دانشگاه‌ صنعتي اروميه
دانشكده فني و مهندسي
گروه مهندسي مکانيک
عنوان:
بررسي عددي تأثير ابعاد هندسي نازلهاي تزريق جهت افزايش عملکرد سرمايشي دستگاه ورتکس تيوب
پژوهشگر :
ناصر محمدزاده
استاد راهنما :
دکتر نادر پورمحمود
دكتر ايرج ميرزايي
پايان نامه كارشناسي‌ ارشد رشته مکانيک گرايش تبديل انرژي
مهر ماه 1392
با سپاس ازسه وجود مقدس:
آنان که ناتوان شدند تا ما به توانايي برسيم…
موهايشان سپيد شد تا ما رو سفيد شويم…
و عاشقانه سوختند تا گرمابخش وجود ما و روشنگر راهمان باشند…
پدرانمان
مادرانمان
استادانمان
چکيده
در اين مطالعه، با استفاده از تكنيك ديناميك سيالات محاسباتي، سعي بر آن شده است که ابعاد بهينه براي نازلهاي تزريق دستگاه ورتکس تيوب بدست آيد. بدين منظور شبيه سازي عددي براي مقادير مختلف طول، عرض و ارتفاع نازلهاي تزريق انجام گرفته و ساير ابعاد ورتكس تيوبهاي مدل شده براي تمام مدل ها يكسان در نظر گرفته شده است که همان ابعاد دستگاه ورتکس تيوب اسکاي و همکاران مي باشد. نتايج عددي براي جريان هاي آشفته و تراكم پذير با استفاده از مدل توربولانس استانداردk-? به دست آمده اند. هدف اصلي اين مطالعه عددي بدست آوردن حداقل دماي ممكن در خروجي سرد با تغيير ابعاد نازلهاي تزريق ميباشد. در بررسي حاضر، به بررسي فشار در محفظه چرخش و رابطه آن با دماي خروجي سرد دستگاه پرداخته شد که در نهايت به ازاي مقادير خاصي از ابعاد نازلهاي تزريق، جدايش انرژي بهتري حاصل شده است. در نهايت برخي از نتايج حاصل از كار عددي با نتايج تجربي مقايسه شده اند كه مطابقت قابل قبولي بين آنها وجود دارد.
کلمات کليدي
ورتکس تيوب، نازل، جدايش دمايي، شبيه سازي عددي، محفظه چرخش ، جريان هاي برگشتي.
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه
1-1 رانکيو-هيلش ورتکس تيوب1
1-2 تحقيقات رانکيو2
1-3 تحقيقات هيلش3
1-4 ورتکس تيوب مخروطي يا واگرا4
1-5 ساختار کلي دستگاه5
1-6 مزايا و معايب ورتکس تيوب6
1-6-1 مزيتهاي عمده ورتکس تيوب6
1-6-2 برخي معايب ورتکس تيوب7
1-7 ورتکس تيوبهاي تجاري7
1-8 کاربردهاي ورتکس تيوب7
1-8-1 خنک کاري موضعي7
1-8-2 گرمايش موضعي8
1-8-3 خنک کننده هواي شخصي9
1-8-4 کاربرد به عنوان يک سيستم جدا کننده رسوب9
1-8-5 کاربرد به عنوان يک سيستم پالاينده در صنايع نفت و گاز9
1-8-6 کاربرد در جوشکاري اولتراسونيک10
1-9 کارهاي آزمايشگاهي10
1-10 ساختار کلي پايان نامه11
فصل دوم: مروري بر کارهاي گذشته
2-1 تحقيقات آزمايشگاهي بر روي ورتکس تيوب13
2-1-1 پارامترهاي ترموفيزيکي13
2-1-2 پارامترهاي هندسي14
2-2 تحقيقات تئوري بر روي ورتکس تيوب15
2-2-1 مدل تراکم و انبساط آدياباتيک15
2-2-2 اثر اصطکاک و توربولانس15
2-2-3 مدل جريان آکوستيک16
2-2-4 مدل چرخش ثانويه17
2-3 تحقيقات عددي بر روي ورتکس تيوب19
2-3-1 محل نقاط سکوني طولي و شعاعي داخل ورتکس تيوب19
2-4 بررسي نازلهاي تزريق دستگاه20
2-4-1 تحقيقات آزمايشگاهي بر روي نازلهاي تزريق دستگاه ورتکس تيوب21
2-5-2 مطالعات عددي بر روي نازلهاي تزريق دستگاه ورتکس تيوب22
فصل سوم: تجزيه و تحليل نظري ورتکس تيوب
3-1 بررسي ترموديناميکي ورتکس تيوب24
3-1-1 قانون اول ترموديناميک26
3-1-2 قانون دوم ترموديناميک26
3-2 مدل چرخش ثانويه آلبرن29
3-2-1 مدل چرخش ثانويه آلبرن (مدل مبدل حرارتي)29
3-2-2 مدل اصلي چرخش ثانويه آلبرن31
3-2-3 تفسير مدل آلبرن32
3-2-4 مدل آلبرن اصلاح شده33
فصل چهارم: مدل عددي بررسي شده
4-1 شبيه سازي عددي ورتکس تيوب38
4-1-1 معادلات حاکم38
4-1-2 مدلسازي توربولانس39
4-2 توصيف هندسي ورتکس تيوب مدل شده41
4-3 شرايط مرزي42
4-3-1 ورودي (Inlet)42
4-3-2 خروجي سرد (Cold Exit End)43
4-3-3 خروجي گرم (Hot Exit End)43
4-3-4 ديواره ورتکس تيوب (Wall)43
4-4 اهداف و دورنماي بررسي و تحقيق عددي 43
4-5 بررسي استقلال نتايج عددي از مش بندي44
4-6 بررسي مدل توربولانس45
4-7 مقايسه نتايج عددي با تجربي و اعتباردهي به نتايج عددي46
4-8 بررسي قانون دوم ترموديناميک براي ورتکس تيوب47
فصل پنجم: بررسي تأثير ابعاد نازلهاي تزريق بر عملکرد دستگاه ورتکس تيوب
5-1بررسي تأثير ارتفاع نازل بر دماي خروجي سرد و گرم دستگاه495-2مفهوم جريان برگشتي در ورتکس تيوب535-3بررسي عدد ماخ داخل محفظه چرخش در حالات مختلف ارتفاع نازل545-4بررسي تناظر بين فشار در محفظه چرخش و دماي خروجي سرد دستگاه555-5بررسي تأثير سطح مقطع مستطيلي ورودي نازل بر روي جدايش دمايي سرد دستگاه585-6توزيع دما و خطوط مسير605-7بررسي مولفه چرخشي سرعت و ماکزيمم مقدار آن615-8نرخ توان سرمايشي و گرمايشي625-9تحليل عدد ماخ و فشار کل در مدل حالت بهينه و اسکاي و همکاران[66]63

