رسانندگی گرمایی
	زاویه تماس
L	طول لوله
D	قطر لوله
G	دبی جرمی
R	مقاومت الکتریکی
P	توان کل الکتریکی
	مقاومت ویژه الکتریکی
V	اختلاف پتانسیل الکتریکی