مطالعه عددی تأثیر سطوح گسترش‌یافته بر عملکرد مبدل حرارتی زمین‌گرمایی هم‌محور

نوع مقاله : مقاله مکانیک

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده انرژی، پردیس علوم و فن‌آوری‌های نوین، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 استادیار، دانشکده انرژی، پردیس علوم و فن‌آوری‌های نوین، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

در این مطالعه، تأثیر سطوح گسترش‌یافته بر عملکرد یک مبدل حرارتی زمین‌گرمایی هم‌محور عمودی بررسی شده است. سیال (آب) با دمای اولیه ۵/۳ درجه سلسیوس و با دبی حجمی ۰۰۰۸/۰ متر مکعب بر ثانیه از ناحیه حلقوی وارد شده و از لوله میانی خارج می‌شود. شبیه‌سازی برای حالت جذب حرارت انجام شده است. مدل آشفتگی SST k-ω برای جریان آشفته به کار گرفته شده است. با قرار دادن دندانه و گودی با چند هندسه مختلف بر روی سطح لوله خارجی، عملکرد حرارتی مبدل بهبود یافته است. سطوح مثلثی شکل نسبت به سایر هندسه‌ها دمای خروجی بهتری از خود نشان دادند. اختلاف دمای ورودی و خروجی سیال در مبدل دارای گودی و دندانه مثلثی با عمق گودی 5 میلی‌متر، 5/6 درصد افزایش یافته است. بیشترین افت فشار در میان انواع مبدل نیز مربوط به مبدل با گودی و دندانه مثلثی با عمق گودی 5 میلی‌متر است که مقدار آن 9/10 کیلوپاسکال می‌باشد. مقادیر مختلف عدد ناسلت محلی در ناحیه حلقوی مبدل به ازای عمق‌های مختلف محاسبه شده است. مبدل ساده بالاترین مقدار ناسلت متوسط در محدوده مورد مطالعه مبدل را دارد و مقدار عدد ناسلت متوسط برای این نوع مبدل حرارتی برابر با 15/57 است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Study on the Effects of Extended Surfaces on the Performance of a Coaxial Geothermal Heat Exchanger

نویسندگان [English]

  • Naser Bakhshi 1
  • Saman Rashidi 2
  • Roohollah Rafee 3
1 MSc Student, Department of Energy, Faculty of New Sciences and Technologies, Semnan University, Semnan, Iran
2 Assistant Professor, Department of Energy, Faculty of New Sciences and Technologies, Semnan University, Semnan, Iran
3 Associate Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

In this study, the effect of expanded surfaces on the performance of a vertical coaxial geothermal heat exchanger has been investigated. The fluid (water) with an initial temperature of 3.5 ºC and a volumetric flow rate of 0.0008 m3/s enters from the annular area and exits from the middle pipe. The simulation is done for the heat absorption mode. The SST k-ω turbulence model is used for simulation of the turbulent flow. The thermal performance of the heat exchanger has been improved by placing ribs and dimples with several different geometries on the surface of the outer tube. Triangular surfaces showed better temperature output than other geometries. The temperature difference between the inlet and outlet of the fluid in the heat exchanger with a dimple and a triangular rib with a dimple depth of 5 mm has increased by 6.5%. The highest pressure drop is related to the heat exchanger with a dimple and a triangular tooth with a dimple depth of 5 mm, the value of which is 10.9 kPa. Different values of the local Nusselt number in the annular region of the heat exchanger have been calculated for different depths. The simple heat exchanger has the highest average Nusselt number in the studied range, and the average Nusselt number for this type of heat exchanger is 57.15.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Geothermal heat exchanger
  • Convective heat transfer
  • Numerical solution
  • Extended surfaces
  • Pressure drop

