تاثیر نانوذرات بر بهینه‌سازی چند هدفه مبادله‌کن گرمایی پوسته و لوله

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته‌ی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولی عصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

2 دانش آموخته ی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولی عصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولی عصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

چکیده

در این مقاله اثر نانوذرات مختلف بر بهینه‌سازی فنی-اقتصادی مبادله‌کن گرمایی پوسته و لوله بررسی شده است. اکسید آلومینیوم (Al2O3)و اکسید سیلیسیوم (SiO2) به عنوان نانوذارت بکار گرفته شده است. مدل‌سازی حرارتی بر اساس روش "ε-NTU" و بهینه‌سازی توسط الگوریتم ژنتیک چندهدفه برای افزایش کارایی و کاهش هزینه کلی سالیانه استفاده شده است. جانمایی لوله، قطرلوله، نسبت گام لوله، طول لوله، تعداد لوله، نسبت فاصله‌ی بفل، نسبت برش بفل، اختصاص جریان، تعداد گذر لوله و همچنین غلظت حجمی نانوذرات به عنوان ده متغیر طراحی در نظر گرفته شده است. نتایج به صورت یک مجموعه حل (جبهه بهینه پرتو) نمایش داده شده است. نتایج نشان می‌دهد که کارایی و هزینه کلی سالیانه در حالت نانوذرات بهبود یافته است. به عنوان مثال 4.174% و 2.028% بهبود کارایی به ترتیب برای نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید سیلیسیوم نسبت به حالت بدون نانوذرات در مقادیر ثابت هزینه کلی سالیانه برابر با $/year5000 ، مشاهده شده است. علاوه بر این اثر نانوذرات بر برخی از مشخصه‌های مبادله‌کن گرمایی مطالعه و نتایج ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها


[1]  Corcione M., Empirical Correlating Equations for Predicting the Effective Thermal Conductivity and Dynamic Viscosity of Nanofluids. Energy Conversion and Management, Vol. 52, No.1, pp. 789-793, 2010.
[2]  Vajjha R. S., Das D. K. and Kulkarni D. P., Development of New Correlations for Convective Heat Transfer and Friction Factor in Turbulent Regime for Nanofluids. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, No.21, pp. 4607-4618, 2010.
[3]  Sharma K. V., Sarm P. K., Azmi W. H., Mamat, R. and Kadirgama, K., Correlations to Predict Friction and Forced Convection Heat Transfer Coefficients of Water Based Nanofluids for Turbulent Flow in a Tube. International Journal of Microscale and Nanoscale Thermal and Fluid Transport Phenomena, Vol.  3, No.4, pp. 283–308, 2012. ‏
[4]  Suleiman Akilu., Sharman K. V., Aklilu. Tesfamichael Baheta. and Rizalman Mamat., A Review of Thermos Physical Properties of Water Based Composite Nanofluids. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 66, pp. 654–678, 2016.
[5]  Ebrahimnia Bajestan. E., Moghadam M. C., Niazmand H., Daungthongsuk W. and Wongwises S., Experimental and   Numerical Investigation of Nanofluids Heat Transfer Characteristics for Application in Solar Heat Exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 92, pp. 1041-1052, 2016. ‏
[6]     Prasad, P. D., Gupta, A. V. S. S. K. S., & Deepak, K., Investigation of trapezoidal-cut twisted tape insert in a double pipe U-tube heat exchanger using Al2O3/water nanofluid. Procedia Materials Science, Vol. 10, pp. 50-63, 2015.
[7]  Azad A., V. and Azad N. V., Application of Nanofluids for the Optimal Design of Shell and Tube Heat Exchangers Using Genetic Algorithm. Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 8, pp. 198-206, 2016. ‏
[8]  Elias M. M., Miqdad M., Mahbubul I. M., Saidur R., Kamalisarvestani M., Sohel M. R. and Amalina M. A., Effect of Nanoparticle Shape on the Heat Transfer and Thermodynamic Performance of a Shell and Tube Heat Exchanger. International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 44, pp. 93-99, ‏ 2013.
[9]  Zhao N., Yang J., Li S., and Wang Q. Numerical Investigation of Laminar Thermal-hydraulic Performance of Al2O3–Water Nanofluids in Offset Strip Fins Channel. International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 75, pp. 42-51, 2016.
[10]   Shahrul I. M., Mahbubul I. M., Saidur R. and Sabri M. F. M., Experimental Investigation on Al2O3–W, SiO2–W and ZnO–W Nanofluids and Their Application in a Shell and Tube Heat Exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 97, pp. 547-558, 2016.
[11] EL-MAGHLANY, Wael M., Experimental study of Cu–water nanofluid heat transfer and pressure drop in a horizontal double-tube heat exchanger. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 78, pp. 100-111, 2016.
[12] Kazemi-Beydokhti A. and Heris S. Z., Thermal Optimization of Combined Heat and Power (CHP) Systems Using Nanofluids. Energy, Vol. 4, No.1, pp. 241-247, ‏ 2012.
[13] Godson L., Deepak K., Enoch C., Jefferson B. and Raja B., Heat Transfer Characteristics of Silver/Water Nanofluids in a Shell and Tube Heat Exchanger. Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. 1, No.3, pp. 489-496, 2014‏.
[14]   Hajabdollahi H. and Hajabdollahi Z., Investigating the Effect of Nanoparticle on Thermo-Economic Optimization of Fin and Tube Heat Exchanger. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. ‏
[15] Shah R.K., and Sekulic P. Fundamental of Heat Exchanger Design, John Wiley andSons Inc. 2003.
[16] Kakac S., Liu H., and Pramuanjaroenkij A. Heat Exchangers: Selection, Rating, and Thermal Design. CRC Press, 2003.
[17] Delfani S., Karami M. and Akhavan-Behabadi M. A., Performance Characteristics of a Residential-Type Direct Absorption Solar Collector Using MWCNT Nanofluid. Renewable Energy, Vol. 87, pp. 754-764, ‏ 2016.
[18] Taal M., Bulatov I., Klemeš J. and Stehlı́k P., Cost Estimation and Energy Price Forecasts for Economic Evaluation of Retrofit Projects. Applied Thermal Engineering, Vol. 23, No.14, pp. 1819-1835, ‏ 2003.