بهبود عملکرد هیدرولیکی-حرارتی چاه های حرارتی میکروکانال با استفاده از پین-فین های V شکل و نانوسیال Al2O3/آب

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

2 استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

3 دانشجوی دکتری مهندسی شیمی، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

4 استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شاهرود، شاهرود

10.22044/jsfm.2019.7262.2669

چکیده

افزایش انتقال حرارت همزمان با کاهش افت فشار، کاهش اندازه و حجم، موضوعی است که طی چهار دهه مورد بررسی قرار گرفته است. میکروکانال‌ها می توانند جریان آرام را به گونه‌ای در کانال‌ها تثبیت نمایند که ضرایب انتقال حرارت بالایی حاصل گردد. در این پژوهش از دو هندسه کلی ( مستقیم و Vشکل ) با چهار حالت متفاوت انقطاع (پیوسته، پیوسته-منقطع، منقطع خطی، منقطع غیرخطی) استفاده شده است . سیال کاری آب می باشد. اثرات هندسه ها و انقطاع پین ها در رینولدزهای مختلف (100-900) بر روی افزایش انتقال حرارت میکروکانال بررسی شد. پارامترهای مهم از قبیل عدد ناسلت، افت فشار، ضریب انتقال حرارت و ضریب عملکرد هیدرولیکی-حرارتی ارزیابی شد. شبیه سازی توسط نرم افزار فلوئنت17 انجام شد. نتایج نشان می دهند میکروکانال‌های منقطع سبب افزایش ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت در مقایسه با هندسه های مستقیم شده است. همچنین توزیع دمای یکنواخت‌تری دارند و مانع از ایجاد نقاط داغ در میکروکانال می‌شوند. میکروکانال‌های دارای پین V شکل بدلیل ایجاد اغتشاش در بالک سیال و تولید جریان های چرخشی نتایج بهتری را گزارش می‌دهند. از میان حالت‌های مختلف، حالت منقطع غیرخطی برای هر دو هندسه کلی دارای بالاترین ضریب عملکرد هیدرولیکی-حرارتی می‌باشد، که تقریبا 5/1 برابر حالت پایه است. سپس با تغییر سیال کاری با نانوسیال آب/Al2O3، اثرات آن مورد یررسی قرار گرفت. نانوسیال باعث افزایش ضریب عملکرد هیدرولیکی-حرارتی تا 83/1 برابر برای هندسه مستقیم منقطع غیرخطی و 77/1 برابر برای هندسه Vشکل منقطع غیرخطی نسبت به حالت پایه گردید. همچنین افزایش غلظت نانوذرات سبب بهبود عملکرد هیدرولیکی-حرارتی شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Tuckerman DB, Pease RF (1981) High performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron Device Lett 15(5): 126-130.

[2] Jajja SA, Ali W, Ali HM, Ali AM (2014) Water cooled minichannel heat sinks for microprocessor cooling: effect of fin spacing. Appl Therm Eng 64(1-2): 76-82.

[3] Jajja SA, Ali W, Ali HM (2014) Multiwalled carbon nanotube nanofluid for thermal management of high heat generating computer processor. Heat Transf Asian Res 43(7): 653-666.

[4] Nitiapiruk P, Mahian O, Dalkilic AS, Wongwises S (2013) Performance characteristics of a microchannel heat sink using TiO2/water nanofluid and different thermophysical models. Int Commun Heat Mass 47: 98-104.

[5] Arshad W, Ali HM (2017) Graphene nanoplatelets nanofluids thermal and hydrodynamic performance on integral fin heat sink. Int J Heat Mass Tran 107: 995-1001.

[6] Arshad W, Ali HM (2017) Experimental investigation of heat transfer and pressure drop in a straight minichannel heat sink using TiO2 nanofluid. Int J Heat Mass Tran 110: 248-256.

[7] Tafarroj MM, Mahian O, Kasaeian A, Sakamatapan K, Dalkilic AS, Wongwises S (2017) Artificial neural network modeling of nanofluid flow in a microchannel heat sink using experimental data. Int Commun Heat Mass 86: 25-31.

[8] Seyf HR, Feizbakhshi M (2012) Computational analysis of nanofluid effects on convective heat transfer enhancement of micro-pin-fin heat sinks. Int J Therm Sci 58: 168-179.

