تحلیل اگزرژی تاثیر انواع مختلف زائده های تولید گردابه روی عملکرد مبدلهای حرارتی پره لوله ای

آب- هوا

3، سعید حنایی2، محسن قاضی خانی1عماد نوری فرمشهد، دانشگاه فردوسی، دانشکده فنی، گروه مکانیک

e.noorifar@gmail.com

چکیده - چه++ار1(، ش++امل زائ++ده ه++ای: VGدر این مقاله تاثیر سه نوع مختلف زائده تولید گردابه )

- مثلثی بال++ه ای ش++کل ، روی ی++ک مب++دل3وجهی گوه ای شکل؛ مستطیلی بلوکی شکل؛ و با اس++تفاده از تحلی++ل اگ++زرژی و ب++ه ص++ورت آزمایش++گاهی بررس++ی حرارتی پره لوله ای

kg/sشده است. در این آزم+ایش ب+رای ب+ه جری+ان در آوردن ه+وا در مح+دوده ی دبی بین از روی مبدل حرارت پره لوله ای ، از یک سیس++تم تون++ل ب++اد اس++تفادهkg/s 0.069 تا 054.

و مح++دوده ی تغی++یرات دم++ای ورودی بینlit/h 240شده است. آب گرم نیز ب++ا دبی ث++ابت درجه سانتیگراد( ، و در حالت پایا درون لول++ه ه++ا ب++ه68 تا 44 درجه کلوین )341 تا 317

گردش در می آید. این آزمایش برای چهار حالت مختلف شامل حالتی ک++ه مب++دل ح++رارتی ها روی پره های مبدل حرارت نصبVGبدون زائده است و نیز حالتهایی که انواع مختلف

. نتایج نشان میدهد که استفاده از این زائده ها نسبت بازگش++تشده اند انجام شده است ( ، را ک++اهش می ده++د ک++ه این ک++اهش درASIHRناپذیری سمت هوا به نرخ انتقال حرارت)

های بلوکی شکل بیشتر از دو نوع دیگر آزمایش ش+ده اس+ت. دلی+ل این موض+وعVGمورد می تواند کاهش بازگشت ناپذیری سمت هوا ب++ه دلی++ل ک++اهش اختالف دم++ای می++انگین بین آب و هوای مبدل حرارتی و در عین حال بهبود شرایط انتقال حرارت باش+د. ب+رای آش+کار

، ازASIHRشدن تاثیرات انواع زائده ه++ا روی عملک++رد مب++دل ح++رارتی براس++اس ک++اهش ( ، اس++تفاده ش++ده اس++ت. نت++ایجPVGکمیت جدید دیگری به نام کارآیی زائده تولید گردابه )

ه++ای گ++وه ای ش++کل ت++اVG% برای 5 در محدوده ی کمتر از PVGنشان میدهد که مقادیر % برای زائده های بلوکی ش++کل اس+ت ک++ه نش+ان دهن+ده ی ت+اثیر مثبت ان+واع35بیش از

زائده ها به خصوص زائده های بلوکی شکل روی عملکرد مبدل حرارتی است .

، ک++ارآیی ، انتق+الVGمب+دل ح+رارتی ، بازگشت ناپ+ذیری ، اگ++زرژی ، واژه هاي كليدي: حرارت

-مقدمه1 مبدلهای حرارتی پره لوله ای بطور وسیعی در زمینه های مختل++ف از قبی++ل تولی++د ن++یرو ، تبرید ، سیستم های تهویه ، خودروه++ا و ص++نایع ش++یمیایی ک++اربرد دارن++د. در این ن++وع مب++دل ه++ا

].1مقاومت ح++رارتی س+مت ه+وا بخش مهمی از مق+اومت ح+رارتی کلی را ش+امل می ش+ود[ بنابراین برای بهبود کارآیی این نوع مبدلهای حرارتی ، بهبود دادن انتقال حرارت از روی سطح

ضروری است. روشی که برای بهبود شرایط انتقال حرارت سمت هوا در مبدلهای پ++ره پره ها ای مورد توجه قرار گرفته است ، به کار بردن انواع مختلف زائده ه++ای تولی+د گرداب++ه ب++ر روی

برجس++تگی ه++ای سطح پره ها در مسیر اصلی جریان است. تولید کننده های گردابه ب++ه ش++کل دانشجوی کارشناسی ارشد تبدیل انرژی دانشگاه فردوسی -11 گروه مکانیک دانشگاه فردوسی دانشیار-22- دانشجوی کارشناسی ارشد تبدیل انرژی دانشگاه فردوسی3

کوچکی هستند که به طرق مختلف مانند قالب گیری ، پانچ کردن و یا عملی++ات مختل++ف نص++ب کردن روی سطح پره ها در مسیر جریان قرار میگیرند. این زائده ها گرداب+ه ه++ایی ط+ولی ک+ه دارای محوری موازی ب++ا جهت اص++لی جری++ان هس++تند، را ایج++اد می کنن++د ک++ه م++وجب چ++رخش جریان اولیه شده و میزان اختالط را در نواحی پایین دست جریان افزایش می دهند. عالوه بر

ها الگوی جریان ثانویه را نیز تعیین میکنند. بدین ترتیب در این زائده ها بهبود شرایطVGاین ، انتقال حرارت با افزایش نسبتا کم میزان افت فشار همراه است.