فصل ششم: نتايج و پيشنهادات
6-1 خلاصه نتايج 66
6-2 پيشنهاد براي کارهاي آتي 68
فهرست منابع و مأخذ 69
فهرست جداول
جدول 2-1: طول و قطر ورتکس تيوبهاي استفاده شده در برخي از مقالات18
جدول 4-1: مشخصات هندسي ورتکس تيوب مدل شده42
جدول 5-1 دماي خروجي سرد براي ارتفاع هاي مختلف نازلها 50
جدول 5-2 : مقادير بيشينه فشار در محفظه چرخش و دماي خروجي سرد دستگاه57
جدول 5-3: جدايش دماي خروجي سرد براي نسبت هاي مختلف? = B/W براي H = 6 m…..59
فهرست اشکال
شکل 1-1: نحوه عملکرد و اجزاي يک ورتکس تيوب1
شکل 1-2: سطح مقطع ورتکس تيوب طراحي شده توسط رانکيو2
شکل 1-3: ورتکس تيوب مربوط به شرکت Exair2
شکل 1-4: شماتيک ورتکس تيوب با جريان مخالف4
شکل 1-5: شماتيک ورتکس تيوب با جريان موازي4
شکل 1-6: شماتيک ورتکس تيوب مخروطي5
شکل 1-7: اجزا تشکيل دهنده ورتکس تيوب به همراه پلان مونتاژ6
شکل 1-8: يک نمونه از ورتکس تيوب ساخت شرکت ITW Vortec (تفنگ هواي سرد)7
شکل 1-9: کابينت کنترلي ساخته شرکت Exair8
شکل 1-10: جزئيات خنک کاري يک کابينت کنترلي توسط ورتکس تيوب ساختهي شرکت Exair8
شکل 1-11: کاربرد ورتکس تيوب در جليقهي هوا 9
شکل 1-12: استفاده از ورتکس تيوب بعنوان استخراج و جدا کننده رسوب از يک جريان 9
شکل 1-13: استفاده از ورتکس تيوب به عنوان پالاينده و جدا کننده هيدروکربنهاي سنگين10
شکل 1-14: استفاده از ورتکس تيوب براي خنک کاري محل جوشکاري اولتراسونيک10
شکل 1-15: نمونه آزمايشگاهي از ورتکس تيوب ساخته شده توسط پورمحمود11
شکل 2-1: جريان ثانويه در ورتکس تيوب17
شکل 2-2: مولفههاي سرعت چرخشي و محوري در z=0/007L و z=0/5L براي کسر دبيهاي مختلف20
شکل 2-3: توزيع مولفههاي سرعت محوري براي نسبتهاي دبي جرمي مختلف در خروجي سرد20
شکل 3-1: حجم کنترل در نظر گرفته شده براي آناليز ترموديناميکي25
شكل3-2: نتايج حاصل از آناليز ترموديناميكي براي دماي سرد و گرم خروجي به صورت تابعي از کسر جرمي سرد و ضريب فرآيند بازگشت ناپذيري در K300 و bar 6 و bar 1. شماره روي منحني ها مقدار ضريب مي باشد.28
شکل 3-3: مدل چرخش ثانويه (الف) جريان چرخشي دروني و محيطي در ورتکس تيوب (ب) حلقه چرخش ثانويه و محيطي در ورتکس تيوب (شماره هاي 0 تا 5 موقعيت هايي است که فرايند به صورت فرضي آغاز و اتمام مييابد.)30
شکل 3-4: توزيع سرعت رانکين در محفظه چرخش33
شکل 3-5: رابطه بين نسبت فشار بي بعد و عدد ماخ 36
شکل 4-1: الگوريتم حل تفکيکي بکار گرفته شده در حل معادلات39
شکل 4-2: پروفيل شبکه ايجاد شده در مدل سه بعدي پريوديک با نمايش ميدان محاسباتي مساله41
شکل 4-3: مطالعه استقلال از مش بندي بر مبناي حداکثر جدايش دمايي سرد45
شکل 4-4: مطالعه استقلال از مش بندي بر مبناي حداکثر سرعت چرخشي در محفظه چرخش45
شکل 4-5: دماي گاز در خروجي سرد به ازاي مدل هاي مختلف توربولانس46
شکل 4-6: دماي گاز در خروجي گرم به ازاي مدل هاي مختلف توربولانس46
شکل 4-7: جدايش دمايي به دست آمده در خروجي سرد46
شکل 4-8: جدايش دمايي به دست آمده در خروجي گرم46
شکل 4-9: اختلاف آنتروپي ايجاد شده به ازاي فشارهاي مختلف ورودي به ورتکس تيوب48
شکل 5-1: نمايي از ورتکس تيوب و پارامترهاي هندسي نازل آن…………………………………………………….49
شکل 5-2 : نمودار دماي خروجي سرد برحسب ارتفاع نازل براي w = 0.8 mm50
شکل 5-3 : نمودار دماي خروجي سرد برحسب ارتفاع نازل براي w = 0.9 mm50
شکل 5-4 : نمودار دماي خروجي سرد برحسب ارتفاع نازل براي w = 1 mm50
شکل 5-5 : نمودار دماي خروجي سرد برحسب ارتفاع نازل براي w = 1.2 mm50
شکل 5-6 : نمودار مقايسه جدايش دمايي در ?=0.3 برحسب ارتفاع نازل براي عرض هاي متفاوت نازل در a) خروجي سرد و b) خروجي گرم51
شکل 5-7: نمودار دماي خروجي سرد برحسب عرض نازل براي ارتفاع نازل 5 ميليمتر52
شکل 5-8: نمودار دماي خروجي سرد برحسب عرض نازل براي ارتفاع نازل 6 ميليمتر52
شکل 5-9: نمودار دماي خروجي سرد برحسب عرض نازل براي ارتفاع نازل 7 ميليمتر52
شکل5-10:کانتورهاي دمايي براي حالاتa)حالت بهينهb) بدترين حالت53
شکل 5-11: نمايش دو بعدي خطوط مسيردر نزديکي خروجي سرد بر حسب سرعت محوري54
شکل 5-12: طيف دماي کل در مقطعي نزديک خروجي سرد54
