ورتکس تیوب کاربردهای صنعتی وسیعی در زمینه سرمایش موضعی(نقطهای) برای دستگاه های مختلف، خطوط تولید و فرایند دارد. یک نمونه آن تفنگ مغناطیسی هوای سرد میباشد. شکل ۱-۸ نمونه ای از آن را نمایش میدهد که ساخت شرکت ITW Vortec میباشد و برای خنک کاری در فرایندهای ماشین کاری مورد استفاده قرار میگیرد.
شکل ۱-۸: یک نمونه از ورتکس تیوب ساخت شرکت ITW Vortec (تفنگ هوای سرد) [۱۰]
بعضی دیگر از کاربردهای خنک کاری ورتکس تیوب عبارتند از:
برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت 40y.ir مراجعه نمایید.
خنک کاری قالبهای تزریق پلاستیک
دستگاه های رطوبتگیر گاز
خنک کاری دستگاه های آب بندی حرارتی
خنک کاری کابینت کنترل حرارتی دیواری – یک نمونه از کابینت کنترلی ساخته شرکت Exair در اشکال ۱-۹ و ۱-۱۰ نمایش داده شده است.
و …
شکل ۱-۹: کابینت کنترلی ساخته شرکت [۵] Exair
شکل ۱-۱۰: جزئیات خنک کاری یک کابینت کنترلی توسط ورتکس تیوب ساخته شرکت [۵] Exair
۱-۸-۲ گرمایش موضعی
در بعضی کاربردهای محدود میتوان از هوای گرم خروجی از ورتکس تیوب برای گرمایش استفاده نمود. از جمله در:
لحیم و چسب کاری
خشک کردن جوهر روی برچسبها و قوطیها
۱-۸-۳ خنک کننده هوای شخصی
از ورتکس تیوبها میتوان در جلیقههای هوا استفاده نمود که برای توزیع هوای سرد یا گرم در قسمت نیم تنه بدن استفاده میگردد. یک نمونه آن که ساخته شرکت ITW Vortec است، در شکل ۱-۱۱ نمایش داده شده است.
شکل ۱-۱۱: کاربرد ورتکس تیوب در جلیقهی هوا [۱۰]
۱-۸-۴ کاربرد به عنوان یک سیستم جدا کننده رسوب
از ورتکس تیوب برای جداسازی یا خالص سازی جریان گاز یا مایعات نیز استفاده می شود .استفاده از ورتکس تیوب به عنوان استخراج و جدا کننده رسوب از یک جریان در شکل۱-۱۲ ملاحظه می شود.
شکل ۱-۱۲: استفاده از ورتکس تیوب بعنوان استخراج و جدا کننده رسوب از یک جریان [۵]
۱-۸-۵ کاربرد به عنوان یک سیستم پالاینده در صنایع نفت و گاز[۱۳]
ورتکس تیوب به عنوان یک سیستم پالاینده وجداساز در صنایع نفت و گاز نیز کاربرد پیدا کرده است. ورتکس تیوب تفکیکی یا جداساز وسیلهای است که برای خنک کردن و انبساط و چگالش و رطوبتگیری همزمان هیدروکربنهای گازی به کار میرود و در صنایع نفت وگاز نیز برای جداسازی هیدروکربنهای سنگین می تواند کاربرد داشته باشد. در شکل ۱-۱۳ نمونه هایی دیده میشوند.
شکل ۱-۱۳: استفاده از ورتکس تیوب به عنوان پالاینده و جدا کننده هیدروکربنهای سنگین [۵]
۱-۸-۶ کاربرد در جوشکاری اولتراسونیک[۱۴]
برای خنک کاری محل جوشکاری اولتراسونیک از ورتکس تیوب استفاده گستردهای می شود. در شکل ۱-۱۴ یک نمونه ورتکس تیوب مدل۳۲۲۵ شرکت Exairملاحظه می شود که قسمتی از قطعهای را در حین جوشکاری اولتراسونیک خنک نگه میدارد.
شکل ۱-۱۴: استفاده از ورتکس تیوب برای خنک کاری محل جوشکاری اولتراسونیک [۵]
۱-۹ کارهای آزمایشگاهی
با توجه به پیچیدگی کارهای تجربی، کارهای عددی در آنالیز میدان سیال داخل ورتکس تیوب بسیار متداول و ابزار بسیار مفیدی در کمک به محققین میباشد. با اینحال آزمایشات اصلیترین متد برای مطالعه ورتکس تیوب می باشد.
با توجه به اینکه بیش از نیم قرن از کشف تصادفی ورتکس تیوب میگذرد، ولی تا کنون تئوری رضایت بخشی برای توجیه پدیده جدایش انرژی ارائه نشده است. لذا به موازات کارهای عددی، آزمایشات و کارهای تجربی با هم برای مطالعه میدان سیال داخل ورتکس تیوب بهکار می روند.
در ایران مطالعات تجربی و همچنین شبیه سازیهای عددی ۱۱]، ۱۲، ۱۳، ۱۴ و ۱۵[ فراوانی توسط پورمحمود بر روی ورتکس تیوب انجام و نتایج علمی قابل توجهی در مورد آن استخراج شده است. این مطالعات زیر نظر ایشان از چندین سال پیش انجام و نمونه آزمایشگاهی ساخته شده و برای مطالعه تجربی ورتکس تیوب بهکار میرود. درشکل ۱-۱۵ نمونه ورتکس تیوب ساخته شده توسط پورمحمود نشان داده شده است.
شکل ۱-۱۵: نمونه آزمایشگاهی از ورتکس تیوب ساخته شده توسط پورمحمود
۱-۱۰ ساختار کلی پایان نامه
فصل اول شامل مقدمه ای در مورد دستگاه ورتکس تیوب، مزایا و معایب آن و کاربردهای آن در صنعت و ساختار کلی پایان نامه می باشد. در فصل دوم به مروری بر کارهای قبلی انجام شده در این زمینه پرداخته شده است. در فصل سوم قانون های ترمودینامیکی که در ورتکس تیوب کاربرد دارد بیان شده و ویژگی های مدل چرخش ثانویه آلبرن ارائه شده است. در فصل چهارم مدل عددی بررسی شده در پایان نامه معرفی و معادلات و شرایط مرزی حاکم بر آن بیان می شود. همچنین نتایج عددی بدست آمده با مقایسه با نتایج تجربی، اعتبار دهی میشوند. در فصل پنجم به بررسی تأثیر ابعاد نازلهای تزریق بر عملکرد ورتکس تیوب و لاینفک بیان علت جریان برگشتی در خروجی سرد، که پارامتر تأثیر گذاری در دمای خروجی سرد میباشد، همچنین بررسی پارامتر بی بعد η صورت گرفته، چگونگی کاهش اثر نامطلوب ناحیه پر فشار و در نهایت جدایش انرژی و COP دستگاه مورد بررسی قرار میگیرد.
فصل دوم
مروری بر کارهای گذشته
مطالعه وآشنایی با کارهای قبلی و نتایج تحقیقاتی که قبلاً منتشر شده است از ضروریات شروع یک تحقیق و پژوهش علمی است. از سال ۱۹۳۴، مقالات زیادی به زبانهای مختلف در مجلات معتبر علمی و کنفرانسهای برگزار شده، در مورد ورتکس تیوب به چاپ رسیده است. تمامی این مقالات مستقیماً به پژوهش حاضر مربوط نمی باشد خصوصاً مقالاتی که مربوط به کارهای تجربی و آزمایشگاهی هستند. بسیاری از کارهای آزمایشگاهی انجام شده تنها به بیان نتایج بسنده کرده اند و در مورد فیزیک جریان و مفاهیم مربوط به جدایش انرژی در ورتکس تیوب بحث نکرده اند. در این فصل کارهای تئوری و عددی و آزمایشگاهی مهم و مرتبط با پایان نامه حاضر معرفی و در مورد آنها به اختصار بحث میگردد. نمودار زیر این تقسیم بندی و زیر مجموعه های آن را نشان می دهد :
۲-۱ تحقیقات آزمایشگاهی بر روی ورتکس تیوب
تحقیقات آزمایشگاهی مربوط به مطالعه و بررسی اثر دو پارامتر مهم زیر میباشد:
پارامترهای ترموفیزیکی[۱۵] نظیر نوع سیال، فشار ورودی، دمای ورودی و غیره
پارامترهای هندسی[۱۶] نظیر تعداد و پروفیل نازلهای ورودی، قطر لوله، طول و غیره
۲-۱-۱ پارامترهای ترموفیزیکی
یکی از اهداف مهم کارهای آزمایشگاهی بررسی اثر تراکم پذیری سیال عامل (غالباً هوا) است. اولین مطالعات تجربی در این زمینه در سال ۱۹۶۷ توسط لیندستروم-لنگ [۱۶] و در سال ۱۹۷۷ توسط مارشال [۱۷] انجام و به چاپ رسید. سیالهای عامل مورد استفاده در کار آنها گازهای ترکیبی شامل اکسیژن و نیتروژن، کربن دی اکسید و هلیوم، کربن دی اکسید و هوا و چندین ترکیب دیگر بودند. در سال ۲۰۰۱، ورتکس تیوب به عنوان سیستم جداساز گاز CO2 توسط راترمن و همکاران[۱۸] استفاده شد. در ۲۰۰۲، کولکارنی و سردسای [۱۹] برای غلیظ کردن گاز متان از آن استفاده نمودند. در سال ۲۰۰۴، گاز طبیعی توسط پوشرنف و خودرکوف [۲۰] به عنوان سیال عامل استفاده شد و از طریق ورتکس تیوب تبدیل به مایع شد.
در ۱۹۷۹، تاکاهاما و همکاران [۲۱] از بخار آب استفاده نمودند و در همان سال پروپان دو فازی توسط کولینس و لوولیک [۲۲]مورد استفاده قرار گرفت. آنها متوجه شدند، زمانیکه درجه خشک بودن[۱۷] (نسبت جرم ذرات گاز به جرم کل) پروپان بالاتر از ۸/۰ باشد، اختلاف دمای قابل توجهی به دست میدهد. در هنگام استفاده از سیال دو فازی، درجه خشک بودن یک پارامتر مهم است و زمانیکه این مقدار از یک میزان بحرانی بیشتر شود، جدایش انرژی صورت میگیرد.
در سال ۱۹۸۸، بالمر [۲۳] از آب مایع استفاده نمود. او دریافت که هنگام به کاربردن آب مایع باید فشار کاری بسیار بالا باشد (مثلاً ۲۰ تا ۵۰ بار) تا جدایش انرژی صورت گیرد. پس میتوان نتیجه گرفت که تراکم پذیری نقش قابل توجهی در جدایش انرژی دارد. خلاصه نتایج حاصل از کارهای تجربی صورت گرفته بر روی پارامترهای ترمو فیزیکی را میتوان به صورت زیر بیان نمود.
سیال عامل نقش تعیین کننده ای در عملکرد ورتکس تیوب دارد.
با انتخاب سیالهای عامل مختلف، میتوان عملکرد سیستم را بهینه نمود.
از ورتکس تیوب میتوان برای جداسازی استفاده نمود
۲-۱-۲ پارامترهای هندسی
پارامترهای هندسی شامل محل قرارگیری خروجیهای سرد و گرم، شیر کنترل و نازلهای ورودی میباشد. همانطور که در فصل اول اشاره شد، بسته به محل قرار گیری خروجی سرد دو نوع ورتکس تیوب با جریان موازی و مخالف داریم.
در میان کارهای تجربی، کاکریل [۲۴] در سال ۱۹۹۵، نتیجه گرفت که عملکرد ورتکس تیوب با جریان مخالف نسبت به نوع جریان موازی آن، برتری دارد. از این رو در اکثر کاربردهای عملی نوع جریان مخالف ورتکس تیوب استفاده می شود. پژوهش تجربی در زمینهی اثر پارامترهای هندسی بر طراحی و عملکرد ورتکس تیوب بسیار گسترده است.
اولین مورد در سال ۱۹۴۸ توسط هیلش [۶] بود. تاکاهاما [۲۵] (۱۹۶۵) کارهای بسیار ارزندهای در این زمینه انجام داد و اثر فشار و دما داخل ورتکس تیوب ونیز تأثیر فاکتورهای هندسی مهم روی جدایش انرژی را بررسی کرد. در سال ۱۹۷۷، مارشال [۱۷] به صورت تجربی اثبات کرد که جدایش دما مربوط به اثر سانتریفیوژی میباشد. نتایج او نشان میدهد که لولههای استاندارد و بزرگ با در نظر گرفتن افت فشار، عملکرد مشابهی در میزان جدایش انرژی دارند. آلبرن و گرووز [۲۶] در ۱۹۹۷ با بهره گرفتن از یک لوله پیتوت جریان چرخشی ثانویه را در ورتکس تیوب مشاهده کردند. آنها با اندازه گیری میدان سرعت مشخص کردند که جریان برگشتی در مرکز لوله، دبی بیشتری نسبت به دبی خروجی از قسمت سرد را دارد بنابراین ورتکس تیوب باید دارای یک جریان چرخشی ثانویه باشد که محاط بر چرخش اولیه است و سیال را از هسته جریان پشتی[۱۸] به نواحی دیگر انتقال میدهد. کار ژائو و همکاران [۲۷] در ۲۰۰۵ و ایامسا-آرد و پرومونگ[۲۸] در سال ۲۰۰۸ نیز از دیگر موارد تجربی در این زمینه میباشند.
۲-۲ تحقیقات تئوری بر روی ورتکس تیوب
تحقیقات تئوری نیز به موازات کارهای آزمایشگاهی انجام گرفتهاند که بیشتر مرتبط با همان کارهای تجربی هستند و شامل تحقیقات تحلیلی و عددی میباشند. برای نمونه در سال ۱۹۹۷، گاتسول [۲۹] و در ۲۰۰۲، لئنتوف [۳۰] مطالعات تئوریک کاملی در مورد ورتکس تیوب انجام دادند. این تحقیقات را میتوان به موارد زیر دسته بندی نمود.