]، تحقیقات عددی خود را برای بهبود انتقال حرارت در ی++ک کان++ال2بیسواس و همکاران [ با لوله های دایروی ساخته شده در آن ، و با حضور زائده های باله ای شکل ، ارائه کردند. آنها

تولید گردابه های طولی در ناحیه ویک پشت لوله ه++ا ، انتق++ال ح++رارت نشان دادند که به دلیل % افزایش داشته باشد که این موضوع می تواند کم++ک ب++زرگی ب++رای ک++اهش240می تواند تا

اندازه مبدل حرارتی باشد. ]، ب+ه بررس+ی ق+انون دوم ترمودینامی+ک ب+رای ی+ک مب++دل جری++ان3کتیشوغلو و همکاران [

متقاطع و در حضور نوع جدیدی از زائده های تولید گردابه بلوکی شکل پرداختند. آنها فهمیدن++د ک++ه اف++زایش س++رعت جری++ان متق++اطع ، ن++رخ انتق++ال ح++رارت را بهب++ود می بخش++د و بازگش++ت ناپذیری انتقال حرارت را کاهش میدهد و همچنین در اعداد رینول++دز ب++اال این زائ++ده ه++ا م++یزان

درصدی برای انتق++ال30 تا 15اختالط را داخل کانال مبدل حرارت بهبود میدهند. آنها افزایش درصدی را برای مبدل حرارت با زائده ه++ا و ب++دون30 تا 20حرارت و نیز افزایش افت فشار

زائده های تولید گردابه ثبت کردند. ]، مشاهدات عینی خود را از یک مبدل حرارت پ++ره لول++ه ای در غی++اب4وانگ و همکاران [

زائده های تولید گردابه و ن++یز در حض++ور دو ن++وع زائ++ده تولی++د گرداب++ه ک++ه دارای آرایش پش++ت سرهم هستند ارائه نمودند. آنها دریافتند که با اس++تفاده از زائ++ده ه++ا اختالط به++تری در جری++ان

55 تا 25صورت می گیرد و در عین حال اثرات اصطکاکی ناشی از به کار بردن زائده ها بین درصد نسبت به پره هایی با ساختار مسطح افزایش می یابد.

]، انتقال حرارت سمت هوا را در مبدل ه++ای ح++رارتی پ++ره لول+ه ای ب++ا5تیان و همکاران [ پره های موج دار و با وجود زائده های تولید گردابه باله ای دلتا ، در دو ح++الت آرایش++ی پش++ت سرهم و یک در میان بررسی کردند. آنها نشان دادند که گردابه های طولی نه تنها اندازه ناحیه ویک را کاهش می دهند بلکه سرعت جری++ان را در من++اطق وی++ک اف++زایش ن++یز می دهن++د. آنه++ا

% را برای مبدل حرارتی دارای زائده هایی ب++ا آرایش ی++ک در80افزایش انتقال حرارتی حدود % را برای آرایش زائده ای پشت سرهم ، نسبت به ح++الت ب++دون زائ++ده ثبت95میان و حدود

کردند. ]، ب++ه ک++اربرد زائ++ده ه++ای تولی++د گرداب++ه بال++ه ی دلت++ا و بال++ه ای7] و والنس++یا [6فیبی++گ [

مستطیلی در یک مبدل حرارت پره لوله ای پرداختند. مطالعات آنها شامل بررسی پارامترهای هندسی مختلف در مورد زائده ها مانند نسبت اضالع زائ++ده ه++ا و زاوی++ه حمل+ه می باش++د. آنه++ا نشان دادند که نسبت انتقال حرارت به تلفات جریان، زمانی ک++ه از زائ++ده ه++ای دلت++ا ب++ا زاوی++ه

اس++تفاده می ش++ود بیش++تر اس++ت. در ح++الت آرایش پش++ت2 درج++ه و نس++بت اض++الع 30حمله %65% ت++ا 55سرهم لوله ها ، استفاده از زائ++ده ه++ای تولی++د گرداب++ه ، انتق+ال ح++رارت را بین

% در فاکتور اصطکاک می گردد.45 تا 20افزایش میدهد در حالیکه منجر به افزایش -1 در این مقاله بررسی آزمایشگاهی تاثیر سه نوع مختلف زائده تولی++د گرداب++ه ش++امل :

- مثلثی بال++ه ای ش++کل ، روی ی++ک3- مستطیلی بلوکی شکل ؛ 2چهار وجهی گوه ای شکل ؛ مبدل حرارت پره لوله ای ، بوسیله ی تحلیل اگزرژی انجام می شود. زائده ها در سطوح پ++ره ها در باالدست جریان هوا نصب شده اند. کارآیی گرمایی و کارآیی اگزرژی مب++دل ح++رارتی در

ها و سه حالت ب++ا نص++ب س++ه ن++وع مختل++فVGحالت مختلف یعنی یک حالت بدون نصب چهارVGمقایسه شده است. برای آشکار شدن تاثیرات این زائده ها بر روی مبدل از نقطه نظ++ر ،

درASIHR بیان می کنیم که درصد کاهش PVG را با کمیت ASIHRبازگشت ناپذیری ، کاهش ها نسبت به مبدل حرارتی اولیه می باشد.VGمبدل حرارت بهبود یافته با نصب انواع

- فراهم کردن بستر آزمایش2 ، را نشان میT60D( طرح شماتیک قسمتی از ابزار آزمایش مورد استفاده ، 1شکل )

دهد. همانطور که در شکل می بینیم ، این دستگاه شامل یک تونل باد می باش++د ک++ه بواس++طه یک فن با سرعت متغیر و قابل تنطیم که در انتهای تونل تعبیه شده است ، برای به جری++ان در آوردن هوای محیط در دبی های مختلف از روی پ++ره ه++ای مب++دل ح++رارتی اس++تفاده می ش++ود.