شکل5-13:کانتورهاي ماخ براي فاز يک بررسي و حالاتa)حالت بهينهb) حالت مياني c)بدترين حالت55
شکل 5-14 : نمودار تغييرات فشار در راستاي شعاعي براي ارتفاع 5 و براي عرض نازل 0.8 و 1.2 ميلي متر در محفظه چرخش56
شکل 5-15: نمودار تغييرات فشار در راستاي شعاعي براي ارتفاع 6 و براي عرض نازل 0.8 و 1.2 ميلي متر در محفظه چرخش56
شکل 5-16: نمودار تغييرات فشار در راستاي شعاعي براي ارتفاع H=7 و براي عرض نازل 0.8 و 1.2 ميلي متر در محفظه چرخش57
شکل 5-17: (کانتور فشار براي محفظه چرخش براي عرض نازل 0.8 ميليمتر(b کانتورفشار براي محفظه چرخش براي عرض نازل 1.2 ميليمتر58
شکل 5-18 : نمودار اختلاف دماي خروجي سرد با ورودي دستگاه برحسب ?59
شکل 5-19: کانتور دما بر حسب کلوين در مقاطع مختلف ورتکس تيوب براي ورودي 8.34 g/s-160
شکل 5-20: خطوط مسير براي سيال در ورتکس تيوب بر حسب دماي کل61
شکل 5-21: مقايسه ي روند تغييرات سرعت چرخشي در راستاي شعاعي براي مدل اسکاي و همکاران [66] و مدل بهينه در z/L = 0.162
شکل 5-22:نمودار ظرفيت گرمايشي براي W هاي مختلف به ازاي H هاي متفاوت62
شکل 5-23نمودار ظرفيت سرمايشي براي W هاي مختلف به ازاي H هاي متفاوت63
شکل 5-24: مقايسه ي روند تغييرات عدد ماخ در راستاي شعاعي براي مدل اسکاي و همکاران [66] و مدل بهينه در z/L = 0.164
شکل 5-25: مقايسه ي روند تغييرات فشار کل در راستاي شعاعي براي مدل اسکاي و همکاران [66] و مدل بهينه در z/L = 0.1164
شکل 5-26: مقايسه ي روند تغييرات اختلاف دماي کل در راستاي خط مرکزي لوله براي مدل اسکاي و همکاران [66] و مدل بهينه بازاي z/l هاي مختلف65
فصل اول
مقدمه
ورتکس تيوب يک اختراع ابتکارانه از دو دانشمند به نامهاي جورج ژوزف رانکيو و رودولف هيلش ميباشد، که جداگانه اين دستگاه را در طول جنگ در دهه 1940 درست کردند.[1] به همين خاطر ورتکس تيوب را به افتخار اين دو، رانکيو-هيلش ورتکس تيوب1 نيز مينامند.
ورتکس تيوب جريان گاز ورودي به لوله را به دو جريان جداگانه تقسيم ميکند: يکي گرمتر و ديگري سردتر نسبت به ورودي. نکته جالب توجه در مورد اين دستگاه، عدم وجود هيچ جزء متحرک، قطعه الکتريکي يا شيميايي و يا کار ورودي به آن ميباشد. عليرغم اينکه هندسه ورتکس تيوب ساده ميباشد ولي فرآيند ديناميک سيالات و ترموديناميک آن بسيار پيچيده ميباشد. تا کنون کارهاي آزمايشگاهي، تئوريک و عددي فراواني براي بررسي پديدهي جدايش دما2 در ورتکس تيوب انجام گرفته است. واضح است که با استفاده از تکنيک ديناميک سيالات محاسباتي3 ميتوان از پيچيدگيها و هزينههاي مربوط به کارهاي تجربي کاست.
1-1 رانکيو-هيلش ورتکس تيوب
در قرن نوزدهم فيزيکدان بريتانيايي جيمز ماکسول پيشنهاد داد که يک سيستم با دو خروجي مجزاي آب سرد و گرم عبوري از يک لوله ميتوان ساخت که با باز و بسته کردن يک شير کوچک کار کند. شير بايد به طور خودکار زمانيکه يک مولکول از آب گرم به آن ميرسد، باز و هنگاميکه يک مولکول از آب سرد به آن ميرسد، بسته شود.[2] اين وسيله خيالي ميتوانست به عنوان منبعي جهت دستيابي به سيالهاي سرد و گرم به طور همزمان باشد. اين دستگاه که ابتدا با نام لوله جنّي ماکسول ناميده ميشد، يک قرن بعد به واقعيت تبديل شد و امروزه به نام ورتکس تيوب شناخته ميشود. شکل 1-1 يک طرح شماتيک از اين دستگاه را نشان ميدهد که هواي متراکم ورودي را به دو جريان هواي سردتر و گرمتر تقسيم ميکند. جذابيت اين وسيله براي محققين همانطور که اشاره شد، عدم استفاده از هر گونه ابزار متحرک و يا کار ورودي به آن ميباشد.
شکل 1-1: نحوه عملکرد و اجزاي يک ورتکس تيوب [3]
همانطورکه اشاره شد در اصل ورتکس تيوب به نام دو دانشمند شناخته ميشود، اولي يک فرانسوي به نام رانکيو که در سال 1933 ورتکس تيوب را کاملاً به طور تصادفي کشف نمود و دوم يک آلماني به نام رودولف هيلش که در سال 1946 با انجام کارهاي آزمايشگاهي جامع و انتشار مقالهاي در اين زمينه، دستگاه را با موفقيت ساخت و تست نمود. تحقيقات اين دو نفر به صورت جزئيتر در ادامه بحث ميشود.
1-2 تحقيقات رانکيو
يکي از جامعترين مقالات داراي جزئيات مربوط به آناليز نحوه کشف ورتکس تيوب، توسط فولتن [1] اندکي بعد از کشف آن توسط رانکيو منتشر شد که در آن اشاره به اين موضوع شده است که رانکيو دماي سکون4 را با دماي استاتيک5 اشتباه گرفت و براي همين ورتکس تيوب ساخته شده توسط وي درست کار نکرد. شکل 1-2 ورتکس تيوب طراحي شده توسط رانکيو[4] را نشان ميدهد.
