مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تجربی تاثیر ماده متخلخل فلزی بر انتقال حرارت جریان جوشش مادون سرد در بین دو لوله هم‌مرکز عمودی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
چکیده
جوشش جریانی مادون سرد زمانی رخ می‌دهد که دمای توده سیال کمتر و دمای سطح تماس بیشتر از دمای اشباع متناظر با فشار سیال باشد. یکی از راه‌های افزایش مکانیسم انتقال حرارت استفاده از فوم‌های فلزی با تخلخل بالا در کانال‌ها است که دارای نسبت مساحت سطح به حجم بالا است که باعث افزایش سطح انتقال حرارت و همچنین افزایش ضریب انتقال حرارت کانال می‌شود. در مطالعه حاضر، با ساخت بستر آزمایشگاهی به بررسی تجربی تاثیر ماده متخلخل بر انتقال حرارت جریان جوشش مادون سرد بین دو لوله هم‌مرکز عمودی (لوله انلیوس) با قطر داخلی و خارجی به‌ترتیب ۵۰/۷ و ۷۰/۶میلی‌متر در فشار اتمسفریک و سیال‌کاری آب پرداخته شده است. فوم فلزی به‌کاررفته از جنس نیکل با ppi۱۰ و تخلخل ۹۵% است و اثر پارامترهایی مانند شار حرارتی و دبی جرمی بر ضریب انتقال حرارت بررسی شده است. نتایج به‌دست‌آمده از این پژوهش که محدوده دبی جرمی ۰/۰۱۲ تا kg/s۰/۲۸۶ است، نشان می‌دهد که در طول تمام مراحل آزمایش انتقال حرارت از دو مکانیسم جابه‌جایی اجباری و جوشش جریانی تشکیل می‌شود که اثر هر یک از پارامترهای فوق بر این دو مکانیسم انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با کاهش دبی جرمی در محدوده ذکرشده در ناحیه جوشش مادون سرد، ضریب انتقال حرارت تا ۳۰% افزایش می‌یابد؛ همچنین استفاده از محیط متخلخل، ضریب انتقال حرارت جریان جوشش مادون سرد را تا حدود ۳۰% افزایش می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental Investigation of Metal Foam Effect on Subcooled Flow Boiling Heat Transfer between Two Vertical Annulus Tube

نویسندگان English

M. Yarahmadi
M.M. Shahmardan
M. Nazari
Faculty of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده English

The subcooled flow boiling happens when the bulk flow temperature and the interface temperature are lower and higher, respectively than the saturated temperature corresponding to the flow pressure. One way to increase the heat transfer mechanism is to use high porosity metal foams in the ducts, which have a high surface area to volume ratio that increases the heat transfer surface area and the heat transfer coefficient of the duct. In the current study, an experimental apparatus was constructed, and subcooled flow boiling in an annulus tube was investigated. The annulus tube is in the vertical direction, and the internal and external diameters are 50.7 and 70.6mm, respectively. The operating pressure was 1atm, and the working fluid was water. The metal foam used is nickel with 10ppi and a porosity of 95%. In this investigation, heat flux and mass flow rate effectiveness on the heat transfer coefficient are considered. The experiments were performed in the mass flow rate range of 0.012kg/s to 0.0286kg/s in which the flow consists of both forced convection and flow boiling. The mass flow reduction causes the heat transfer coefficient increment to 30% in subcooled boiling regions. The use of porous media also increases the subcooled flow boiling heat transfer coefficient up to 30%.

کلیدواژه‌ها English

Heat Transfer
subcooled flow boiling
Annulus Tube
metal foam
Collier JG, Thome JR. Convective boiling and condensation. 3rd Edition. Cambridge: Clarendon Press; 1994. [Link]
Wang G, Cheng P. Subcooled flow boiling and microbubble emission boiling phenomena in a partially heated microchannel. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009;52(1-2):79-91. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.06.031]
Lee J, Mudawar I. Critical heat flux for subcooled flow boiling in micro-channel heat sinks. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009;52(13-14):3341-3352. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.12.019]
Gungor KE, Winterton RHS. A general correlation for flow boiling in tubes and annuli. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1986;29(3):351-358. [Link] [DOI:10.1016/0017-9310(86)90205-X]
Gungor KF, Winterton RHS. Simplified general correlation for saturrated flow boiling and comparison of correlation with data. Chemical Engineering Research & Design: Transactions of the Institution of Chemical Engineers. 1987;65(2):148-156. [Korean] [Link]
Shah MM. A general correlation for heat transfer during saturated boiling with flow across tube bundles. HVAC & R Research. 2007;13(5):749-768. [Link] [DOI:10.1080/10789669.2007.10390984]
Shah MM. Improved general correlation for subcooled boiling heat transfer during flow across tubes and tube bundles. HVAC & R Research. 2005;11(2):285-303. [Link] [DOI:10.1080/10789669.2005.10391138]
Kandlikar SG. A general correlation for saturated two-phase flow boiling heat transfer inside horizontal and vertical tubes. Journal of Heat Transfer. 1990;112(1):219-228. [Link] [DOI:10.1115/1.2910348]
Kandlikar S G, Balasubramanian P. An extension of the flow boiling correlation to transition, laminar, and deep laminar flows in minichannels and microchannels. Heat Transfer Engineering. 2004;25(3):86-93. [Link] [DOI:10.1080/01457630490280425]
Zhu X, Bi Q, Yang D, Chen T. An investigation on heat transfer characteristics of different pressure steam-water in vertical upward tube. Nuclear Engineering and Design. 2009;239(2):381-388. [Link] [DOI:10.1016/j.nucengdes.2008.10.026]
Zhu Y, Hu H, Sun S, Ding G. Flow boiling of refrigerant in horizontal metal-foam filled tubes: Part 1-Two-phase flow pattern visualization. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015;91:446-453. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.096]
Zhao CY, Lu W, Tassou SA. Flow boiling heat transfer in horizontal metalfoam tubes. Journal of Heat Transfer. 2009;131(12):121002-1. [Link] [DOI:10.1115/1.3216036]
Ji X, Xu J. Experimental study on the two-phase pressure drop in copper foams. Heat and Mass Trans. 2012;48:153-164. [Link] [DOI:10.1007/s00231-011-0860-2]
Li HY, Leong KC. Experimental and numerical study of single and two-phase flow and heat transfer in aluminum foams. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2011;54(23-24):4904-4912. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.07.002]
Madani B, Tadrist L, Topin F. Experimental analysis of upward flow boiling heat transfer in a channel provided with copper metallic foam. Applied Thermal Engineering. 2013:52(2):336-344. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2012.11.046]
Zhu Y, Hu HT, Ding GL, Peng H, Huang XC, Zhuang DW, Yu J. Influence of oil on nucleate pool boiling heat transfer of refrigerant on metal foam covers. International Journal of Refrigeration. 2011;34(2):509-517. [Link] [DOI:10.1016/j.ijrefrig.2010.10.006]
Zhu Y, Hu H, Ding G, Sun S, Jing Y. Influence of metal foam on heat transfer characteristics of refrigerant-oil mixture flow boiling inside circular tubes. Applied Thermal Engineering. 2013;50(1):1246-1256. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2012.06.045]
Abadi GB, Moon C, Kim KC. Flow boiling visualization and heat transfer in metal-foam-filled mini tubes-Part I: Flow pattern map and experimental data. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016;98:857-867. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.043]
Abadi GB, Moon C, Kim KC. Flow boiling visualization and heat transfer in metal-foam-filled mini tubes-Part II: Developing predictive methods for heat transfer coefficient and pressure drop. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016;98:868-878. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.042]
Kashi M, Ramezani A, Nazari M, Shahmardan MM. Experimental investigation and visualization of flow boiling heat transfer in a vertical tube containing metal porous medium. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering. 2018;52(6):131-140. [Persian] [Link]
Shah MM. New correlation for heat transfer during subcooled boiling in plain channels and annuli. International Journal of Thermal Sciences. 2017;112:358-370. [Link] [DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2016.10.016]
Sieder EN, Tate GE. Heat transfer and pressure drop of liquids in tubes. Industrial & Engineering Chemistry. 1936;28(12):1429-1435. [Link] [DOI:10.1021/ie50324a027]