بهینه‌سازی ساختار هندسی مواد ابررسانا با ضخامت‌ متغیر درون پره با هدف بیشینه‌سازی عملکرد گرمایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

2 دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

در مطالعه حاضر افزایش انتقال حرارت از پره با قراردادن موادی با ضریب هدایت گرمایی بسیار بالا (ابررسانا) در داخل یک پره مستقیم، مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به ملاحظات اقتصادی، تنها بخشی از ساختار پره را می‌توان به این مواد اختصاص داد. بنابراین، یک ساختار هندسی مناسب و تا جای ممکن بهینه شده برای این مواد ارائه می‌گردد. هدف از بهینه‌سازی، بیشینه‌سازی انتقال گرما از پره، با تغییر هندسه ساختار مواد ابررسانا تحت قیدهایی نظیر ثابت بودن نسبت حجمی مواد ابررسانا می‌‎باشد. ساختار هندسی مواد ابررسانا با توزیع شاخه‎‌هایی با ضخامت‌های متغیر و توزیع خطی ارائه می‌گردد. تأثیر پارامترهای هندسی و فیزیکی مختلف، مانند عدد بایوت، نسبت ضخامت پره به طول آن، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره و نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره بر نتایج بهینه‌سازی گزارش می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که برای شاخه‎‌های ابررسانا، یک هندسه بهینه وجود دارد، به گونه‎ای که برای آن هندسه بهینه، انتقال گرما از پره به بیشترین مقدار ممکن افزایش می‌‎یابد. این افزایش انتقال گرما با افزایش درجه آزادی‌های ساختار هندسی مواد ابرسانا بیشتر می‌شود. مقدار افزایش انتقال گرما و همچنین ساختار بهینه مواد ابررسانا، وابسته به پارامترهایی نظیر عدد بایوت، نسبت ضخامت پره به طول آن، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره و نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره می‌باشد. به طوری‎که با افزایش عدد بایوت، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره، کاهش نسبت ضخامت پره به طول آن و افزایش نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره، کارایی مواد ابررسانا در ازدیاد انتقال گرما بیشتر و مشهودتر می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Geometric Optimization of Highly Conductive Inserts with Variable Thickness Embedded in a Fin

نویسندگان [English]

  • Mohammad Ahmadian Elmi 1
  • Mohammad Reza Hajmohammadi 2
  • Salman Nourazar 1
1 Amirkabir University of Technology, Tehran
2 Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

In the present study, it is proposed to reduce the thermal resistance of a straight fin by embedding highly conductive routes with variant thickness into a fin. Due to economic constraints, only a limited fraction of fin’s volume can be devoted to these materials. Therefore, in this research,  an optimal geometric structure for the inserts is presented. The purpose of optimization is to maximize the heat transfer from the fin by increasing the degrees of the freedom-to-morph under the constraint of the fixed volume fraction of the inserts. The geometric structure of conductive materials is presented by distributing the inserts with variable thicknesses or a linear distribution. The effects of several parameters such as the aspect ratio of the fin, Biot number, the volume fraction of highly conductive materials and the thermal conductivity ratio on the optimization results are presented in detail. It is shown that the increment in the number of insert branches with different thicknesses results in higher heat transfer. It is also indicated that the linear distribution performs the best.

کلیدواژه‌ها [English]

  • fin
  • optimization
  • Highly conductive materials
  • Thermal performance
  • Extended surface
[1] S.N. Nyamsi, F. Yang, Z. Zhang,An optimization study on the finned tube heat exchanger used in hydride hydrogen storage system–analytical method and numerical simulation, international journal of hydrogen energy, 37(21) (2012) 16078-16092.
[2] G. Lorenzini, S. Moretti, A. Conti, Fin shape thermal optimization using Bejan’s constructal theory, Synthesis Lectures on Engineering, 6(1) (2011) 1-219.
[3] D. Heymann, D. Pence, V. Narayanan, Optimization of fractal-like branching microchannel heat sinks for single-phase flows, International journal of thermal sciences, 49(8) (2010) 1383-1393.
[4] B. Kundu, D. Bhanja, Performance and optimization analysis of a constructal T-shaped fin subject to variable thermal conductivity and convective heat transfer coefficient, International Journal of Heat and Mass Transfer, 53(1-3) (2010) 254-267.
[5] Q. Chen, M. Wang, N. Pan, Z.-Y. Guo, Optimization principles for convective heat transfer, Energy, 34(9) (2009) 1199-1206.
[6] A. Bejan, M. Almogbel, Constructal T-shaped fins, International Journal of Heat and Mass Transfer, 43(12) (2000) 2101-2115.
[7] M.A. Almogbel, Constructal tree-shaped fins, International journal of thermal sciences, 44(4) (2005) 342-348.
[8] G. Lorenzini, L.A.O. Rocha, Constructal design of Y-shaped assembly of fins, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49(23-24) (2006) 4552-4557.
[9] G. Lorenzini, L.A.O. Rocha, Constructal design of T–Y assembly of fins for an optimized heat removal, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(5-6) (2009) 1458-1463.
[10]  C. Biserni, L. Rocha, A. Bejan, Inverted fins: geometric optimization of the intrusion into a conducting wall, International journal of heat and mass transfer, 47(12-13) (2004) 2577-2586.
[11]  C. Biserni, L. Rocha, G. Stanescu, E. Lorenzini, Constructal H-shaped cavities according to Bejan’s theory, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(11-12) (2007) 2132-2138.
[12]  G. Lorenzini, L.A.O. Rocha, Geometric optimization of TY-shaped cavity according to constructal design, International Journal of heat and mass transfer, 52(21-22) (2009) 4683-4688.
[13]  M. Hajmohammadi, Introducing a ψ-shaped cavity for cooling a heat generating medium, International Journal of Thermal Sciences, 121 (2017) 204-212.
[14]   S.L. Shindé, J. Goela, High thermal conductivity materials, Springer, 2006.
[15]   M. Almogbel, A. Bejan, Conduction trees with spacings at the tips, International Journal of Heat and Mass Transfer, 42(20) (1999) 3739- 3756.
[16]  G. Lorenzini, C. Biserni, L. Rocha, Constructal design of non-uniform X-shaped conductive pathways for cooling, International Journal of Thermal Sciences, 71 (2013) 140-147.
[17]  G. Lorenzini, C. Biserni, L. Rocha, Constructal design of X-shaped conductive pathways for cooling a heat-generating body, International Journal of Heat and Mass Transfer, 58(1-2) (2013) 513-520.
[18]  M. Hajmohammadi, V.A. Abianeh, M. Moezzinajafabadi, M. Daneshi, Fork-shaped highly conductive pathways for maximum cooling in a heat generating piece, Applied Thermal Engineering, 61(2) (2013) 228-235.
[19]  M. Hajmohammadi, M. Ahmadian, S. Nourazar, Introducing highly conductive materials into a fin for heat transfer enhancement, International Journal of Mechanical Sciences, 150 (2019) 420-426.
[20]  P.E. Gill, W. Murray, M.H. Wright, Practical optimization, (1981).