میباش++د. ازm2 0.0317مجرای ورودی هوا در تون++ل ب++اد ب++ه ش++کل مس++تطیل و س++طح مقط++ع مواردی که در مورد جریان هوا بای++د ان++دازه گ+یری ش+ود ، دبی ج+رمی جری++ان ه++وا و ن+یز افت فشار ایجاد شده در جریان هوا در حین عبور از مب+دل ح++رارت اس+ت. ب++رای این منظ++ور از دو میکرومانومتر تفاض++لی ک++ه یکی ب++رای ان++دازه گ++یری دبی ج++رمی ه++وا ب++ا اس++تفاده از سیس++تم اوریفیس و دیگری برای ثبت افت فشار هوا ، استفاده شده اس++ت. ب++رای ب++ه جری++ان درآوردن آب گرم در مدار مربوط به آن نیز از یک پمپ گریز از مرکز استفاده می ش++ود. این پمپ، آبی را که از شبکه ی توزیع گرفته شده و در یک مخزن آب دارای شیر شناور نگهداری می ش++ود ،

می ش++ود. گرمکن الکتریکی فرستاده و در آنجا آب مورد نیاز ح++رارت می ببین++د و گ++رم به یک این عمل توسط یک ترموستات بخاری برقی الکترونیکی صورت می گیرد. برای ان++دازه گ++یری

استفاده شده اس++ت در حالیک++ه ب++رای تنظیم دبیL/h 5دبی جرمی آب از یک روتامتر با دقت آب و البته کنترل نوسانات آن از یک شیر اتص++ال کوت++اه ک++ه در کن++ار پمپ اس++ت اس++تفاده می

Uشود. برای ثبت افت فشار آب در حین عب++ور از لول+ه ه+ای مب++دل ن++یز از م++انومتر جی++وه ای 0.1cmشکل ب+ا دقت Hg اس+تفاده می ش+ود. ب++رای بررس+ی م+یزان انتق+ال ح+رارت و تع+یین

بازگشت ناپذیریهای مختلف نیاز به ثبت داده های دمایی برای جریان های ه++وا و آب در ورود و بک++ار گرفت++ه100ptخروج به مبدل داریم. برای این منظور ترموکوپ++ل ه++ای مق++اومت گرم++ایی

شده است. ترموکوپل های مقاومت گرمایی یک دقت عالی را در محدوده ی وسیعی از دماه++ا در اختیار می گذارند. ترموکوپل های بکار رفته در دستگاه به یک سیستم دیجیتالی ثبت دما ب++ا

متصل هستند. C99.9° با دامنه تغییرات تا C 0.1°دقت ( نیز شکل هندسی مبدل حرارتی نشان داده شده است. این مب++دل ح++رارت2 در شکل )

و ن++یز ش++انزده ع++دد لول++ه یmm1شامل شش عدد پره صفحه مستطیلی مسطح با ض++خامت مسی در دو ردیف با آرایش پشت سرهم بعنوان لوله های مبدل حرارتی می باش++د. ض++خامت

می باش++د. همچ++نین س++هmm12.8 و قطر خارجی آنها ن++یز mm1هر یک از این لوله های مسی در ب++اال و پ++ایین مب++دل ح++رارتmm28.7کالکتور ساخته شده از جنس مس و با قط++ر خ++ارجی

می باش++د و فاص++لهmm170 و عرض آن mm185محل عبور آب داغ می باشد. طول کل مبدل است.mm20هر دو پره متوالی

( ، شکل هندسی زائده های بکار رفته برای تولید گردابه به هم++راه3 سرانجام در شکل ) که عایق حرارتی می باشد ساخته شده اند و بر رویMDFها از چوب VG ابعاد آنها می باشد.

سطح پره ها نصب شده اند. ابعاد آنها نیز بر اساس کارهای پیشین و گزارش++های در دس++ترسانتخاب شده است)تمامی ابعاد برحسب میلی متر هستند(.

( میکJJروD1( دیJJافراگم کJJالیبره شJJده در ورود هJJوا; )DC: نمای شماتیک از بستر تست. )1شکل ( میکرومJJانومتر تفاضJJلی بJJرای انJJدازه گJJیریD2مانومتر تفاضلی برای اندازه گیری دبی هوا; )

( مخJJزنHT هیتر الکJJتریکی; )H( روتامتر برای اندازه گیری دبی آب گرم; ))F1افت فشار هوا; ) ( مبJJدلS1( مخJJزن آب شJJبکه; )SA( پمپ گریز از مرکJJز; )P1( گیج فشار آب گرم; )M1آب گرم; )

( ترموسJJتات مJJاکزیمم دمJJای مطمئنJJه آبTMAX( ترموستات هیتر; )TICحرارتی پره لوله ای; ) ( مJJانومتر بJJرایU( ترموکوپل های مقاومت گرمایی برای اندازه گJJیری دماهJJا; )T1…T12گرم; )

( شناور مخزن.L1( فن هوا با سرعت متغیر; )VEاندازه گیری افت فشار آب; )

: تصویر کلی مبدل حرارتی پره لوله ای2شکل

های بکار رفته در آزمایش بترتیب از سمت چپ به راست :VGشکل هندسی و ابعاد : 3شکل] زائده ی مثلثی باله ای شکل [9] زائده ی مستطیلی بلوکی شکل[ 8زائده ی گوه ای شکل [

10[

( ، نمای برش خورده از مبدل حرارتی در حالیکه زائده ه++ای تولی++د گرداب++ه روی4 شکل ) ها روی پرهVGآن نصب شده اند را نشان می دهد. در این شکل همچنین شیوه و محل نصب

درج++ه نس++بت ب++ه45های مبدل نیز مشخص است. زائده های بلوکی و باله ای شکل ب++ا زاوی++ه خط افقی روی پره ها نصب شده اند.

