عملکرد حرارتی میکروچاه گرمایی حاوی سوسپانسیون مواد تغییر فاز دهنده با مقطع بیضوی متخلخل

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه

2 عضو هیات علمی / دانشگاه صنعتی ارومیه

چکیده

در این مقاله به بررسی عملکرد حرارتی میکرو چاه گرمایی حاوی سوسپانسیون مواد تغییر فاز دهنده با سطح مقطع بیضوی متخلخل پرداخته شده است. حل معادلات اساسی حاکم بر مسئله بر اساس روش المان محدود می ‌باشد و شبیه سازی با استفاده از نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس6/5 انجام شده است. از معادله ‌ی فورشهایمر- بریکمن- دارسی برای توصیف جریان عبوری از محیط متخلخل بهره برده شده است. در کار حاضر، تجزیه و تحلیل آرایش تخلخل (ε) و ضخامت ناحیه‌ ی متخلخل بر ویژگی ‌های حرارتی و هیدرولیکی تحت سرعت‌ های ورودی مختلف صورت گرفته است. افزایش قطر کوچک بیضی، موجب کاهش قطر مقطع متخلخل شده و با افزایش سرعت ورودی سیال افت فشار کاهش می ‌یابد به طوری که در275/0=­­­­b میلیمتر و 2= متر بر ثانیه افت فشار نسبت به 175/0 b=میلیمتر، 34/62 درصد کاهش یافته و مقاومت حرارتی 50/35 درصد افزایش یافته است. در سرعت ‌های ورودی پایین ضریب عملکرد کمتر از 1 بوده و دلیل آن کاهش مومنتوم المان های سیال به دلیل وجود دیواره متخلخل بوده و با افزایش سرعت، ضریب عملکرد بیشتر از 1 می‌‌شود زیرا افزایش مومنتوم و همچنین افزایش سطح تماس مابین سیال و ماتریس جامد موجب بهبود عملکرد حرارتی شده و این امر نشانگر برتری میکروچاه گرمایی متخلخل نسبت به میکروچاه گرمایی بدون محیط متخلخل می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Lee, J., and Kim, S. J., Effect of channel geometry on the operating limit of micro pulsating heat pipes, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 107, pp. 204-212, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.036, (2017).
 
[2] Brinda, R., Daniel, R. J., and Sumangalaa, K., Effect of aspect ratio on the hydraulic and thermal performance of ladder shape micro channels employed micro cooling systems, Procedia Engineering, Vol. 38, pp. 2022-2032, DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.06.244, (2012).
 
[3] Jadhav, S. V., Pawar, P. M., and Ronge, B. P., Effect of pin-fin geometry on microchannel performance, Chemical Product and Process Modeling, 14(1), DOI: https://doi.org/10.1515/cppm-2018-0016, (2019).
 
[4] Ghule, K., and Soni, M. S., Numerical heat transfer analysis of wavy micro channels with different cross sections, Energy Procedia, Vol. 109, pp. 471-478, DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.071, (2017).
 
[5] Sui, Y., Teo, C. J., Lee, P. S., Chew, Y. T., and Shu, C., Fluid flow and heat transfer in wavy microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53(13-14), pp. 2760-2772,‏ DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.02.022, (2010).
 
[6] Arasu, A. V., and Mujumdar, A. S., Numerical study on melting of paraffin wax with Al2O3 in a square enclosure, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 39(1), pp.  8-16, DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2011.09.013, (2012).
 
[7] Akhilesh, R., Narasimhan, A., and Balaji, C., Method to improve geometry for heat transfer enhancement in PCM composite heat sinks, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48(13), pp. 2759-2770,‏ DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.01.032, (2005).
 
[8] Khodadadi, J. M., and Hosseinizadeh, S. F., Nanoparticle-enhanced phase change materials (NEPCM) with great potential for improved thermal energy storage, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 34(5),  pp. 534-543, DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.02.005, (2007).
 
