شبیه‌سازی عددی لوله حرارتی رسانایی متغیر با مخزن سرد با رویکرد جریان‌ تک فازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان

2 عضو هیات علمی، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان

3 عضو هیات علمی، مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان،

4 پژوهشکده مواد و انرژی اصفهان

چکیده

یکی از مشکلات اساسی در شبیه‌سازی لوله‌های حرارتی بالا بودن هزینه محاسباتی و زمان اجرای آن‌ها است که عملا فرآیند مطالعه پارامتری را مختل می‌کند. در اینجا برای حل مشکل مذکور از یک مدل با چند جریان تک فاز به جای استفاده از مدل‌ جریان چند فازی استفاده شده است. در حقیقت با اعمال یک مجموعه شرط داخلی و همچنین عبارت‌های منبع معادلات مربوط به جریان‌های تک فاز مایع و تک فاز بخار با یکدیگر کوپل شده و حل می‌شوند. با انجام یک مجموعه مطالعه پارامتری روی لوله حرارتی رسانایی متغیر با مخزن سرد، میزان تاثیر عوامل مختلف از جمله نرخ حرارت ورودی، دمای مدفن حرارتی، جرم گاز غیرقابل چگالش روی عملکرد این تجهیز مشخص شده است. برای لوله حرارتی رسانایی متغیر بررسی شده نتایج عددی نشان می‌دهد که دمای مدفن حرارتی بیشترین تأثیر را بر توزیع دمای متوسط دیواره، ضریب انتقال حرارت کلی، طول فعال چگالنده و دمای متوسط آن دارد؛ به طوری که در هر مرحله افزایش دمای مدفن حرارتی به میزان (K)10، دمای متوسط دیواره به میزان (K)6/4، ضریب انتقال حرارت کلی به میزان (W/(m2.K))170/6، طول فعال چگالنده در حدود (mm) 48 و دمای متوسط آن (K)6/6 افزایش می‌یابد. بالاترین میزان رشد مقاومت حرارتی با افزایش تخلخل حاصل می‌شود؛ در هر مرحله افزایش تخلخل به میزان0/25، مقاومت حرارتی (K/W)15/6 افزایش می‌یابد که به دلیل کاهش رسانایی حرارتی مؤثر فتیله است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Variable Conductance Heat Pipe with Cold Reservoir by Single Phase Flow Approach

نویسندگان [English]

  • Mohammad-Mahdi Gorji 1
  • Mahdi Mosharaf Dehkordi 2
  • Ebrahim Afshari 3
  • Isar Dashti 4
1 Department of Mechanical engineering, Faculty of engineering, University of Isfahan
2 Department of Mechanical engineering, Faculty of engineering, University of Isfahan
3 Department of Mechanical engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan
4 Materials and Energy Research Institute, Isfahan, Iran
چکیده [English]

The heat pipes are usually simulated by using a two phase model and a model describing the phase-change process. The computational costs of the two-phase approaches are relatively high and the model generally needs small-size time steps, which leads to a long simulation run times in the order of several days. In the present study, a variable conductance heat pipe is simulated by using a set of single-phase fluid flow models. It is shown that the proposed approach needs to a simulation time in the order of minutes that considerably facilitates the parametric study process of the variable conductance heat pipe. The effect of heat rate, sink temperature, mass of non-condensable gas, vapor radius, and wick porosity on the performance of variable conductance heat pipe are investigated. For the considered variable conductance heat pipe, the obtained numerical results indicate that sink temperature has the greatest effect on distributions of average wall temperature, overall heat transfer coefficient, the active length of condenser, and its average temperature. By increasing the sink temperature of 10, the active length of condenser is increased about 48 and average wall temperature is increased about 6.4.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Variable conductance heat pipe
  • Non-condensable gas
  • Single-phase approach
  • Condenser active length
  • Wick porosity

مراجع

[1] V. Kravets, Y. Alekseik, O. Alekseik, S. Khairnasov, V. Baturkin, T. Ho, L. Celotti, Heat pipes with variable thermal conductance property for space applications, Journal of Mechanical Science and Technology, 31(6) (2017) 2613-2620.
[2] T. Wyatt, A CONTROLLABLE HEAT PIPE EXPERIMENT FOR THE 5E-4 SATELLITE, JOHNS HOPKINS UNIV LAUREL MD APPLIED PHYSICS LAB, 1965.
[3] X. Chen, H. Ye, X. Fan, T. Ren, G. Zhang, A review of small heat pipes for electronics, Applied Thermal Engineering, 96 (2016) 1-17.
[4] H.N. Chaudhry, B.R. Hughes, S.A. Ghani, A review of heat pipe systems for heat recovery and renewable energy applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(4) (2012) 2249-2259.
[5] A. Faghri, Heat pipes: review, opportunities and challenges, Frontiers in Heat Pipes (FHP), 5(1) (2014).
[6] P. Mock, D. Marcus, E. Edelman, Communications technology satellite: a variable conductance heat pipe application, Journal of Spacecraft and Rockets, 12(12) (1975) 750-753.
[7] M. Furukawa, Design and off-design performance calculations of space radiators, Journal of Spacecraft and Rockets, 18(6) (1981) 515-526.
[8] R. Ponnappan, Studies on the startup transients and performance of a gas loaded sodium heat pipe, UNIVERSAL ENERGY SYSTEMS INC DAYTON OH, 1989.
[9] C. Harley, A. Faghri, Transient two-dimensional gas-loaded heat pipe analysis,  (1994).
[10] J.H. Park, A study on thermal performance of heat pipe for optimum placement of satellite equipment, ETRI journal, 19(2) (1997) 59-70.
[11] A. Nouri-Borujerdi, M. Layeghi, A numerical analysis of vapor flow in concentric annular heat pipes, J. Fluids Eng., 126(3) (2004) 442-448.
[12] M. Cleary, R. Grimes, M. Hodes, M.T. North, Design of a variable conductance heat pipe for a photonic component, in:  ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2006, pp. 143-152.
[13] S. Mahjoub, A. Mahtabroshan, Numerical Simulation of a conventional heat pipe, World Academy of Science, Engineering and Technology, 39 (2008) 117-122.
[14] W.G. Anderson, M.C. Ellis, K.L. Walker, Variable conductance heat pipe radiators for lunar and Martian environments, in:  AIP Conference Proceedings, American Institute of Physics, 2009, pp. 57-66.
[15] W. Anderson, J. Hartenstine, K. Walker, J. Farmer, Variable thermal conductance link for lunar landers and rovers, in:  46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, pp. 6852.
[16] D.M.H. AL-Shamkhi, THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF PERFORMANCE OF CONSTANT AND VARIABLE CONDUCTANCE HEAT PIPE, BASRAH UNIVERSITY, 2011.
[17] W. Anderson, M. Ellis, J. Hartenstine, C. Peters, C. Tarau, K. Walker, Variable conductance heat pipes for variable thermal links, in:  42nd International Conference on Environmental Systems, 2012, pp. 3541.
[18] M.H. SHOJAEEFARD, A. KHALKHALI, J. ZARE, M. TAHANI, Multi objective optimization of heat pipe thermal performance while using aluminium oxide nanofluid,  (2015).
[19] M.N. Hussain, I. Janajreh, Numerical simulation of a cylindrical heat pipe and performance study, Int. J. of Thermal & Environmental Engineering, 12(2) (2016) 135-141.
[20] M.H. Shojaei Fard, M. Tahani, A. Mahtab, J. Zare, Design, Construction and Empirical Investigation of Thermal Performance of A Heat Pipe, journal of selected topics in energy, 1(2) (2018) 31-38.
[21] H. Wang, G. Lin, X. Shen, L. Bai, D. Wen, Effect of evaporator tilt on a loop heat pipe with non-condensable gas, International Journal of Heat and Mass Transfer, 128 (2019) 1072-1080.
[22] K.-L. Lee, C. Tarau, A. Lutz, W.G. Anderson, C.-N. Huang, C. Kharangate, Y. Kamotani, Advanced Hot Reservoir Variable Conductance Heat Pipes for Planetary Landers,  (2020).
[23] C. Wang, L. Zhang, X. Liu, S. Tang, S. Qiu, G. Su, Experimental study on startup performance of high temperature potassium heat pipe at different inclination angles and input powers for nuclear reactor application, Annals of Nuclear Energy, 136 (2020) 107051.
[24] B. Fadhl, L.C. Wrobel, H. Jouhara, Numerical modelling of the temperature distribution in a two-phase closed thermosyphon, Applied Thermal Engineering, 60(1-2) (2013) 122-131.
[25] Z. Zhao, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Zhou, H. Hu, Numerical Study on the Transient Thermal Performance of a Two-Phase Closed Thermosyphon, Energies, 11(6) (2018) 1433.
[26] Evaporation in porous media with large rate, in, Comsol, 2017.
[27] B. Fadhl, L. Wrobel, H. Jouhara, Modelling of the thermal behaviour of heat pipes, WIT Transactions on Engineering Sciences, 83 (2014) 377-389.
[28] S. Ali, Modeling of Heat Transfer and Flow Patterns in a Porous Wick of a Mechanically Pumped Loop Heat Pipe: Parametric Study Using ANSYS Fluent, 2017.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 9
آذر 1400
صفحه 4905-4924

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار