مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مطالعه پارامتریک مدار جابجایی طبیعی مستطیل شکل تکفاز در حالت پایدار

نویسندگان
سید مسعود سیدی 1
مهدی هاشمی تیله نویی 2
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علی آباد کتول، علی آباد کتول،ایران
2 گروه مهندسی هسته ای، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علی آباد کتول، علی آباد کتول، ایران
چکیده
یک مدار جابجایی طبیعی حرارت را از یک منبع دما بالا دریافت کرده و بدون نیاز به یک پمپ مکانیکی آن را به یک منبع دما پایین پس می‌دهد. مدار جابجایی طبیعی تکفاز در بسیاری از سیستم‌های صنعتی جهت خنک سازی کاربرد دارد. توانایی انتقال حرارت مدار جابجایی طبیعی به دبی جریانی که مدار می‌تواند تولید نماید بستگی دارد. برای مشخص نمودن توانایی انتقال حرارت این مدار، دانستن دبی جریان ضروری است. در حالت پایا، نیروی شناوری و نیروی اصطکاک در امتداد مدار با یکدیگر موازنه می‌شوند. در این مقاله، ابتدا معادلات حاکم بر مدار جابجایی طبیعی بیان می شوند. سپس با تعریف پارامترهای بدون بعد مناسب معادلات حاکم بصورت بدون بعد باز نویسی می گردند. آنگاه اثرات طول هیتر، طول کولر، قطر لوله‌ها، ارتفاع مدار، زاویه شیب مدار نسبت به قائم، فاصله هیتر نسبت به بازوهای چپ و راست، فاصله کولر نسبت به بازوهای چپ و راست و توان هیتر بر روی نرخ دبی جرمی و توزیع دما در مداردر حالت پایا بررسی می شوند. در این مطالعه، بر خلاف سایر پژوهش‌ها مدلی پیوسته برای ضریب اصطکاک در تمامی رژیم‌های جریان در نظر گرفته شده است. همچنین محل قرار گیری هیتر و کولر در مدار به صورت نامتقارن بررسی شده است. نتایج نشان می-دهند که افزایش ارتفاع مدار، قطر مدار و توان هیتر باعث افزایش نرخ دبی جرمی می‌گردد. همچنین افزایش یا کاهش طول هیتر بر روی نرخ دبی جرمی اثری ندارد، در حالیکه افزایش زاویه مدار باعث کاهش نرخ دبی جرمی مدار می‌گردد.
کلیدواژه‌ها
مدار جابجایی طبیعی
تکفاز
نرخ دبی جرمی
توان هیتر

عنوان مقاله English

Parametric study of a rectangular single phase natural circulation loop at steady state

نویسندگان English

Seyyed Masoud Seyyedi 1
Mehdi Hashemi-Tilehnoee 2
1 Department of Mechanical Engineering, Aliabad Katoul Branch, Islamic Azad University, Aliabad Katoul, Iran
2 Department of Nuclear Engineering, Aliabad Katoul Branch, Islamic Azad Univerity, Aliabad Katoul, Iran
چکیده English

A natural circulation loop receives heat from a high-temperature source and rejects it to a low-temperature source without using a mechanical pump. Single phase natural circulation loop has been applied in many industrial systems for cooling. The heat transport capability of natural circulation loops (NCLs) is directly proportional to the flow rate that it can generate. To establish the heat transport capability of a natural circulation loop, it is essential to know the flow rate. Friction force and gravitational force are balanced with each other along the loop at steady state. In this paper, firstly the governing equations have been written for a natural circulation loop. Then the governing equations have been rewritten in the dimensionless form. Then, effects of heater length, cooler length, tube diameter, loop height, loops inclination angle, the distance of heater from the right side or left side, the distance of cooler from right or left sides and power of the heater on the loop mass flow rate and loop temperature distribution have been investigated. The results show that increasing of loop height, loop diameter and power of heater increase the mass flow rate. Also, increasing or decreasing of heater length, has no effect on the mass flow rate, whereas increasing of loop inclination angle decreases the mass flow rate. In this study, the friction coefficient is considered as continues for all regimes. In addition, the position of the heater and cooler has been unsymmetrically investigated.

کلیدواژه‌ها English

Natural circulation loop
Single phase
Mass flow rate
Heater Power
[1] D. Japikse, Advances in Thermosyphon Technology, In: Irvine, T.F. Jr, Hartnett, J. P. (Eds.), Advances in Heat Transfer, Vol. 9. pp. 1-111, New York, Academic Press, 1973.
[2] Y. Zvirin, A review of natural circulation loops in pressurized water reactors and other systems, Nuclear Engineering and Design, Vol. 67, No. 2, pp. 203- 225, 1982.
[3] A. Mertol, R. Greif, A Review of Natural Circulation Loops, Natural Convection: Fundamentals and Applications, pp. 1033-1071, New York, Hemisphere, 1985.
[4] R. Greif, Natural circulation loops, Heat Transfer, Vol. 110, pp. 1243–1258, 1988.
[5] N. Zuber, Problems in modelling of small break LOCA, USNRC Report, NUREG-0724, 1980.
[6] M. P. Heisler, Development of scaling requirements for natural convection liquid-metal fast breeder reactor shutdown heat removal test facilities, Nuclear Science and Engineering, Vol. 80, No. 3, pp. 347-359, 1982.
[7] M. Ishii, I. Kataoka, Scaling laws for thermal-hydraulic system under single phase and two-phase natural circulation, Nuclear Engineering and Design, Vol. 81, No. 3, pp. 411-25, 1984.
[8] P. K. Vijayan, A. K. Nayak, D. S. Pilkhwal, D. Saha, V. Venkat Raj, Effect of loop diameter on the stability of single-phase natural circulation in rectangular loops, Proceedings of the Fifth International Topical Meet, on Reactor Thermalhydraulics, NURETH-5, Salt Lake City, UT, Vol. 1, pp. 261–267, 1992.
[9] P. K. Vijayan, H. Austregesilo, Scaling laws for single-phase natural circulation loops Nuclear Engineering and Design, Vol. 152, pp. 331–347, 1994.
[10] P. K. Vijayan, Experimental observations on the general trends of the steady state and stability behaviour of single-phase natural circulation loops, Nuclear Engineering and Design, Vol. 215, pp. 139–152, 2002.
[11] S. K. Mousavian, M. Misale, F. D’Auria, M. A. Salehi, Transient and stability analysis in single-phase natural circulation, Annals of Nuclear Energy, Vol. 31, pp. 1177–1198, 2004.
[12] D. S. Pilkhwal, W. Ambrosini, N. Forgione, P. K. Vijayan, D. Saha, J. C. Ferreri, Analysis of the unstable behavior of a single-phase natural circulation loop with one-dimensional and computational fluid-dynamic models, Annals of Nuclear Energy, Vol. 34, pp. 339–355, 2007.
[13] P. K. Vijayan, A. K. Nayak, D. Saha, M. R. Gartia, Effect of loop diameter on the steady state and stability behavior of single-phase and two-phase natural circulation loops, Science and Technology of Nuclear Installations, Vol. 2008, 17 pages, 2008.
[14] P. K. Vijayan, M. Sharma, D. S. Pilkhwal, D. Saha, R. K. Sinha, A comparative study of single-phase, two-phase, and supercritical natural circulation in a rectangular loop, Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 132, No. 10, pp. 102913-1, 2010,
[15] M. Misale, P. Garibaldi, Dynamic behaviour of a rectangular single-pahse natural circuation loop: Influence of loop inclination Proceedings of the 9th International ISHMT-ASME Heat and Mass Transfer Conference Mumbai, India, January 4-6, 2010.
[16] F. Devia, M. Misale, Analysis of the effects of heat sink temperature on single-phase natural circulation loops behavior, Thermal Sciences, Vol. 59, pp. 195-202, 2012.
[17] M. Misale, F. Devia, P. Garibaldi, Experiments with Al2O3 nanofluid in a single-phase natural circulation mini-loop: Preliminary results, Applied Thermal Engineering, Vol. 40, pp. 64-70, 2012.
[18] B. T. Swapnalee, P. K. Vijayan, A generalized flow equation for single phase natural circulation loops obeying multiple friction laws, Heat and Mass Transfer, Vol. 54, pp. 2618–2629, 2011.
[19] K. Naveen, K. N. Iyer, J. B. Doshi, P. K. Vijayan, Investigations on singlephase natural circulation loop dynamics part 1: Model for simulating start-up from rest, Progress in Nuclear Energy, Vol. 76, pp. 148-159, 2014.
[20] K. Naveen, K. N. Iyer, J. B. Dosh, P. K. Vijayan, Investigations on singlephase natural circulation loop dynamics, Part 2: Role of wall constitutive laws, Progress in Nuclear Energy, Vol. 75, pp. 105-116, 2014.
[21] R. Saha, S. Sen, S. Mookherjee, K. Ghosh, A. Mukhopadhyay, D. Sanyal, Experimental and numerical investigation of a single-phase square natural circulation loop, Heat Transfer,Vol. 137, No. 12, 121010-1, 2015.
[22] A. K. Srivastava, J. Y. Kudariyawar, A. Borgohain, S. S. Jana, N. K. Maheshwari, P. K. Vijayan, Experimental and theoretical studies on the natural circulation behavior of molten salt loop, Applied Thermal Engineering, Vol. 98, pp. 513–521, 2016.
[23] J. Y. Kudariyawar, A. M. Vaidya, N. K. Maheshwari, P. Satyamurthy, Computational study of instabilities in a rectangular natural circulation loop using 3D CFD simulation, Thermal Sciences, Vol. 101, pp. 193-206. 2016.
[24] M. Krishnani, D. N. Basu, Computational stability appraisal of rectangular natural circulation loop: Effect of loop inclination, Annals of Nuclear Energy, Vol. 107, pp. 17–30. 2017.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 2
اردیبهشت 1397
صفحه 413-422