مکانیزم زائده های تولید گردابه به اینصورت است که در اثر عبور جریان از روی این زائده ها ، گردابه های طولی چرخش متقابل القا می شود ک++ه این گرداب++ه ه++ا بواس++طه تولی++د ناآرامی در جریان و به دنبال آن افزایش ضریب انتقال حرارت ، یک ناحیه بهبود انتقال حرارت

به یک گردابه ثانویه منج++رVGرا در پایین دست جریان ایجاد می کنند. جریان اطراف لبه های می شود که در جهت مخالف گردابه ی اص++لی چ++رخش میکن++د. در نه++ایت ی++ک گرداب++ه ی نع++ل اسبی کوچکتر ، که با حرکت جریان به س+مت مح+ل اتص+ال زائ++ده ب+ه دی+واره الق+اء می ش+ود

اتفاق می افتد.

: نمای برش خورده مبدل حرارتی بهمراه سه نوع زائده تولید گردابه نصب شده روی آن4شکل

تستهای انجام شده و بدنبال آن داده برداریهای صورت گرفته از مبدل حرارتی در دوازده حالت مختلف صورت گرفته است که شامل داده برداری در ح++الت پ++ره مس++طح ب++دون زائ++ده تولید گردابه و نیز با نصب ان++واع زائ++ده ه++ا می باش++د. در تم++امی آزمایش++ات ه++وای محی++ط ب++ا

kg/sاستفاده از یک فن از روی پره های مبدل حرارتی و با س++ه دبی ج++رمی مختل++ف 0.054 ، kg/s 0.063 و kg/s 0.069عبور داده می شود در حالیکه درون لوله های مبدل حرارتی آب گرم

L/hبا دبی ثابت جریان دارد. دمای ورودی آب گرم در اثر عبور از مبدل و تب++ادل ح++رارت240 و در همین حین داده برداری ص++ورت می گ++یرد. در درجه سانتیگراد تغییر می کند68 تا 44از

هر بار اندازه گیری عالوه بر دماهای ورودی و خروجی هوا و خروجی آب ، افت فشارهای ه++ر.دو سیال و نیز دما و فشار محیط نیز ثبت می گردد

- تحلیل داده ها3 (2( و )1برای محاسبه ی نرخ انتقال حرارت در دو سمت هوا و آب ، بترتیب از روابط )

استفاده می شود.qair=mair cp (T ao−T ai )(1)

qwater=mwater c (T wi−T wo)(2)

( اس++تفاده می ش++ود. دلی++ل این1 در اینجا برای محاسبه ن++رخ انتق++ال ح++رارت از رابط++ه ) موضوع این است که تغییر دمای جریان هوا بسیار بزرگتر از تغییر دمایی جری++ان آب در مب++دل

mairحرارتی است زیرا مقدار ظرفیت حرارتی هوا ، cpخیلی کوچکتر از مقدار مش++ابه آن در ، mwaterسمت آب یعنی cاست. بنابراین میزان خطا در خوان+دن دماه+ای نش+انگر دیجیت+الی در ،

سمت هوا تاثیر کمتری در نرخ انتقال حرارت محاسبه شده خواهد داشت.( بدست می آید3 کارآیی مبدل حرارتی با استفاده از رابطه )

ε= qqmax

(3)

ن+یزqmaxکه نرخ انتقال حرارت در صورت کس+ر مرب+وط ب+ه ح+رارت س+مت ه+وا ، و بیشترین نرخ انتقال حرارت ممکن است که زمانی اتفاق می افت++د ک+ه دم+ای خ+روجی ه++وا ب++ا

(4 اس+ت ، ب+ا اس+تفاده از رابط+ه )Cwater>Cairدمای آب ورودی یکسان شود. با توجه ب+ا اینک+ه داریم :

qmax=mair c p (T wi−T ai )(4)

با فرض حالت پایا برای جریان سیاالت و نیز نرخ انتق+ال ح++رارت و همچ++نین ث++ابت ب++ودن خصوصیات فیزیکی سیال ، با توجه به اینکه انتق++ال ح++رارت ب++ه محی++ط اط++راف ن++اچیز اس++ت،

اگزرژی مخصوص جریانی بصورت زیر محاسبه میشود:e=( h−h∞ )−T ∞ ( s−s∞ )(5)

ب++ه ش+رایط محی++ط ان++تروپی س+یال اس+ت و زیرن++ویس s بی++انگر آنت++الپی و h ک++ه در آن اطراف اشاره دارد. ( و استفاده از روابط ترمودینامیکی ، و نیز استفاده از دماه++ای ثبت ش++ده5با توجه به رابطه )

ورودی و خروجی برای آب و هوا ، میتوان تغییر نرخ اگزرژی آب و ه++وا را ب++ه ت++رتیب بص++ورت:]11زیر نوشت[

∆ Eair=mair [cp(Tao−T ai−T∞ lnT ao

T ai)−T ∞

~R∆ Pa

pai](6)

∆ Ewater=mwater [c (T wo−Twi−T ∞ lnT wo

T wi)−ϑ ∆ Pw ](7)