[9] Tokit EM, Mohammed HA, Yusoff MZ (2012) Thermal performance of optimized interruptedmicrochannel heat sink (IMCHS) using nanofluids. Int Commun Heat Mass 39(10): 1595-1604.

[10] Selvakumar P, Suresh S, Salyan S (2013) Investigations of effect of radial flow impeller type swirl generator fitted in an electronic heat sink and Al2O3/water nanofluid on heat transfer enhancement. Chem Eng Process Process Intens 72: 103-112.

[11] Hasan MI (2014) Investigation of flow and heat transfer characteristics in micro pin fin heat sink with Nanofluid. Appl Therm Eng 63(2): 598-607.

[12] Zhai YL, Xia GD, Liu XF, Li YF (2015) Heat transfer enhancement of Al2O3-H2O nanofluids flowing through a micro heat sink with complex structure. Int Commun Heat Mass 66: 158-166.

[13] Sakanova A, Keian CC, Zhao J (2015) Performance improvements of microchannel heat sink using wavy channel and nanofluids. Int J Heat Mass Tran 89: 59-74.

[14] Duangthongsuk W, Wongwises S (2015) An experimental study on the thermal and hydraulicperformances of nanofluids flow in a miniature circular pin fin heat sink. Exp Therm Fluid Sci 66: 28-35.

[15] Duangthongsuk W, Wongwises S (2015) A comparison of the heat transfer performanceand pressure drop of nanofluid-cooled heat sinks with different miniature pin finconfigurations. Exp Therm Fluid Sci 69: 111-118.

[16] Ghale ZY, Haghshenasfard M, Esfahany MN (2015) Investigation of nanofluids heattransfer in a ribbed microchannel heat sink using single-phase and multiphase CFD models. Int Commun Heat Mass 68: 122-129.

[17] Ahmed HE, Ahmed MI, Seder IMF, Salman BH (2016) Experimental investigation for sequential triangular double-layered microchannel heat sink with nanofluids. Int Commun Heat Mass 77: 104-115.

[18] Khoshvaght-Aliabadi M, Sahamiyan M (2016) Performance of nanofluid flow in corrugated minichannels heat sink (CMCHS). Energy  Convers Manage 108: 297-308.

[19] Ali HM, Arshad W (2017) Effect of channel angle of pin-fin heat sink on heat transfer performance using water based graphene nanoplatelets nanofluids. Int J Heat Mass Tran 106: 465-472.

[20] Naqiuddin NH, Saw LH (2018) Overview of micro-channel design for high heat flux application. Renew Sust Energ Rev 82: 901-914.

[21] Khoshvaght-Aliabadi M, Hassani SM, Mazloumi SH (2017) Effects of nooks configuration on hydrothermal performance of zigzag channels for nanofluid cooled microelectronic heat sink. Microelectron Reliab 79: 153-165.

[22] Khoshvaght-Aliabadi M, Hassani SM, Mazloumi SH (2017) Performance enhancement of straight and wavy miniature heat sink using pin fin interruptions and nanofluids, Chem. Eng & Processing; Process Intens 122: 90-108.

[23] Hassani SM, Khoshvaght-Aliabadi M, Mazloumi SH (2018) Influence of chaveron fin interruption on thermo fluidic transport charactreistics of nanofluid cooled electronic heat sink. Chem Eng Sci 191: 436-447.

[24] Ho CJ, Chen WC (2013) An experimental study on thermal performance of Al2O3/water nanofluid in a minichannel heat sink. Appl Therm Eng 50: 516-522.

[25] Baraty Beni S, Pishkar I, Salimpour MR (2018) Study of the effect of nano fluid in the diesel engine oil cooler. Journal of Solid and Fluid Mechanics 8: 221-223

[26] Gholami E, Zare V, Mousavi M (2016) Numerical analysis of various nanoparticles size effects on thermal performance of nanofluid in a microchannel heat sink. Journal of Solid and Fluid Mechanics 6: 275-284

[27]  Manca O, Nardini S, Ricci D (2018) A numerical study of nanofluid forced convection in ribbed channels. Appl Therm Eng 37: 280-292.