شبیه‌سازی عددی تأثیر نوار پیچان بر جوشش زیرسرد در یک لوله‌ی عمودی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده‌ی‌ کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 3486-11365، تهران ـ ایران

چکیده

جوشش زیرسرد در بسیاری از کاربردهای صنعتی رخ می‌دهد و ویژگی آن بالا بودن ضریب انتقال حرارت است. در این پژوهش، برای شبیه‌سازی عددی تأثیر نوارهای پیچان بر ضریب انتقال حرارت جوشش زیرسرد در یک لوله‌ی عمودی از نرم‌افزار 14ANSYS CFX استفاده شد. به منظور اعتبارسنجی، ابتدا کسر حجمی بخار پیش‌بینی شده برحسب افزایش انتالپی سیال در طول لوله با نتیجه‌های نرم‌افزار 5RELAP و نتیجه‌های آزمایشگاهی موجود در منابع برای لوله‌ی صاف مقایسه شد. نرم‌افزار 5RELAP به طور گسترده در محاسبه‌های ترموهیدرولیک رآکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود. این نرم‌افزار که یک بُعدی است و از یک روش عددی ضمنی سریع استفاده می‌کند، شش معادله را در حالت گذرا برای جریان دوفازی در حالت غیرتعادلی و غیرهمگن حل می‌کند و قابلیت شبیه‌سازی انتقال حرارت دو فازی با نوار پپچان را ندارد. اثر نوار پیچان در افزایش ضریب انتقال حرارت جوشش زیرسرد در یک لوله‌ی عمودی به طول 2 متر و قطر 154 میلی‌متر با استفاده از نرم‌افزار 14CFX شبیه‌سازی شد. فشار و شار حرارتی به ترتیب، bar 45 و 2-MW m 57/0 و محدوده‌ی گام نوار پیچان 04/0 تا 16/0 متر است. مقایسه‌ی کسر حجمی بخار پیش‌بینی شده، با داده‌های تجربی از تطابق خوبی برخوردار است. مشاهده شد که با کاهش گام پیچش، ضریب انتقال حرارت و افت فشار افزایش می‌یابد. هم‌چنین در محدوده‌ی گام پیچش بررسی شده، محاسبه‌ی ضریب عملکرد نشان داد که نوار پیچشی با گام 08/0 متر دارای عملکرد بهینه است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of subcooled boiling in a vertical pipe with twisted tape inserts

نویسندگان [English]

  • Hossein Kazeminejad
  • Mehdi Tafreshi
چکیده [English]

Subcooled flow boiling occurs in many industrial applications and it is characterized by a large heat transfer coefficient. In this paper, numerical simulation of subcooled flow boiling in a vertical pipe is investigated by ANSYS CFX 14. Variation of void fraction as a function of increasing enthalpy along the pipe is validated against the RELAP5 and experimental results available in the literature. The RELAP5 has a broad acceptance as a tool for analyzing the thermal-hydraulic behavior of the nuclear reactors. The code is based on a non-homogeneous and non-equilibrium two-phase model of six equations solved by a fast and partially implicit numerical scheme. The model does not have the ability to simulate two phase flow with a twisted tape insert. The effect of the twisted tape inserts on improving the subcooled boiling heat transfer is investigated in a vertical pipe of 2m in length and 154mm in diameter using CFX14. The pressure and wall heat flux is 45 bar and 0.57 MW m-2, respectively. The range of the twisted tape pitch investigated to be between 0.04 m and 0.16 m. A comparison of the predicted void fractions for a plain vertical tube without tube inserts revealed a good agreement with the experimental data. It was found that, heat transfer and pressure drop both increase with a reduction of the twisted tape pitch. Also, within the pitch range investigated, the 0.08 m pitch had the highest performance with respect to the pressure drop and heat transfer.
 
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Subcooled flow boiling
  • Twisted tape inserts

[1] N. Zuber, F.W. Staub, G. Bijwaard, Vapor void fraction in subcooled boiling and in saturated boiling systems, in: Proceeding of the Third International Heat Transfer Conference, Chicago (1966).

[2] S. Levy, Forced convection subcooled boiling prediction of vapor volumetric fraction, International Journal of Heat and Mass Transfer, 10 (1967) 951-965.

[3] P.G. Kroeger, N. Zuber, An analysis of the effects of various parameters on the average void fractions in subcooled boiling, International Journal of Heat and Mass Transfer, 11 (1968) 211-233.

[4] A. Francisco, F. Braz, D. Alexandre, M. Caldeira, S. Gaianê, Verification and validation of one dimensional models used in subcooled flow boiling analysis, in: INAC, Rio de Janeiro, RJ, Brazil (2009).

[5] C.C. Bartolemei, V.M. Chanturiya, Experimental study of true void fraction when boiling subcooled water in vertical tubes, Thermal Engineering, 14 (1967) 123-128.

[6] Z. Zhang, Z. Yu, X. Fang, An experimental heat transfer study for helically flowing outside petal-shaped finned tubes with different geometrical parameters, Applied Thermal Engineering, 27 (2007) 268-272.

[7] L.D. Tijing, B.C. Pak, B.J. Baek, D.H. Lee, A study on heat transfer enhancement using straight and twisted internal fins, International Communications in Heat and Mass Transfer, 33 (2006) 719-726.

[8] S. Eimsa-ard, C. Thianpong, P. Promvonge, Experimental investigation of heat transfer and flow friction in a circular tube fitted with regularly spaced twisted tape elements, International Communications in Heat and Mass Transfer, 33 (2006) 1225-1233.

[9] D.M. Mahmut, K. Aldas, Y. Kaplan, Numerical investigation of subcooled boiling in a vertical pipe using a bubble-induced turbulence model, Turkish Journal of Engineering & Environmental, 26 (2002) 275-284.

[10] R.L. Web, Principles of enhanced heat transfer, Wiley, New York (1994).