∆ حجم مخصوص آب و ثابت گازها ، R~ که در این رابطه ، Pافت فشار جریان مرب+وط است.به آب و یا هوا است که مقدار مثبتی

کارآیی انتقال اگزرژی مبدل حرارت بطور مشابه با کارآیی انتقال حرارت بصورت زیر :تعریف می شود

ε exergy=هدف اگزرژیواقعیمحیط نرخانتقال هدفتغییر ممکنمحیط اگزرژی نرخانتقال تغییر بیشترین (8)

برای مبدل های حرارتی که در دمای ب+االتر از محی++ط ک++ار می کنن++د در ص+ورتی ک+ه افتفشار صفر در نظر گرفته نشود، کارآیی انتقال اگزرژی را بصورت زیر داریم :

ε exergy=T ao−T ai−T ∞ ln

T ao

T ai− I ∆ p

cp

T wi−T ai−T ∞ lnT wi

T ai

(9)

I=Tکه در این معادله برای گاز ایده آل ∞~R / p i و برای مایع ت+راکم ناپ+ذیر ، I=ϑمی

.باشد( ، بدست می آید :15نرخ بازگشت ناپذیری درون مبدل حرارتی از رابطه )

I=−∆ Ewater−∆ Eair (10)

نرخ بازگشت ناپذیری کلی سمت هوا را می توان بصورت زیر محاسبه کرد:I AS=q (1−T ∞/TJ )−∆ Eair (11)

Tکه در این رابطه ، J=(T wi+T wo)/2 و qنیز ن+رخ انتق+ال ح+رارت محاس+به ش+ده اس+ت ک+ه در اینجا عددی مثبت است.

که بیانگر نسبت نرخ بازگشت ناپذیری سمت ه++وا ب++ه ن++رخ انتق++الASIHR عدد بدون بعد حرارت درون مبدل حرارتی است با رابطه زیر تعریف می شود:

ASIHR= I AS/q(12)

نیز که برای بررسی عملکرد زائده های تولید گردابه طراحی شده وPVG عدد بدون بعد نس++بت ب++ه مب++دلVG برای مب++دل ح++رارت بهب++ود یافت++ه توس++ط ASIHRبصورت درصد کاهش

حرارتی اولیه ، تعریف می شود بصورت زیر محاسبه می گردد:

PVG=100 ( ASIHRwithout VG−ASIHRwith VG )

ASIHRwithout VG(1 3)

و در نهایت عدد رینولدز مربوط به جریان هوا نیز از معادله زیر قابل تعیین شدن است:

ℜAS=mair d tube

Aduct μair(14 )

در دمای میانگین جریان هوا بدست می آید.μairکه در آن

نتایج و بحث- 4 تغییرات نرخ انتقال حرارت با اختالف دمای میانگین ب++رای دبی ه++ای ج++رمی ه++وا ، ب++رای

( ارائه شده است. می توان5 در شکل )VGمبدل دارای پره مسطح و نیز پره دارای سه نوع مشاهده کرد که نرخ انتق++ال ح++رارت ب++ا دم++ای ورودی آب اف++زایش می یاب++د ، ب++ه دلی++ل اینک++ه اختالف دمای میانگین بین آب و ه++وا بیش++تر می ش++ود. همچ++نین دبی ه++ای ج++رمی بیش++تر ه++وا باعث نرخ های انتقال حرارت بیشتری می شوند زیرا دبی ج++رمی بیش++تر ه++وا ب++اعث اف++زایش ضریب انتقال حرارت جابجایی در طرف هوا می گردد. بعالوه می توان مشاهده کرد اس++تفاده

باعث افزایش انتقال حرارت در تمامی دبی ها می شود که البت++ه در این می++انها VGکردن از ،VGهای بلوکی شکل نرخ انتقال حرارت بیشتری را نسبت ب++ه دو ن++وع دیگ++ر VGاستفاده از

های باله ای شکل و گوه ای شکل ، ثبت می کند. تولید گردابه های ط++ولی ناش++ی ازVGیعنی ب++ه ت++اخیر افت++ادناتصال زائده ها، برهم خوردن رشد الیه مرزی در اث++ر گرداب++ه ه++ای ثانوی++ه و

جدایی الیه مرزی در پشت لوله ها، میتواند از دالیل افزایش ضریب انتقال حرارت در مبدلهایدارای زائده بخصوص مبدلهای دارای زائده های بلوکی شکل باشد.

( نرخ بازگشت ناپذیری درون مب++دل ح++رارت را برحس++ب اختالف دم++ای می+انگین6 شکل) نشان می دهد. با نگاهی دقیق تر به این شکل می توان دید که افزایش دبی جرمی هوا منج++ر به افزایش بازگشت ناپذیری کلی در مبدل می شود زیرا اختالف دمای می++انگین بین آب و ه++وا

، به دلی++ل بهب++ود انتق++الVGدرون مبدل افزایش می یابد. همچنین با استفاده از انواع مختلف حرارت و کاهش اختالف دمای میانگین بین آب وهوا نرخ بازگشت ناپ++ذیری کلی ک++اهش یافت++ه

ه++ای بل++وکی ش++کل مس++تطیلی ب++ا بهب++ود بیش++ترVGاست. در این شکل نیز می ت++وان دی++د ک++ه شرایط انتقال حرارت در اختالف دمای کمتر بین آب و هوا ، میزان بازگشت ناپذیری را نسبت

بیشتر کاهش می دهندVGبه دو نوع دیگر .