مراجع

[1] A. Saffarzadeh, and Y. Noorollahi. "Geothermal development in Iran: a country update." In Proceedings. 2005.
[2] Y. Noorollahi, R. Saeidi, M. Mohammadi, A. Amiri, and M. Hosseinzadeh. "The effects of ground heat exchanger parameters changes on geothermal heat pump performance–A review." Applied Thermal Engineering 129 (2018): 1645-1658.
[3] L. Aresti, P. Christodoulides, and G. Florides. "A review of the design aspects of ground heat exchangers." Renewable and Sustainable Energy Reviews 92 (2018): 757-773.
[4] J. Raymond, S. Mercier, and L. Nguyen. "Designing coaxial ground heat exchangers with a thermally enhanced outer pipe." Geothermal Energy 3 (2015): 1-14.
[5] C. Li, Y. Guan, R. Yang, X. Lu, W. Xiong, and A. Long. "Effect of inner pipe type on the heat transfer performance of deep-buried coaxial double-pipe heat exchangers." Renewable Energy 145 (2020): 1049-1060.
[6] D. Gordon, T. Bolisetti, D.S. Ting, and S. Reitsma. "Experimental and analytical investigation on pipe sizes for a coaxial borehole heat exchanger." Renewable Energy 115 (2018): 946-953.
[7] Y. Luo, H. Guo, F. Meggers, and L. Zhang. "Deep coaxial borehole heat exchanger: Analytical modeling and thermal analysis." Energy 185 (2019): 1298-1313.
[8] Y. Zhang, C. Yu, G. Li, X. Guo, G. Wang, Y. Shi, C. Peng, and Y. Tan. "Performance analysis of a downhole coaxial heat exchanger geothermal system with various working fluids." Applied Thermal Engineering 163 (2019): 114317.
[9] S. Iry, and R. Rafee. "Hydrothermal analysis of conventional and baffled geothermal heat exchangers in transient mode." Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 143 (2021): 2149-2161.
[10] M. Daneshipour, and R. Rafee. "Nanofluids as the circuit fluids of the geothermal borehole heat exchangers." International Communications in Heat and Mass Transfer 81 (2017): 34-41.
[11] X. Song, G. Wang, Y. Shi, R. Li, Z. Xu, R. Zheng, Y. Wang, and J. Li. "Numerical analysis of heat extraction performance of a deep coaxial borehole heat exchanger geothermal system." Energy 164 (2018): 1298-1310.
[12] M. Daneshipour, and R. Rafee. “Determining the diameter ratios with the lowest entropy production in a geothermal heat exchanger by numerical simulation of fluid flow and heat transfer.” Mechanics Of Structures And Fluids 6 1 (2016): 249-258. (In Persian).
[13] M. Domínguez Masalias. “Thermodynamic Optimization of Downhole Coaxial Heat Exchanger for Geothermal Applications.”  Master thesis, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, Warsaw University of Technology. 2010.
[14] S. Iry, and R. Rafee. “Transient Numerical Simulation of the Coaxial Borehole Heat Exchanger with the Different Diameters Ratio.”  Geothermics 77 (2019): 158–65.
[15] S. Rashidi, N. Bakhshi, and R. Rafee. "Progress and challenges of helical-shaped geothermal heat exchangers." Environmental Science and Pollution Research 28, no. 23 (2021): 28965-28992.
[16] Y. He, M. Jia, X. Li, Z. Yang, and R. Song. "Performance analysis of coaxial heat exchanger and heat-carrier fluid in medium-deep geothermal energy development." Renewable Energy 168 (2021): 938-959.
[17] S. Patankar. Numerical heat transfer and fluid flow. CRC Press, 2018.
[18] F.R. Menter. "Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications." AIAA Journal 32, no. 8 (1994): 1598-1605.
مدل سازی در مهندسی
دوره 22، شماره 76
اردیبهشت 1403
صفحه 167-175

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 18 فروردین 1402
  • تاریخ بازنگری: 22 تیر 1402
  • تاریخ پذیرش: 04 شهریور 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار