عنوان پایان‌نامه
بررسی عملکرد چاه حرارتی مینیا توری متخلخل در حضور نانو سیال
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3168;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72687;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3168;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72687
- تاریخ دفاع
- ۲۹ دی ۱۳۹۴
- دانشجو
- خشایار قدیری
- استاد راهنما
- مهدی اشجعی
- چکیده
- در مطالعه حاضر به بررسی عملکرد حرارتی و هیدرولیکی چاه حرارتی مینیاتوری متخلخل در حضور نانوسیال پرداخته شده است. در واقع، دو روش بهبود انتقال حرارت استفاده از ماده متخلخل فوم فلزی در ساختمان چاه حرارتی و استفاده از نانوسیال به شکل ترکیبی مورد استفاده قرار گرفت تا اثر آنها بر عملکرد چاه حرارتی مینیاتوری مورد مطالعه قرار گیرد. فوم های فلزی به علت نسبت سطح به حجم بالا، هدایت حرارتی نسبتا زیاد و افزایش اختلاط سیال عبوری به علت ساختار پیچ در پیچ و نانوسیال بواسطه خواص ترموفیزیکی بهبود یافته، باعث بهبود عملکرد سیستم های حرارتی می شوند. ابتدا به شناخت مبانی و پارامترهای موثر بر عملکرد نانوسیال و ماده متخلخل فوم فلزی پرداخته شد. سپس با مطالعه چندین مجموعه آزمایش، پارامترهای مورد نیاز برای بررسی عملکرد چاه حرارتی و الزامات طراحی شامل نحوه اندازه گیری، رنج های عملکردی، تجهیزات مورد نیاز و سایر موارد استخراج شده و مجموعه آزمایشی مناسب با قابلیت اندازه گیری پارامترهای مورد مطالعه طراحی و ساخته شد. دو چاه حرارتی متخلخل فوم فلزی از جنس مس با ابعاد mm 12*40*40 و چگالی حفره ppi 15 و ppi 30 در محدوده دبی ml?min400 تاml?min 800 و شار حرارتی حدود kW/m^2 5/62 با استفاده از سیالات عامل آب مقطر و نانوسیال آلومینا با غلظت های 1/0، 3/0 و 5/0 درصد حجمی مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین مشخصات ساختاری فوم نظیر قطرحفره، ضخامت فیبر تشکیل دهنده و چگالی حفره با استفاده از میکروسکوپ نوری و ضرایب عملکردی نظیر ضریب اینرسی و نفوذپذیری با استفاده از افت فشار ایجاد شده در مسیر بدست آورده شد. مشاهده شد که استفاده از نانوسیال آلومینا با غلظت %5/0 برای نمونه های ppi 30 و ppi 15 موجب افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی متوسط به میزان 25 و 22 درصد و کاهش مقاومت حرارتی به میزان 20 و 18 درصد می شود. همچنین با افزایش غلظت نانوسیال، افت فشار ایجاد شده در مجموعه افزایش یافته که میزان افزایش افت فشار حداکثر در حدود %10 نسبت به سیال پایه بدست آمد. با مقایسه عملکرد دو چاه حرارتی مورد استفاده با چگالی حفره ppi 30 و ppi 15 مشاهده شد که چاه حرارتی با چگالی حفره بیشتر و تخلخل کمتر، عملکرد حرارتی بهتری نسبت به نمونه دیگر دارد و البته افت فشار بیشتری ایجاد می کند. همچنین با ارزیابی مقایسه ای عملکرد دو نمونه فوم فلزی مشاهده شد که نمونه ppi 15 عملکرد کلی بهتری را نسبت به نمونه ppi 30 دارا می باشد. واژه‌های کلیدی: چاه حرارتی، محیط متخلخل فوم فلزی، نانوسیال، انتقال حرارت، افت فشار
- Abstract
- The main objective of the present study is investigating thermal-hydraulic performance of a miniature porous heat sink using nanofluid experimentally. Indeed, combination of two heat transfer enhancement methods include porous matrix in heat sink structure and nanofluid as the working fluid being used to evaluate their effects on performance of the heat sink. Open-cell metal foam because of its high specific surface area, relatively high thermal conductivity and tortuous flow path that promote mixing and nanofluid because of enhanced thermophysical properties improve heat transfer characteristics of thermal systems. First, the principles and parameters affecting the performance of nanofluid and metal foam were studied. Then, the effective parameters and design requirements for evaluating the performance of the heat sink including measurement methods, operating condition, required instrument, etc. was obtained and appropriate test rig capable to measure the studied parameters was designed. Two open-cell metal foam with pore density of 15 and 30 ppi were manufactured from copper and fashioned into compact heat exchanger measuring 40*40*12 mm. They were placed into a forced convection arrangement using distilled water and alumina nanofluid with %0.1 ,%0.3, %0.5 volume fraction. Constant heat flux of 62.5 kW/m2 was applied to the bottom of the heat sink and the coolant flow rate is in the range of 400-800 ml/min. By using optical microscope metal foam structural characteristic such as pore diameter, fiber thickness and pore density were obtained. In addition, inertia coefficient and permeability of porous media were calculated according to the pressure drop data. Experimental result showed that using %0.5 volume fraction alumina nanofluid for samples with pore density of 30 and 15 ppi enhanced convective heat transfer coefficient %25, %22 and decrease thermal resistance %20, %18. Pressure drop and also pumping power in the circuit raised by increasing nanoparticles concentration. So that the maximum pressure drop is about %10 higher than base fluid (DI water). Comparison of two heat sinks, showed that the sample with higher pore density and lower porosity (30 ppi) had better thermal performance; although it made more pressure drop in the circuit. Performance evaluation of two sample resulted in the sample with pore density of 15 ppi had better overall performance in comparison with the other sample (30 ppi). Keywords: Heat sink, Metal foam, Nanofluid, Heat Transfer, Pressure drop.
