بررسی تاثیر استفاده از محیط متخلخل در کارایی مبدل حرارتی لوله ای در سیستم سنتز هیدروترمال جریان مداوم

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان

3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان

چکیده

فرایندهای سنتز هیدروترمال برای ساخت اکسیدهای فلزی نانو مورد استفاده قرار می گیرند. در این فرایندها، اکسیدهای فلزی باید با سرعت مناسب دمای خود را از دست بدهند؛ زیرا در غیر این صورت بلورهای درشت ‌تر تشکیل شده که این امر به کیفیت محصول ضرر می زند. استفاده از یک مبدل حرارتی قدرتمند به این امر کمک می کند. هدف از این مقاله، در مرحله ی اول مدلسازی عددی مبدل حرارتی در سیستم سنتز هیدروترمال جریان مداوم برای کاهش دمای اکسیدهای فلزی نانو است. پس از تایید درستی نتایج عددی به کمک مقایسه ی آنها با دادههای تجربی، در مرحله ی دوم با به‌کارگیری محیط متخلخل در داخل مبدل، سعی شده است که سرعت کاهش دمای محصولات افزایش یابد که این امر در نهایت، به بهبود کیفیت محصولات منجر خواهد شد. با استفاده از محیط متخلخل در مبدل حرارتی، سرعت کاهش دمای محصولات 40% معادل با 20 درجه سلسیوس بر ثانیه افزایش می یابد و از این رو طول مبدل حرارتی مورد نیاز در این فرایند می تواند 35% کاهش پیدا کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Aimable A, Muhr H (2009) Continuous hydrothermal synthesis of inorganic nanopowders in supercritical water: towards a better control of the process. Powder Technol 190: 99-106.

[2] Bermejo M.D, Cocero M.J (2006) Supercritical water oxidation: a technical review.AIChE Journal 52: 3933–3951.

[3] Moussiere S, Joussot-DubienP (2007) Modelling of heat transfer and hydrodynamic with two kinetics approaches during supercritical water oxidation proces. J Supercrit Fluid 43: 324-332.

[4] Lester E, Blood P (2006) Reaction engineering: the supercritical water hydrothermal synthesis of nano-particles. J Supercrit Fluid 37:  209-214.

[5] DarrJ.A, Poliakoff M (1999) New directions in inorganic and metal–organic. Coordination chemistry in supercritical fluids. Chem Rev 99: 495–541.

[6] Adschiri T, Kanazawa K (1992) Rapid and continuous hydrothermal synthesis of boehmite particles in sub and supercritical water. J Am Ceram Soc 75: 2615-2618.

[7] Zhou N, Krishnan A, Vogel F (2000) A computational model for supercritical water oxidation of organic toxic wastes. Adv Environ Res 4: 79–95.

[8] Scheidegger AE (1974) The Physics of flow throughporous media. Univ. Toronto Press.

[9] Kaviany M (1995) Principles of heat transfer inporous media. Springer.

[10] Cai YM, Christopher JT (2011) Numerical modelling of hydrothermal fluid flow and heat transfer in a tubular heat exchanger under near critical conditions. J Supercrit Fluid 57: 236-246

[11] JiangP.X, ZhaoC.R, ShiR.F (2009) Experimental and numerical study of convection heat transfer of CO2 at supercritical pressures during cooling in a small vertical tube. Int J Heat Mass Tran 52: 4748-4756.

[12] Licht J, Anderson M, Corradini M (2008)  Heat transfer to water at supercritical pressures in a circular and square annular flow geometry. Int J Heat Fluid Fl 29: 156-166.

[13] Nazari M, Kayhani MH, Mohebbi R (2013) Heat transfer enhancement in a channel partially filled with a porous block: lattice Boltzmann method. Int J Mod Phys C 24.09.

[14] Nazari M, Ashouri M, Kayhani MH, Tamayol A (2014) Experimental study of convective heat transfer of a nanofluid through a pipe filled with metal foam. Int J Therm Sci 88: 33-39.

[15] Cai Y.M, Jing J, Yang Z, Xue Z (2015) Simulation for scale-up of a confined jet mixer for continuous hydrothermal flow synthesis of nanomaterials. J Supercrit Fluid 58: 211-222.

[16] Dittus F.W,Boelter L.M.K (1930) Heat transfer in automobile radiators of the tubular type. University of California Publication: Engineering 2: 443-461.

[17] Krasnoshchekov E.A, Petukhov B.S, Protopopov V.S (1961) An investigation of heat transfer to fluids flowing in pipes under supercritical conditions.in: Proceedings of the Second International Heat Transfer Conference, University of Colorado, Boulder, USA, 569-578.

[18] Jackson J.D, HallW.B (1979) Forced convection heat transfer to fluids at supercritical pressure.in: Turbulent Forced Convection in Channels and Bundles,Hemisphere Publishing Corporation, New York, 2: 563-611.

[19] Watts MJ, Chou CT (1982) Mixed convection heat transferto supercritical pressure water.in: Proceedings of the 7th International Heat Transfer Conference, Munchen, Germany, 495-500.

[20] Vesna M., Christopher J., Suela K (2015) Imaging the continuous hydrothermal flow synthesis of nanoparticulate CeO2 at different supercritical water temperatures using in situ angle-dispersive diffraction. J Supercrit Fluid 87: 118-128.

[21] Brett K, Veruscha F (2015) Critical process parameters and their interactions on the continuous hydrothermal synthesis of ironoxide nanoparticles. Chem Eng J 281: 312-321.

[22] Sherif E, Hosam EM (2015) Synthesis and surface modification of nanophosphorous-based flame retardant agent by continuous flow hydrothermal synthesis. Particuology 22: 82-88.

[23] Gheorghe J (2014) The influence of the porous media permeability on the unsteady conjugate forced convection heat transfer from a porous sphere embedded in a porous medium. Int J Heat Mass Tran:1124-1132

[24] Fumei R, Wenhuan Zh, Baochang Sh (2014) Numerical study of heat transfer enhancement in a pipe filled with porous media by axisymmetric TLB model based on GPU. Int J Heat Mass Tran 70: 1040-1049

[25] Bourantas GC, Skouras ED, Loukopoulos VC (2014) Heat transfer and natural convection of nanofluids. Euro J Mech-B/Fluids 43: 45-56

[26] Wilcox DC (1994) Turbulent Modeling for CFD. 2nd edn. California, DCW Industries.

[27] Jones WP, Launder BE (1972) The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence. Int J Heat Mass Tran 15: 301-314.