[9] Liu, L., Zhu, C., and Fang, G., Numerical evaluation on the flow and heat transfer characteristics of microencapsulated phase change slurry flowing in a circular tube, Applied Thermal Engineering, Vol. 144, pp. 845-853,‏ DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.08.102, (2018).
 
[10] Mobadersani, F., and Rezavand Hesari, A., Investigation of FHD effects on heat transfer in a differentially heated cavity partially filled with porous medium utilizing Buongiorno’s model, The European Physical Journal Plus, Vol.  136(7), pp.  707, DOI: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01679-3, (2021).
 
[11] Farahani, S. D., Farahani, A. D., and Hajian, E., Effect of PCM and porous media/nanofluid on the thermal efficiency of microchannel heat sinks, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 127, pp. 105546, DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105546, (2021).
 
 [12] Lu, G., Zhao, J., Lin, L., Wang, X. D., and Yan, W. M., A new scheme for reducing pressure drop and thermal resistance simultaneously in microchannel heat sinks with wavy porous fins, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 111, pp. 1071-107, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.04.086, (2017).
 
[13] Liu, L., Alva, G., Jia, Y., Huang, X., and Fang, G., Dynamic thermal characteristics analysis of microencapsulated phase change suspensions flowing through rectangular mini-channels for thermal energy storage, Energy and Buildings, Vol. 134, pp. 37-51.‏, DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.11.021, (2017).
 
 [14] Hasan, M. I., Numerical investigation of counter flow microchannel heat exchanger with MEPCM suspension, Applied Thermal Engineering, Vol. 31(6-7),               pp. 1068-1075, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.11.032, (2011)‏.
 
[15] Hu, X., and Zhang, Y., Novel insight and numerical analysis of convective heat transfer enhancement with microencapsulated phase change material slurries, laminar flow in a circular tube with constant heat flux, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 45(15), pp.  3163-3172, DOI: https://doi.org/10.1016/S0017-9310(02)00034-0, (2002).
 
[16] Ghahremannezhad, A., and Vafai, K., Thermal and hydraulic performance enhancement of microchannel heat sinks utilizing porous substrates, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 122, pp. 1313-1326.‏ DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.024, (2018).
 
[17] Alazmi, B., and Vafai, K., Analysis of fluid flow and heat transfer interfacial conditions between a porous medium and a fluid layer, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 44(9), pp.  1735-1749, DOI: https://doi.org/10.1016/S0017-9310(00)00217-9, (2001).
 
[18] Dai, H., and Chen, W., Numerical investigation of heat transfer in the double-layered minichannel with microencapsulated phase change suspension, International Communications in Heat and Mass Transfer, 119, pp.  104918, DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104918, (2020).
 
[19] Hung, T. C., Yan, W. M., Wang, X. D., and Huang, Y. X., Optimal design of geometric parameters of double-layered microchannel heat sinks, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55(11-12), pp.  3262-3272, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.02.059, (2012).
 
[20] Wang, B., Hong, Y., Hou, X., Xu, Z., Wang, P., Fang, X., and Ruan, X., Numerical configuration design and investigation of heat transfer enhancement in pipes filled with gradient porous materials, Energy Conversion and Management, Vol. 105, pp.  206-215, DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.07.064, (2015).
 
[21] Elman, H. C., Silvester, D. J., and Wathen, A. J., Finite elements and fast iterative solvers: with applications in incompressible fluid dynamics, 2nd Eddition, Oxford University Press, DOI: https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199678792.001.0001 (2014).
 
[22] Chuan, L., Wang, X. D., Wang, T. H., and Yan, W. M., Fluid flow and heat transfer in microchannel heat sink based on porous fin design concept, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 65,  pp. 52-57,‏ DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2015.04.005 (2015).
 
[23] Dai, H., Chen, W., Dong, X., Liu, Y., and Cheng, Q., Thermohydraulic performance analysis of graded porous media microchannel with microencapsulated phase change material suspension, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 176, pp. 121459, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121459 (2021).