شکل 1-2: سطح مقطع ورتکس تيوب طراحي شده توسط رانکيو [4]
ورتکس تيوبهاي مدرن امروزي از لحاظ ساختار و نحوه طراحي شبيه آنچه در شکل 1-3 نمايش داده شده است، ميباشد که همراه با نقشه انفجاري آن است. اين ورتکس تيوب ساختهي شرکت Exair ميباشد.
شکل 1-3: ورتکس تيوب مربوط به شرکت Exair [5]
نخستين مقاله انتشار يافته در زمينه ورتکس تيوب مربوط به رانکيو در سال 1931 ميباشد. وي در اين مقاله نشان داد که ورودي هوا به صورت مماسي و شامل يک يا چند نازل تزريق6 ميتواند باشد. او همچنين توضيح داد که چگونه ميتوان با تنظيم اندازه قطر خروجي سرد يا تغيير مساحت خروجي گرم، به ميزان سرمايش مورد نظر رسيد. همچنين نتيجه گرفت که اگر خروجي گرم بسته باشد، دماي روي ديواره لوله7 به بيشترين مقدار خود ميرسد و نيز اينکه با افزايش فشار، دماي خروجي سرد کاهش مييابد. خلاصه تئوري رانکيو به اين صورت است که جريان گاز داراي چرخش در يک ورق ضخيم روي ديواره منبسط ميشود و لايههاي داخلي اين ورق روي لايههاي خارجي بوسيلهي يک نيروي گريز از مرکز فشار ميآورند و آنها را فشرده ميسازند و بنابراين باعث حرارت دادن به آنها ميشوند. در همان زمان لايههاي داخلي منبسط ميشوند و سرد ميگردند و اصطکاک ميان لايهها نيز به کمترين مقدار خود ميرسد.[4]
1-3 تحقيقات هيلش
هيلش[6] يک مقاله در سال 1946 منتشر نمود و در آن به طور مختصر به کار رانکيو در سال 1933 به عنوان منبع اصلي اين ايده اشاره نمود و به طراحي مشابهي براي ورتکس تيوب خود دست يافت. او در اين مقاله نوشت که هوا از طريق اريفيس در يک ميدان سانتريفيوژي از ناحيه فشار بالا در ديواره لوله به يک ناحيه فشار پايين در نزديکي محور لوله انبساط مييابد. در طول اين انبساط هوا بخش قابل توجهي از انرژي جنبشي خود را از طريق افزايش اصطکاک به لايههاي محيطي ميدهد. بنابراين اين لايهها با افزايش دما روبرو ميشوند. اصطکاک داخلي باعث جريان يافتن انرژي از محور لوله به محيط آن ميشود و سعي در رسيدن به يک سرعت زاويهاي واحد8 و يکنواخت در سطح کل لوله مينمايد. [6]
نکته قابل ذکر اين است که طبقه بندي ورتکس تيوب بر اساس محل قرارگيري خروجي هواي سرد در دو نوع بنا شده است. اولي ورتکس تيوب با جريان مخالف9 که با توجه به شکل 1-4، اين وسيله شامل يک قسمت ورودي با يک سري نازلهاي داراي يک سوراخ مرکزي، يک لوله گرم و يک شير مخروطي ميباشد. گاز فشرده با فشار و سرعت بالا به درون نازل ها وارد ميشود. با انبساط هواي داخل لوله، گردابهاي سريع تشکيل شده که با تنظيم شير مخروطي ميتوان مقدار هواي سرد را تغيير داد و در نهايت گازهايي که از اطراف سوراخ عبور ميکنند سرد و باقي مانده آن، گرم ميشود.

شکل1-4: شماتيک ورتکس تيوب با جريان مخالف [7]
ورتکس تيوب نوع دوم، ورتکس تيوب با جريان موازي10 ميباشد و همانند حالت قبلي بوده با اين تفاوت که هواي سرد به طور هم مرکز با هواي گرم خارج مي شود. عملکرد آن نيز شبيه به حالت جريان مخالف است. طرح کلي اين نوع ورتکس تيوب در شکل 1-5 نشان داده شده است.
شکل 1-5: شماتيک ورتکس تيوب با جريان موازي [7]
بعد از هيلش، تقريباً همه از طراحي ورتکس تيوب با جريان مخالف استفاده کردهاند تا نوع جريان موازي آن. اين امر به اين خاطر است که طراحي و ساخت ورتکس تيوب با نوع جريان مخالف سادهتر است و دو جريان سرد و گرم مجزا در دو خروجي روبروي هم بدست ميآيد. در اين پايان نامه نيز بر روي ورتکس تيوب با جريان مخالف کار ميشود.
1-4 ورتکس تيوب مخروطي يا واگرا 11
در اين نوع از ورتکس تيوبها که در شکل 1-6 ديده ميشود، تيوب يا لولهي ورتکس تيوب داراي زاويه واگرايي حدوداً 4 الي 7 درجه ميباشد، اين نوع از ورتکس تيوبها در مقايسه با انواع مرسوم از طول کارکرد کمتري برخوردارند و براي کاربردهاي خاص استفاده ميشوند.
شکل 1-6: شماتيک ورتکس تيوب مخروطي [7]
1-5 ساختار کلي دستگاه
همانگونه که قبلاً گفته شد ورتکس تيوب داراي هندسهاي نسبتا ساده مي باشد و به دور از هر گونه پيچيدگي در تعدد اجزاء تشکيل دهنده بوده که اين مساله از مهمترين امتيازات در مورد ورتکس تيوب ميباشد. به طور کلي يک ورتکس تيوب شامل بدنهاي ساخته شده از يک لوله با طول و قطر مشخص و نيز از يک يا چند نازل براي ورود جريان به داخل دستگاه که ابعاد هندسي نازلها و لوله بسته به طراحي متغير خواهند بود، ميباشد. همچنين يک شير کنترل کننده در انتهاي گرم وجود دارد که ميزان بازشدگي اين شير نقش تعيين کنندهاي در بازدهي دستگاه دارد و در نهايت يک خروجي سرد اجزاي اصلي تشکيل دهنده ورتکس تيوب هستند. شکل 1-7 ساختار کلي دستگاه به همراه اجزاي تشکيل دهنده وکليه قطعات موجود در يک ورتکس تيوب را نشان مي دهد.
اجزاي دستگاه عبارتند از :
يک يا چند نازل ورودي Injection Nozzle
بدنه لوله Tube
محفظه چرخش Vortex Chamber
اورينگ يا واشر هاي حلقوي O-ring
خروجي هواي سرد Cold Exit
خروجي هواي گرم(دريچه قابل تنظيم ) Hot End Valve
شکل 1-7: اجزا تشکيل دهنده ورتکس تيوب به همراه پلان مونتاژ [7]
1-6 مزايا و معايب ورتکس تيوب
بايد خاطر نشان کرد هر چند ورتکس تيوب برخي معايب مانند پايين بودن راندمان به نسبت ساير وسايل مهندسي را دارد اما اين وسيله يک وسيله منحصر بفرد ميباشد. از آنجايي که در مراکز صنعتي و کارخانجات، خط هواي فشرده موجود ميباشد و از طرفي چون ورتکس تيوبها به عامل محرک ديگري به جز هواي متراکم نياز ندارند، از اين وسيله در مراکز صنعتي به طور گسترده ميتوان استفاده نمود. کوچک بودن، سبک و کم حجم بودن، تعمير و نگهداري آسان، هزينه ساخت پايين، توليد هواي سرد فوري، دوام بالا (زيرا از استيل ضد زنگ ساخته ميشود و داراي محيط كاري تميز ميباشد)، امکان تنظيم هواي سرد و گرم، قيمت ارزان، نداشتن قسمت متحرک و … همگي از مزاياي ورتکس تيوب به شمار ميروند. همچنين هوا در اين دستگاه به عنوان يک مبرد بدون آلايندگيهاي زيست محيطي محسوب ميشود [8 و9 ].

1-6-1 مزيتهاي عمده ورتکس تيوب
نداشتن قسمتهاي متحرک ونيز وسيلهاي با قابليت اطمينان بالا
عدم نياز به نگهداري که اين امر به نوبه خود باعث کاهش هزينهها خواهد شد.
ساختمان فشرده وکم حجم
عدم وجود فن و …
قابل کنترل
عدم آلودگي محيط زيست و عاري از هر گونه ماده خطرناک مثل گاز فرئون و …
عدم نياز به انرژي حرارتي، الکتريکي و مکانيکي يا فرايند شيميايي
هزينه ساخت پايين
توليد هواي سرد و گرم جداگانه
دوام بالا
امکان تنظيم هواي سرد و گرم
قيمت ارزان
و …
1-6-2 برخي معايب ورتکس تيوب
ورتکس تيوب وسيله اي بسيار مفيد و کاربردي است طوري که برخي آنرا لوله جادويي نيز ناميدهاند اما با اين وجود برخي معايب نيز براي آن متصور است. از جمله:
پايين بودن راندمان تبريد در مقايسه با ساير وسايل مهندسي
نياز به منبع هواي فشرده
ايجادآلودگي صوتي
در مورد ايجاد آلودگي صوتي بايد گفت که امروزه شرکتهاي توليد کننده ورتکس تيوب اين مشکل را با اتصال خفه کن12 تا حدود زيادي حل نمودهاند.
1-7 ورتکس تيوبهاي تجاري
اگرچه هنوز دليل قانع کنندهاي براي توجيه پديدهي جدايش دما در ورتکس تيوب ارائه نشده است، اما اين مانع از رشد کاربرد اين وسيله در صنايع مختلف نميشود. خصوصاً اينکه اندازه کوچک دستگاه و جاگير نبودن آن بسيار مورد توجه است و براي خنککاريهاي موضعي استفاده فراوان از آن ميشود. اين نکته را بايد ذکر کرد که اگرچه ورتکس تيوب، دو جريان سرد و گرم توليد ميکند اما عمده کاربردهاي صنعتي آن در خنککاري ميباشد. شرکتها و کارخانههاي زيادي در دنيا در زمينه ساخت ورتکس تيوب فعاليت ميکنند، از جمله شرکتهاي Exair و ITW Vortec که هر دو در آمريکا هستند و براي بازارهاي بريتانيا، ايرلند و ساير کشورهاي اروپايي محصولات خود را صادر ميکنند.
1-8 کاربردهاي ورتکس تيوب
1-8-1 خنک کاري موضعي
ورتکس تيوب کاربردهاي صنعتي وسيعي در زمينه سرمايش موضعي(نقطهاي) براي دستگاههاي مختلف، خطوط توليد و فرآيند دارد. يک نمونه آن تفنگ مغناطيسي هواي سرد ميباشد. شکل 1-8 نمونهاي از آن را نمايش ميدهد که ساخت شرکت ITW Vortec ميباشد و براي خنک کاري در فرآيندهاي ماشين کاري مورد استفاده قرار ميگيرد.
شکل 1-8: يک نمونه از ورتکس تيوب ساخت شرکت ITW Vortec (تفنگ هواي سرد) [10]
بعضي ديگر از کاربردهاي خنک کاري ورتکس تيوب عبارتند از:
خنک کاري قالبهاي تزريق پلاستيک
دستگاههاي رطوبتگير گاز
خنک کاري دستگاههاي آب بندي حرارتي
خنک کاري کابينت کنترل حرارتي ديواري – يک نمونه از کابينت کنترلي ساخته شرکت Exair در اشکال 1-9 و 1-10 نمايش داده شده است.
و …
شکل 1-9: کابينت کنترلي ساخته شرکت [5] Exair
شکل 1-10: جزئيات خنک کاري يک کابينت کنترلي توسط ورتکس تيوب ساختهي شرکت [5] Exair
1-8-2 گرمايش موضعي
در بعضي کاربردهاي محدود ميتوان از هواي گرم خروجي از ورتکس تيوب براي گرمايش استفاده نمود. از جمله در:
لحيم و چسب کاري
خشک کردن جوهر روي برچسبها و قوطيها
1-8-3 خنک کنندهي هواي شخصي
از ورتکس تيوبها ميتوان در جليقههاي هوا استفاده نمود که براي توزيع هواي سرد يا گرم در قسمت نيم تنه بدن استفاده ميگردد. يک نمونه آن که ساخته شرکت ITW Vortec است، در شکل 1-11 نمايش داده شده است.
شکل 1-11: کاربرد ورتکس تيوب در جليقهي هوا [10]
1-8-4 کاربرد به عنوان يک سيستم جدا کننده رسوب
از ورتکس تيوب براي جداسازي يا خالص سازي جريان گاز يا مايعات نيز استفاده ميشود .استفاده از ورتکس تيوب به عنوان استخراج و جدا کننده رسوب از يک جريان در شکل1-12 ملاحظه ميشود.
شکل 1-12: استفاده از ورتکس تيوب بعنوان استخراج و جدا کننده رسوب از يک جريان [5]
1-8-5 کاربرد به عنوان يک سيستم پالاينده در صنايع نفت و گاز13
ورتکس تيوب به عنوان يک سيستم پالاينده وجداساز در صنايع نفت و گاز نيز کاربرد پيدا کرده است. ورتکس تيوب تفکيکي يا جداساز وسيلهاي است که براي خنک کردن و انبساط و چگالش و رطوبتگيري همزمان هيدروکربنهاي گازي به کار ميرود و در صنايع نفت وگاز نيز براي جداسازي هيدروکربنهاي سنگين ميتواند کاربرد داشته باشد. در شکل 1-13 نمونه هايي ديده ميشوند.
شکل 1-13: استفاده از ورتکس تيوب به عنوان پالاينده و جدا کننده هيدروکربنهاي سنگين [5]
1-8-6 کاربرد در جوشکاري اولتراسونيک14
براي خنک کاري محل جوشکاري اولتراسونيک از ورتکس تيوب استفاده گستردهاي ميشود. در شکل 1-14 يک نمونه ورتکس تيوب مدل3225 شرکت Exairملاحظه ميشود که قسمتي از قطعهاي را در حين جوشکاري اولتراسونيک خنک نگه ميدارد.
شکل 1-14: استفاده از ورتکس تيوب براي خنک کاري محل جوشکاري اولتراسونيک [5]
1-9 کارهاي آزمايشگاهي
با توجه به پيچيدگي کارهاي تجربي، کارهاي عددي در آناليز ميدان سيال داخل ورتکس تيوب بسيار متداول و ابزار بسيار مفيدي در کمک به محققين ميباشد. با اينحال آزمايشات اصليترين متد براي مطالعه ورتکس تيوب مي باشد.
با توجه به اينکه بيش از نيم قرن از کشف تصادفي ورتکس تيوب ميگذرد، ولي تا کنون تئوري رضايت بخشي براي توجيه پديده جدايش انرژي ارائه نشده است. لذا به موازات کارهاي عددي، آزمايشات و کارهاي تجربي با هم براي مطالعه ميدان سيال داخل ورتکس تيوب بهکار مي روند.
در ايران مطالعات تجربي و همچنين شبيه سازيهاي عددي 11]، 12، 13، 14 و 15[ فراواني توسط پورمحمود بر روي ورتکس تيوب انجام و نتايج علمي قابل توجهي در مورد آن استخراج شده است. اين مطالعات زير نظر ايشان از چندين سال پيش انجام و نمونهي آزمايشگاهي ساخته شده و براي مطالعه تجربي ورتکس تيوب بهکار ميرود. درشکل 1-15 نمونه ورتکس تيوب ساخته شده توسط پورمحمود نشان داده شده است.
شکل 1-15: نمونه آزمايشگاهي از ورتکس تيوب ساخته شده توسط پورمحمود
1-10 ساختار کلي پايان نامه
فصل اول شامل مقدمه اي در مورد دستگاه ورتکس تيوب، مزايا و معايب آن و کاربردهاي آن در صنعت و ساختار کلي پايان نامه مي باشد. در فصل دوم به مروري بر کارهاي قبلي انجام شده در اين زمينه پرداخته شده است. در فصل سوم قانون هاي ترموديناميکي که در ورتکس تيوب کاربرد دارد بيان شده و ويژگي هاي مدل چرخش ثانويه آلبرن ارائه شده است. در فصل چهارم مدل عددي بررسي شده در پايان نامه معرفي و معادلات و شرايط مرزي حاکم بر آن بيان ميشود. همچنين نتايج عددي بدست آمده با مقايسه با نتايج تجربي، اعتبار دهي ميشوند. در فصل پنجم به بررسي تأثير ابعاد نازلهاي تزريق بر عملکرد ورتکس تيوب و لاينفک بيان علت جريان برگشتي در خروجي سرد، که پارامتر تأثير گذاري در دماي خروجي سرد ميباشد، همچنين بررسي پارامتر بي بعد ? صورت گرفته، چگونگي کاهش اثر نامطلوب ناحيه پر فشار و در نهايت جدايش انرژي و COP دستگاه مورد بررسي قرار ميگيرد.
فصل دوم
مروري بر کارهاي گذشته
مطالعه وآشنايي با کارهاي قبلي و نتايج تحقيقاتي که قبلاً منتشر شده است از ضروريات شروع يک تحقيق و پژوهش علمي است. از سال 1934، مقالات زيادي به زبانهاي مختلف در مجلات معتبر علمي و کنفرانسهاي برگزار شده، در مورد ورتکس تيوب به چاپ رسيده است. تمامي اين مقالات مستقيماً به پژوهش حاضر مربوط نميباشد خصوصاً مقالاتي که مربوط به کارهاي تجربي و آزمايشگاهي هستند. بسياري از کارهاي آزمايشگاهي انجام شده تنها به بيان نتايج بسنده کردهاند و در مورد فيزيک جريان و مفاهيم مربوط به جدايش انرژي در ورتکس تيوب بحث نکردهاند. در اين فصل کارهاي تئوري و عددي و آزمايشگاهي مهم و مرتبط با پايان نامهي حاضر معرفي و در مورد آنها به اختصار بحث ميگردد. نمودار زير اين تقسيم بندي و زير مجموعه هاي آن را نشان مي دهد :
2-1 تحقيقات آزمايشگاهي بر روي ورتکس تيوب
تحقيقات آزمايشگاهي مربوط به مطالعه و بررسي اثر دو پارامتر مهم زير ميباشد:
پارامترهاي ترموفيزيکي15 نظير نوع سيال، فشار ورودي، دماي ورودي و غيره
پارامترهاي هندسي16 نظير تعداد و پروفيل نازلهاي ورودي، قطر لوله، طول و غيره
2-1-1 پارامترهاي ترموفيزيکي
يکي از اهداف مهم کارهاي آزمايشگاهي بررسي اثر تراکم پذيري سيال عامل (غالباً هوا) است. اولين مطالعات تجربي در اين زمينه در سال 1967 توسط ليندستروم-لنگ [16] و در سال 1977 توسط مارشال [17] انجام و به چاپ رسيد. سيالهاي عامل مورد استفاده در کار آنها گازهاي ترکيبي شامل اکسيژن و نيتروژن، کربن دي اکسيد و هليوم، کربن دي اکسيد و هوا و چندين ترکيب ديگر بودند. در سال 2001، ورتکس تيوب به عنوان سيستم جداساز گاز CO2 توسط راترمن و همکاران[18] استفاده شد. در 2002، کولکارني و سردساي [19] براي غليظ کردن گاز متان از آن استفاده نمودند. در سال 2004، گاز طبيعي توسط پوشرنف و خودرکوف [20] به عنوان سيال عامل استفاده شد و از طريق ورتکس تيوب تبديل به مايع شد.
در 1979، تاکاهاما و همکاران [21] از بخار آب استفاده نمودند و در همان سال پروپان دو فازي توسط کولينس و لووليک [22]مورد استفاده قرار گرفت. آنها متوجه شدند، زمانيکه درجه خشک بودن17 (نسبت جرم ذرات گاز به جرم کل) پروپان بالاتر از 8/0 باشد، اختلاف دماي قابل توجهي به دست ميدهد. در هنگام استفاده از سيال دو فازي، درجه خشک بودن يک پارامتر مهم است و زمانيکه اين مقدار از يک ميزان بحراني بيشتر شود، جدايش انرژي صورت ميگيرد.
در سال 1988، بالمر [23] از آب مايع استفاده نمود. او دريافت که هنگام به کاربردن آب مايع بايد فشار کاري بسيار بالا باشد (مثلاً 20 تا 50 بار) تا جدايش انرژي صورت گيرد. پس ميتوان نتيجه گرفت که تراکم پذيري نقش قابل توجهي در جدايش انرژي دارد. خلاصه نتايج حاصل از کارهاي تجربي صورت گرفته بر روي پارامترهاي ترمو فيزيکي را ميتوان به صورت زير بيان نمود.
سيال عامل نقش تعيين کنندهاي در عملکرد ورتکس تيوب دارد.
با انتخاب سيالهاي عامل مختلف، ميتوان عملکرد سيستم را بهينه نمود.
از ورتکس تيوب ميتوان براي جداسازي استفاده نمود
2-1-2 پارامترهاي هندسي
پارامترهاي هندسي شامل محل قرارگيري خروجيهاي سرد و گرم، شير کنترل و نازلهاي ورودي ميباشد. همانطور که در فصل اول اشاره شد، بسته به محل قرار گيري خروجي سرد دو نوع ورتکس تيوب با جريان موازي و مخالف داريم.
در ميان کارهاي تجربي، کاکريل [24] در سال 1995، نتيجه گرفت که عملکرد ورتکس تيوب با جريان مخالف نسبت به نوع جريان موازي آن، برتري دارد. از اين رو در اکثر کاربردهاي عملي نوع جريان مخالف ورتکس تيوب استفاده ميشود. پژوهش تجربي در زمينهي اثر پارامترهاي هندسي بر طراحي و عملکرد ورتکس تيوب بسيار گسترده است.
اولين مورد در سال 1948 توسط هيلش [6] بود. تاکاهاما [25] (1965) کارهاي بسيار ارزندهاي در اين زمينه انجام داد و اثر فشار و دما داخل ورتکس تيوب ونيز تأثير فاکتورهاي هندسي مهم روي جدايش انرژي را بررسي کرد. در سال 1977، مارشال [17] به صورت تجربي اثبات کرد که جدايش دما مربوط به اثر سانتريفيوژي ميباشد. نتايج او نشان ميدهد که لولههاي استاندارد و بزرگ با در نظر گرفتن افت فشار، عملکرد مشابهي در ميزان جدايش انرژي دارند. آلبرن و گرووز [26] در 1997 با استفاده از يک لوله پيتوت جريان چرخشي ثانويه را در ورتکس تيوب مشاهده کردند. آنها با اندازهگيري ميدان سرعت مشخص کردند که جريان برگشتي در مرکز لوله، دبي بيشتري نسبت به دبي خروجي از قسمت سرد را دارد بنابراين ورتکس تيوب بايد داراي يک جريان چرخشي ثانويه باشد که محاط بر چرخش اوليه است و سيال را از هسته جريان پشتي18 به نواحي ديگر انتقال ميدهد. کار ژائو و همکاران [27] در 2005 و ايامسا-آرد و پرومونگ[28] در سال 2008 نيز از ديگر موارد تجربي در اين زمينه ميباشند.
2-2 تحقيقات تئوري بر روي ورتکس تيوب
تحقيقات تئوري نيز به موازات کارهاي آزمايشگاهي انجام گرفتهاند که بيشتر مرتبط با همان کارهاي تجربي هستند و شامل تحقيقات تحليلي و عددي ميباشند. براي نمونه در سال 1997، گاتسول [29] و در 2002، لئنتوف [30] مطالعات تئوريک کاملي در مورد ورتکس تيوب انجام دادند. اين تحقيقات را ميتوان به موارد زير دسته بندي نمود.
2-2-1 مدل تراکم و انبساط آدياباتيک
اولين بار رنکيو [4] فرض کرد که جدايش انرژي ناشي از انبساط آدياباتيک در ناحيه مرکزي و تراکم آدياباتيک در ناحيه محيطي است. در سال 1947، هيلش [6] از ايده مشابهي براي بيان اين پديده در ورتکس تيوب استفاده کرد. علاوه بر آن، وي اصطکاک داخلي بين لايههاي داخلي و محيطي گاز را نيز معرفي نمود. او از اين تئوري براي توجيه نتايج تجربي خود استفاده نمود. اما فرآيند موجود در ورتکس تيوب به طور کامل آدياباتيک نيست [6]. اين مدل بعدها توسط فولتون [31] رد شد.
