تعیین نسبت‌های قطری دارای کمترین تولید آنتروپی در یک مبدل حرارتی حفره ای زمینگرمایی با شبیه سازی عددی جریان سیال و انتقال حرارت

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجو کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان

چکیده

در این مقاله نسبتهای قطری که در آنها تولید آنتروپی مینیمم میشود، برای شرایط مختلف در یک مبدل حرارتی زمین گرمایی هم محور به دست آمده است. برای این منظور ابتدا انتقال حرارت و جریان آشفته در داخل مبدل شبیه سازی شده است. در شبیه سازی جریان آشفته از مدل SST k-ω استفاده گردیده است. با محاسبه افت فشار در نسبت قطرهای مختلف، کمترین افت فشار و اتلاف اصطکاکی در نسبت قطر 0.7 به دست آمده است. نتایج به دست آمده برای توزیع دمای جریان سیال در راستای عمق نشان می دهد که با افزایش مقاومت حرارتی دیواره درونی، دمای سیال خروجی افزایش می یابد. تولید آنتروپی کل برای نسبت قطر های مختلف و با مقاومت های حرارتی گوناگونِ دیواره درونی به دست آمده است و تغییرات نسبت قطر دارای کمترین تولید آنتروپی نسبت به مقاومت حرارتی دیواره درونی ارائه شده است. نتایج نشان می دهد که با افزایش مقاومت حرارتی دیواره میانی، نسبت قطری دارای کمترین تولید آنتروپی بیشتر خواهد بود. از طرف دیگر کاهش ضریب انتقال حرارت در دیواره بیرونی و افزایش ضریب انتقال حرارت در دیواره میانی نامطلوب است. با افزایش مقاومت حرارتی دیواره میانی، در نسبت قطرهای بیشتر این تاثیر نامطلوب در هر دو دیواره کمتر می شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Barbier E (2002) Geothermal energy technology and current status: an overview. Renew Sust Energ Rev 6(1-2): 3-65.

[2] Kagel A, Bates D, Gawell K (2007) A guide to geothermal energy and the environment. Geothermal Energy Association, Washington.

[3] Egg J, Howard B (2011) Geothermal HVAC Green Heating and Cooling. 1st edn. McGraw-Hill, New York.

[4] Boyle G (2004) Renewable Energy: Power for a Sustainable Future. 2nd edn. Oxford University Press.

[5] Dipippo R (2008) Geothermal power plants: principles, applications, case studies and environmental impact. 3rd edn.  Butterworth-Heinemann (an imprint of Elsevier), Waltham.

[6] Nalla G, Shook G, Mines L, Bloomeld K (2004) Parametric sensitivity study of operating and design variables in wellbore heat exchanger. Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, CA.

[7] Al-Khoury R, Bonnier PG, Brinkgreve BJ (2005) Efficient finite element formulation for geothermal heating systems. Part I: steady state. Int J Numer Meth Eng 63 (7): 988-1013.

[8] Al-Khoury R, Bonnier PG, Brinkgreve BJ (2005) Efficient finite element for- mulation for geothermal heating systems. Part II: transient. Int J Numer Meth Eng, 67(5): 725-74.

[9] Feng Y (2012) Numerical study of downhole heat exchanger concept geothermal energy extraction. Ph.D. Thesis, Louisiana state university.

[10] Parisch P, Mercker O, Oberdorfer P, Bertram E, Tepe R, Rockendorf G (2015) Short-term experiments with borehole heat exchangers and model validation in TRNSYS. Renew Energ 74: 471-477.

[11] Funabiki A, Oguma M, Yabuki T, Kakizaki T (2014) The effects of groundwater flow on vertical-borehole ground source heat pump systems. ASME 12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, June 25-27, Copenhagen, Denmark.

[12] Beier RA, Acuna J, Mogensen P, Palm B (2013) Borehole resistance and vertical temperature profiles in coaxial borehole heat exchangers. Applied Energy 102: 665-675.

[13] Sliwa T, Gonet A (2004) Theoretical model of borehole heat exchanger.  J  Energy Resour  Technol 127(2): 142-148.

[14] Mastrulla R, Mauro AW, Menna L, Vanoli GP (2014) A model for a borehole heat exchanger working with CO2. Energ Proc 45: 635-644.

[15]Masalias MD (2011) Thermodynamic optimization of downhole coaxial heat exchanger for geothermal applications. M.Sc. thesis, Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, Warsaw.

[16] Gnielinski V (2009) Heat Transfer coefficients for turbulent flow in  concentric annular ducts.  Heat Transfer Eng 30(6): 431-436.

[17] Menter FR (1994) Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J 32(8): 1598-1605.

[18] Van Doormal JP, Raithby GD (1984) Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows. Numer Heat Transfer 7(2): 147-163.

[19] White FM (2011) Fluid mechanics. 7th edn. McGraw-Hill, New York.

[20] Bejan A, Kraus AD (2003) Heat transfer Handbook. John Wiley & Sons, New York.

[21] Bejan A, Tsatsaronis G, Moran M (1996) Thermal design & optimization. John Wiley & Sons, New York.

[22] Bergman TL, Levine AS, Incropera FP, Dewitt DP (2011) Fundamentals of heat and mass  transfer. 7th edn. John Wiley & Sons, New York.

[23] Van Wylen GJ, Sonntag RE (1985) Fundamentals of Classical Thermodynamics. 3rd edn. John Wiley & Sons, New York.