نرخ انتقال حرارت درون مبدل حرارت برحسب اختالف دمای میانگین: 5شکل

تغییرات نرخ بازگشت ناپذیری کلی درون مبدل حرارت بر حسب اختالف دمای میانگین : 6شکل

( تغییرات بازگشت ناپذیری بدون بعد شده با انتقال حرارت را ب+ر حس+ب دم+ای7 شکل ) میانگین آب و هوا نشان می دهد. همانطور که در شکل مش++اهده می ک++نیم اس++تفاده از ان++واع

VGها باعث کاهش بازگشت ناپذیری درون مبدل به ازای واحد نرخ انتقال حرارت درون مبدل های بلوکی شکل باعث کاهش بیشتر بازگشت ناپ++ذیری ب++دونVGمی شود. بعالوه استفاده از

بل++وکی ش++کل در ک++اهشVGبعد شده با نرخ انتقال حرارت می شود. ب++ه عب++ارت دیگ++ر ت++اثیر بیش++تر اس++ت.VGبازگشت ناپذیری به ازای واحد نرخ انتقال حرارت نسبت ب++ه دو ن++وع دیگ++ر

گوه ای ش++کل ب++هVGهای باله شکل نسبت به VGهمچنین به ازای واحد نرخ انتقال حرارت ، �ب و ه++وا ، مح++دوده ی کم++تری از دلی++ل ک++اهش بیش++تر اختالف دم++ای می++انگین بین دو س++یال آ

.بازگشت ناپذیری کلی را به دست می دهند

تغییرات بازگشت ناپذیری بدون بعد شده درون مبدل حرارت نسبت به اختالف دمای: 7شکلمیانگین

( تغییرات بازگشت ناپذیری سمت هوا درون مبدل را نسبت به دمای ورودی آب8 شکل ) نشان می دهد. همانگونه که مشاهده می ک+نیم ب++ا اف++زایش دبی و اف++زایش اختالف دم+ای بین آب وهوا میزان این بازگشت ناپذیری افزایش می یابد. همچنین مق++دار این بازگش++ت ناپ++ذیری

تغییر محسوسی نمی کن++د ، زی++را این زائ++دهVG گوه ای شکل نسبت به حالت بدون VGبرای ها از یک سو باعث کاهش بازگشت ناپذیری سمت هوا در به دلیل کاهش اختالف دمای س++یال هوا شده و از سوی دیگر باعث افزایش بازگشت ناپذیری سمت هوا در نتیجه ی افزایش ن++رخ انتقال حرارت و افزایش افت فشار هوا می شوند که در نهایت اثر یکدیگر را خنثی می کنن++د.

گوهVG، به دلیل کاهش شدیدتر اختالف دمای محدود در مقایسه با VGاما برای دو نوع دیگر ای شکل ، شاهد کاهش بیشتر بازگشت ناپذیری سمت هوا هس++تیم ک++ه ب++ه نظ++ر می رس++د در

ها تاثیر این عامل بیشتر از تاثیر افزایش بازگشت ناپذیری ب++ه دلی++ل اف++زایش ن++رخVGاین نوع انتقال حرارت باشد.

تغیرات بازگشت ناپذیری سمت هوا نسبت به دمای ورودی آب: 8شکل

بدون بعد سازی نرخ بازگشت ناپذیری سمت ه++وا ب++ا ن++رخ انتق++ال ح++رارت درون مب++دل ،ASIHRمی تواند کمیت موثری برای بررس++ی ت++اثیر روش ه++ای بهین++ه س++ازی ب++ر روی مب++دل ،

را ب++رای مب++دلASIHR( تغییرات 9حرارتی پره لوله ای بر اساس تحلیل اگزرژی باشد. شکل) حرارتی مورد آزمایش در حاالت مختل+ف نس+بت ب++ه دم+ای ورودی آب نش+ان می ده++د. در این

ن++یز اف++زایش می یاب++د. این ح++التASIHRشکل می بینیم ک++ه ب++ا اف++زایش دم++ای ورودی آب ، بیانگر این مطلب است که اگرچه با اف++زایش دم++ای ورودی آب ن++رخ انتق++ال ح++رارت زی++اد می شود اما افزایش نرخ بازگشت ناپذیری سمت هوا بسیار بیشتر از ازدی++اد ن++رخ انتق++ال ح++رارت

مب++دلASIHRه++ا ، VGمی باش++د. همچ++نین مش++اهده می ش++ود ک++ه در اث++ر اس++تفاده از ان++واع عالوه بر اینکه نرخ انتقال ح++رارتVGحرارتی کاهش یافته است زیرا در اثر استفاده از انواع

بهبود می یابد ، نرخ بازگشت ناپذیری سمت هوا نیز به دلیل کمتر شدن اختالف دماهای جریان VGهای بل++وکی ش++کل نس++بت ب++ه دو ن++وع دیگ++ر VGهوا کاهش می یابد. تاثیر این دو عامل در

ه++ایVG می گ++ردد. VG در این ن++وع ASIHRبیشتر است که این موضوع موجب کاهش بیشتر گ++وه ایVGباله ای شکل نیز به دلیل کمتر بودن بازگشت ناپذیری سمت ه++وا در مقایس++ه ب++ا

کمتری دارند.ASIHRشکل ، ( کارآیی حرارتی مبدل را برحسب دم++ای ورودی آب گ++رم در ح++االت مختل++ف10 شکل )

و اف++زایش ن++رخ انتق++الVGنشان می دهد. همانطورکه انتظار میرود در اثر استفاده از ان++واع حرارت به سمت هوای مبدل ، مقدار کارآیی مبدل حرارت کامال اف++زایش یافت++ه اس++ت. مب++دل

های بلوکی شکل به دلیل افزایش بیشتر نرخ انتقال حرارت بین آب گ++رم وVGحرارتی دارای

هوای سرد دارای بیشترین مقدار کارآیی ح++رارتی اس++ت. بعالوه از ش++کل مش++خص اس++ت ک++ه کاهش دبی جرمی هوا ، مقادیر بیشترکارآیی حرارتی را ب++ه دنب++ال دارد زی++را در مق++ادیر کم++تر دبی هوا ، هوای ورودی زمان بیشتری دارد تا به دمای ورودی آب گرم نزدیکتر شود. به عبارت دیگر فرصت جریان هوا بیشتر و به دنبال آن دمای خروجی هوا بیشتر خواهد ب++ود ک++ه این ام++ر

(11برای تشخیص بهتر موضوع شکل ) افزایش کارآیی مبدل حرارتی را در پی خواهد داشت. کارآیی مبدل حرارتی را برحسب رینولدز جریان هوای ورودی در حاالت مختلف مورد آزمایش

( را تایید می کند می10نشان می دهد. همانطور که این شکل نیز موارد بیان شده در شکل ) ه++ای بل++وکی ش++کل ب++اعث اف++زایش مق++ادیر ک++ارآییVGها به خصوص VGبینیم که استفاده از

حرارتی به ازای رینولدز یکسان می شوند.

برحسب دمای ورودی آبASIHRتغییرات : 9شکل

تغییرات کارآیی مبدل حرارتی بر حسب دمای ورودی آب: 10شکل

: تغییرات کارآیی مبدل حرارتی بر حسب رینولدز جریان هوا در حاالت مختلف آزمایش11شکل

( کارآیی اگزرژی مبدل ح+رارت را برحس+ب دم+ای ورودی آب نش+ان می ده+د.12 شکل) کارآیی انتقال اگزرژی رفت++اری مش++ابه ب++ا ک++ارآیی ح++رارتی مب++دل از خ++ود نش++ان می ده++د. ب++ا

ها کارآیی انتقال اگزرژی افزایش یافته است زیرا نرخ انتقال اگ+زرژی ب++هVGاستفاده از انواع سمت هوا به دلیل کاهش نرخ بازگشت ناپذیری درون مبدل حرارتی ، ب++رای مق++دار مشخص++ی

های بلوکی شکل و بال++ه ای ش++کل ب++ه دلی++ل ک++اهشVGدمای ورودی آب افزایش یافته است. بیشتر نرخ بازگشت ناپذیری سمت هوا و انتقال بیشتر اگزرژی به سمت ه++وا ، در مقایس++ه ب++ا

VGگوه ای شکل از حیث کارآیی اگزرژی وضعیت مناسبتری دارند. همچنین این ش++کل نش++ان می دهد که مقادیر کمتر دبی جرمی هوا کارآیی انتقال اگ++زرژی بیش++تری دارن++د ، زی++را در دبی های جرمی کمتر هوا ، هوای ورودی زمان بیش++تری ب++رای ب++ه دس++ت آوردن بیش++ترین اگ++زرژی

ممکن که در آن دمای خروجی هوا با دمای ورودی آب مساوی است ، دارد.

تغییرات کارآیی انتقال اگزرژی مبدل حرارت بر حسب دمای ورودی آب: 12شکل روی مبدل حرارتی بر اساس بازگشت ناپ+ذیریVG برای آشکار شدن تاثیر انواع مختلف

براب++ر ب++اPVG بیان می ک++نیم. PVG را با استفاده از کمیتی به نام ASIHRسمت هوا ، کاهش VGها نس++بت ب++ه مب++دل اولی++ه ب++دون VG برای مبدل بهبود یافته با نصب ASIHRدرصد کاهش

را برحسب دمای ورودی آب و برای حالتهای مختل++ف ش++کلPVG( مقدار 13می باشد. شکل) ب++رای تم++امیPVG و دبی جرمی هوا نشان می دهد. این نتایج نشان می دهد ک++ه VGهندسی

ASIHR% اس++ت ، یع++نی 35% و ح++داکثر 5 و دبی های جرمی متفاوت ه++وا ح++داقل VGانواع % این مق++دار ب++رای مب++دل ح++رارت اولی++ه ک++ه ب++دون5برای مبدل حرارت بهبود یافته بیشتر از

ه++ا راVGزائده است ، کاهش یافته است. این پارامتر تحلیل مفیدی از تاثیر مثبت اس++تفاده از

تاثیر بهتر انواع مختل++ف زائ++دهPVGبر اساس قانون دوم ترمودینامیک می دهد. مقادیر بیشتر ها را بر اساس تحلیل اگزرژی روی مبدل حرارتی نشان می دهد. بر این اساس مش++اهده می

های بلوکی شکل بهترین تاثیر را بر اساس کاهش بازگشت ناپذیری و درعین حالVGشود که های باله ای شکل نیز در بررس++ی از این دی++دگاه نس++بتVGافزایش نرخ انتقال حرارت دارند.

های گوه ای شکل تاثیر مطلوبتری در بهبود انتق++ال اگ++زرژی ب++ه س++مت ه++واVGبه استفاده از دارند.

بر حسب دمای ورودی آب در حاالت آزمایشی مختلفPVGتغییرات : 13شکل

- نتیجه گیری5 در این پروژه آزمایشگاهی تاثیر سه نوع مختل++ف زائ++ده تولی++د گرداب++ه را روی ی++ک مب++دل حرارت پره لوله ای گاز مایع با استفاده از تحلیل اگزرژی بررسی شد. مهمترین نتایج به شرح

زیر می باشد:( ( استفاده کردن از زائده ها، موجب بهبود انتقال حرارت از سطوح پره ه++ا و ن++یز1

کاهش بازگشت ناپذیری کلی مبدل ح++رارتی میگ++ردد. در این می++ان زائ++ده ه++ای بل++وکی ش++کلبیشترین تاثیر را در بهبود شرایط انتقال حرارت و کاهش بازگشت ناپذیری دارند.

( به ازای واحد نرخ انتقال حرارت، بترتیب زائده های بلوکی و باله ای شکل بیشترین2 )تاثیر را در کاهش بازگشت ناپذیری درون مبدل حرارتی دارند.

انتقال حرارت صورت3 ) ناپذیری سمت هوا بوسیله ی نرخ ( بی بعد سازی بازگشت (، ک++اهش می یاب++د. زائ++ده ه++ایASIHRگرفت. در اثر استفاده از انواع زائده ه++ا این پ++ارامتر )

بلوکی و باله ای شکل بیشترین تاثیر را در کاهش این پارامتر دارند. ( کارآیی انتقال حرارت و اگزرژی مبدل حرارت رفتارهای مشابهی دارند. در هردوی4 )

آنها با استفاده کردن از زائده ها روی سطوح پ++ره ه+ا، ک++ارآیی اف++زایش می یاب++د. زائ++ده ه++ایبلوکی شکل میزان کارآیی ها را بیشتر افزایش میدهند.

نشان میدهد که زائدهPVG( بر اساس تحلیل اگزرژی انجام شده روی مبدل، مقدار 5 ) PVGهای تولید گردابه چطور باعث کارکرد بهتر مبدل حرارتی می شود. در این مقال++ه مق++دار

درصد است ک++ه نش++ان دهن++ده ت++اثیر این روش بهین++ه س++ازی در35 تا 5برای تمام شرایط بین کاهش بازگشت ناپذیری سمت هوا است. زائ++ده ه++ای بل++وکی و بال++ه ای ش++کل ت++اثیر بیش++تری

نسبت به زائده های گوه ای شکل در بهبود این پارامتر دارند.

نماد شناسی :ASIHR Irreversibility to Heat transfer Ratio of Air Sidec Specific heat of water (J/kg K)

c p Specific heat of air at constant pressure (J/kg K)E Exergy transfer rate (W)h Enthalpy (J/kg)PVG Performance of Vortex GeneratorI Irreversibility rate (W)m Mass flow rate (kg/s)q Heat transfer rate (W)R Gas constant (J/kg K)s Entropy (J/kg K)T Temperature (K)VG Vortex GeneratorGreek symbolsΔ E Change of exergy transfer rate (W)ΔP Pressure drop (Pa)ΔT Temperature difference (K)ε exergy Exergy transfer effectiveness (%)ε Heat exchanger effectiveness (%)ν Specific volume of water (m3/kg)e Specific flow exergy (J/kg)Subscriptsa airAS Air Sidei inletmax maximum possibleo outletw waterwith VG Heat exchanger with mounted VGs on its fin surfaceswithout VG Flat finned tube heat exchanger∞ the surrounding state

مراجع [1] Kakac, S., Liu, H. “Heat exchangers: selection , rating , and thermal design” Second Edition , CRC Press , 2002.[2] Biswas, G., Mitra, N.K., Fiebig, M. “Heat transfer enhancement in fin-tube heat exchangers by winglet type vortex generators” International Journal of Heat and Mass Transfer 37 (1994) 283-291.[3] Kotcioglu, I., Caliskan, S., Cansiz, A., Baskaya, S. “Second law analysis and heat transfer in a cross flow heat exchanger with a new winglet-type vortex generator” Energy 35 (2010) 3686-3695.[4] Wang, C.C., Lo, J., Lin, Y.T., Liu, M.S. “Flow visualization of wave-type vortex generators having inline fin-tube arrangement” International Journal of Heat and Mass Transfer 45 (2002) 1933-1944.[5] Tian, L., He, Y., Tao, Y., Tao, W. “A comparative study on the air-side performance of wavy fin-and-tube heat exchanger with punched delta winglets in staggered and in-line arrangements” International Journal of Thermal Science 48 (2009) 1765-1776.[6] Fiebig, M., Valencia, A., Mitra, N.K. “Wing-type vortex generators for fin-and-tube heat exchangers” Exp. Therm . Fluid Sci 7 (1993) 287-295.[7] Valencia, A., Fiebig, M., Mitra, N.K. “Heat transfer enhancement by longitudinal vortices in a fin-and-tube heat exchangers element with flat tubes” ASME J. Heat Transfer 118 (1996) 209-211.

[8] Henze, M., Von wolfersdorf, J. “Influence of approach flow conditions on heat transfer behind vortex generators” International Journal of Heat and Mass Transfer 54 (2011) 279-287.[9] Leu, J.S., Wu, Y.H ., Jang, J.Y. “Heat transfer and fluid flow analysis in plate-fin and tube heat exchangers with a pair of block shape vortex generators” International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 4327-4338.[10] Zeng, M., Tang, L.H., Lin, M., Wang, Q.W. “Optimization of heat exchangers with vortex-generator fin by Taguchi method” Applied Thermal Engineering 30 (2010) 1775-1783.[11] Wu, S.Y., Yuan, X.F., Li, Y.R., Xiao, L. “Exergy transfer effectiveness on heat exchanger for finite pressure drop” Energy 32 (2007) 2110-2120.