2-2-2 اثر اصطکاک و توربولانس
در سال 1950، فولتون [31] فرض کرد که جدايش انرژي ناشي از جريان گردابهاي آزاد و اجباري در داخل سيستم ميباشد. وي اظهار داشت که “گاز ورودي قبل از آنکه به انتهاي لوله برسد، موفق به تشکيل گردابهي آزادي ميشود که سرعت دوراني آن در ناحيه محيطي پايين و در ناحيه مرکزي بالاست. اما اصطکاک بين لايههاي هوا باعث ميشود که سرعت گاز همانند يک جسم صلب به يک سرعت دوراني واحد کاهش يابد.” در طول فرآيند اصطکاک داخلي بين لايههاي محيطي و مرکزي، گاز محيطي انرژي جنبشي بيشتري نسبت به ميزان انرژي داخلي که از دست ميدهد، بدست ميآورد و اين باعث ميشود که دماي آن بالاتر از جريان مرکزي باشد. گاز جريان يافته در مرکز لوله انرژي جنبشي از دست ميدهد، بهدست ميآورد و بنابراين دماي آن پايين تر است.
لاي [32] از نظريهي حرکت گردابهاي پتانسيلي و اجباري براي آناليز ورتکس تيوب استفاده کرد و يک فرمول بندي کامل رياضي را ارائه نمود که اثر اصطکاک داخلي و اغتشاش را به عنوان دلايل اصلي براي جدايش انرژي در نظر ميگرفت. کريث و مارگوليس [33] و آليموف [34] نيز اثر اصطکاک را به عنوان دليل جدايش دما برشمردند. رينولدز [35] و [36] و دايسلر و پرلموتر [37] هم جدايش انرژي را ناشي از اصطکاک و توربولانس دانستند. ون ديمتر [38] در سال 1951 با استفاده از شبيه سازي عددي بر اساس معادله برنولي به نتايج مشابهي با کار فولتون [31] دست يافت و پروفيل دما را بر اساس عدد پرانتل توربولانس بدست آورد. همچنين تطابق قابل قبولي بين کار وي و نتايج هيلش [6] وجود دارد.
رينولدز [36]، دايسلر و پرلموتر [37]، سيبولکين [39] و لولن [40] همگي آناليزهاي رياضي بر اساس معادلات توربولانس ناوير استوکس ارائه دادند. بر اساس نتايج آنها، انتقال حرارت بين لايههاي سيال توسط گراديانهاي دمايي و فشاري ناشي از اختلاط توربولانس ميباشد و کار ناشي از تنش برشي باعث ايجاد جدايش انرژي ميشود. لولن [40] با شبيه سازي عددي و مطالعات تجربي تئوري فوق را مورد بررسي قرار داد و به اين نتيجه رسيد که جدايش انرژي در اصل به خاطر اصطکاک داخلي و اغتشاش مشخص شده بر اساس عدد لزجت توربولانس است.
گاتسول [29]، تعداد زيادي از تئوريهاي روسي موجود در گذشته را در يک بررسي کلي خلاصه نمود. او يک مدل توربولانس که از اثر تبادل حرکت ميکرو حجمها19 استفاده ميکرد، براي توضيح دليل جدايش انرژي پيشنهاد داد. گاتسول توضيح داد که به خاطر حرکت توربولانسي در خروجي نازل، حرکت گردابهاي توربولانسي در داخل لوله در لايه هاي مختلف بوجود ميآيد. از طريق اين انتقال جرم آشفته، تبادل انرژي جنبشي و حرارت بين لايههاي سيال صورت ميگيرد. اين تئوري مشابه با تئوري فولتون [31] ميباشد اما جنبه رياضي آن بيشتر ميباشد.
اصطکاک داخلي که در مدلهاي اصطکاک و آشفتگي به آن اشاره شد، ناشي از لزجت بين لايههاي مختلف گاز ميباشد و با آنچه که توسط پارولکر [41] بيان شد، متفاوت است. اصطکاک بيان شده توسط وي، اصطکاک بين ديواره و سيال است.
مدلهاي اصطکاک و توربولانس، مدلهاي کاملي نيستند. روابط بيان شده توسط محققين مختلف، شامل تعداد زيادي از پارامترهاي توربولانس هستند که تعيين مقادير دقيق آنها دشوار است و بيشتر بر اساس فرضيات تعيين ميشوند. تمامي اين مشکلات کاربرد اين مدلها را محدود ميکنند.
2-2-3 مدل جريان آکوستيک20
کوروسوکا [42]، اولين بار در سال 1982 تئوري جريان آکوستيک را مطرح نمود. وي تحقيقاتش را بر روي توابع اساسي منظم/غير منظم توربولانس متمرکز نمود و يک رابطه بين فرکانسهاي تشديد آکوستيک و فرکانس حرکت گردابه اجباري پيدا نمود و نتيجه گرفت که جدايش انرژي در ورتکس تيوب به خاطر ميرا شدن جريان آکوستيک در طول محور لوله به سمت خروجي گرم است. در سال 2005، فرکانسهاي يافت شده از آناليز طيفي بوسيله ژائو و همکاران [27] بر روي رشته سيم حرارتي تأييدي بر وجود پديده آکوستيک گذاشت.
2-2-4 مدل چرخش ثانويه21
آلبرن و گروز [26]، يک مدل چرخش ثانويه بر اساس آزمايشات تجربيشان پيشنهاد دادند. آنها فهميدند که جريان جرم انباشته در سطح مقطع ورتکس تيوب در سمت خروجي سرد بيشتر از جريان خروجي از خود خروجي سرد است و اين بيانگر وجود يک چرخش ثانويه در ورتکس تيوب است. با اين مدل چرخش ثانويه، ورتکس تيوب را ميتوان به عنوان يک وسيله سرمايشي کلاسيک در نظر گرفت و جريان چرخشي ثانويه را ميتوان به عنوان يک سيکل کلاسيک در نظر گرفت[26]. شکل 2-1 مدل چرخش ثانويه را به صورت شماتيک نشان ميدهد.
شکل 2-1: جريان ثانويه در ورتکس تيوب
الگوي جريان ثانويه به صورت تجربي مورد توجه افراد زيادي از جمله ليندرستروم-لنگ [16]، فولتون [31]، شپر [43]، آلبرن و گرووز [26] و ژائو و همکاران [27] و به صورت عددي هم مورد توجه محققيني مانند کاکريل [24]، گاتسول [29]، و الجويهل و همکاران [44] بوده است. تفاوت اصلي بين مدلهاي بيان شده توسط اين افراد اين است که جريان ثانويه يک سيکل بسته را طي ميکند



قیمت: تومان


پاسخ دهید