Optimization of Hydrothermal Enhancement in Outwardly Corrugated Pipes of Heat Exchanger

تُعد المبادلات الحرارية هي "خيول العمل" المجهولة في الهندسة الحديثة، حيث تقوم بنقل الحرارة بهدوء من مكان إلى آخر في كل شيء، بدءاً من مشعات السيارات وصولاً إلى وحدات تكييف الهواء. تعتمد هذه الأجهزة في جوهرها على تحدٍ بسيط ولكنه صعب: جعل السائل، الذي يكون عادةً الماء أو الهواء، يمتص الحرارة أو يطلقها بأسرع ما يمكن أثناء تدفقه عبر أنبوب. في الأنبوب الأملس تماماً، يميل السائل إلى الانزلاق في طبقات منظمة، مما يخلق غطاءً عازلاً هادئاً من السائل الأبطأ حركة بجوار الجدار الساخن أو البارد. يعمل هذا الغطاء كحاجز، مما يبطئ عملية انتقال الطاقة. وقد سعى المهندسون منذ زمن طويل لإيجاد طرق لكسر هذا الحاجز دون استخدام طاقة إضافية، غالباً عن طريق تغيير شكل الأنبوب نفسه. وتتضمن إحدى هذه الطرق إضافة نمط متموج أو متعرج إلى داخل الأنبوب. والهدف هو إجبار السائل على الاختلاط بقوة أكبر، مما يؤدي إلى تمزيق تلك الطبقة العازلة وتسريع التبادل الحراري، ولكن هذا يأتي مع ضريبة: فالالأسطح الأكثر خشونة تخلق مزيداً من الاحتكاك، مما يتطلب طاقة أكبر لضخ السائل عبرها.

وضع فريق من الباحثين من جامعة دلتا الجنوبية في نيجيريا هدفاً لإيجاد التوازن المثالي بين هاتين القوتين المتنافستين. ركزوا على أنابيب ذات أسطح متموجة للخارج، مما يعني أن الأمواج تبرز نحو الخارج، واستخدموا محاكاة حاسوبية قوية لمراقبة سلوك الماء المقطر بداخلها. لم يكتفوا بقياس كمية الحرارة المنتقلة فحسب، بل نظروا بعمق أكبر في فيزياء التدفق، وفحصوا كيفية توافق سرعة الماء مع التغيرات في درجات الحرارة ومقدار الطاقة الضائعة أثناء اضطراب السائل. ومن خلال اختبار مجموعة واسعة من سرعات التدفق وأحجام الأمواج المختلفة، هدفوا إلى فهم كيفية تأثير شكل الأنبوب على كفاءة النظام بأكره.

قام الباحثون بنمذجة أنبوب بقطر 0.03 متر وطول 0.8 متر، فأنشؤوا "توأماً رقمياً" ثلاثي الأبعاد لمراقبة الحركات المعقدة والدوامات التي تحدث عندما يندفع الماء عبر الأمواج. واختبروا ثلاثة ارتفاعات مختلفة للتجاعيد (التموجات)، تتراوح بين 0.03 و0.05 من قطر الأنبوب، وثلاث مسافات مختلفة بين الأمواج. كما قاموا بمحاكاة تدفق الماء بسرعات تقابل أرقام رينولدز تتراوح بين 5,000 و40,000، وهو نطاق يمثل التدفق المضطرب والفوضوي بدلاً من التدفق الطبقي السلس. وقد سمحت لهم النماذج الحاسوبية بتصور القوى غير المرئية، مثل تشكل الدوامات الصغيرة بالقرب من الجدران والطريقة التي يتغير بها مجال درجة الحرارة أثناء تحرك الماء.

أكدت النتائج أن الأنابيب المتموجة أفضل بكثير في نقل الحرارة من الأنابيب الملساء. ففي عمليات المحاكاة، زاد معدل انتقال الحرارة بمعاملات تقارب ستة، وخمسة، وحوالي خمسة للارتفاعات المختلفة للأمواج المختبرة، مقارنة بالأنبوب الأملس. يحدث هذا التحسن لأن الأمواج تعطل التدفق، مما يخلق مناطق إعادة تدوير حيث يدور السائل ويختلط، مما يجلب السائل الأكثر سخونة من مركز الأنبوب ليلامس الجدران الأبرد والعكس صحيح. ومع ذلك، فإن هذا الاختلاط له ثمن؛ فالأمواج نفسها التي تساعد في نقل الحرارة تخلق أيضاً مقاومة، مما يجبر المضخة على العمل بجهد أكبر. وكان معامل الاحتكاك، الذي يقيس هذه المقاومة، أعلى باستمرار في الأنابيب المتموجة.

ولتحديد ما إذا كان انتقال الحر extra الإضافي يستحق طاقة الضخ الإضافية، استخدم الباحثون مقياس أداء يوازن بين الكسب الحراري والخسارة الهيدروليكية. ووجدوا أنه بالنسبة لجميع التصميمات المتموجة التي تم اختبارها، كانت الفوائد تفوق التكاليف، حيث ظل مقياس الأداء فوق الخط المرجعي للأنبوب الأملس عبر كامل نطاق سرعات التدفق. يشير هذا إلى أنه في هذه الظروف المحددة، تكون المقايضة مواتية. كما قدمت الدراسة طريقة جديدة للنظر في الفيزياء، تسمى "مؤشر الاقتران الحراري التآزري"، لمعرفة ما إذا كان التحسن ناتجاً فقط عن التوافق الأفضل بين التدفق ومجالات درجة الحرارة. واكتشفوا أنه بينما يساعد التوافق الأفضل، إلا أنه ليس القصة بأكملها؛ إذ يأتي جزء كبير من كسب انتقال الحرارة من الاضطراب وإعادة التدوير نفسه، وليس فقط من التوافق الهندسي لمتجهات التدفق.

كما نظر الباحثون في إنتاج الإنتروبيا، وهو مقياس لكمية الطاقة المفيدة الضائعة كحرارة بسبب الاحتكاك وفروق درجات الحرارة. ووجدوا أنه بينما خلقت الأنابيب المتموجة مزيداً من الهدر الناتج عن الاحتكاك، إلا أنها قللت فعلياً من إجمالي هدر الطاقة في النظام مقارنة بالأنابيب الملساء. وذلك لأن الاختلاط المعزز قلل من تدرجات درجات الحرارة بشكل فعال، مما جعل إجمالي فقدان الطاقة أقل. وأظهرت عمليات المحاكاة أن منطقة التشغيل الأكثر كفاءة لهذه الأنابيب هي عند سرعات تدفق منخفضة نسبياً مع شدة تموج متوسطة. فعند السرعات العالية جداً، يبدأ الاحتكاك الإضافي في التهام المكاسب الحرارية، وتتضاءل فائدة الأمواج.

ومن خلال عملية تحسين متعددة الأهداف، رسم الفريق خارطة لأفضل الحلول الوسطى بين انتقال الحرارة، والاحتكاك، وهدر الطاقة. ووجدوا حداً واضحاً حيث يتوقف إضافة أمواج أكثر كثافة عن تقديم فوائد متناسبة. فبعد نقطة معينة، يكون الحر المكتسب الإضافي ضئيلاً مقارنة بالطاقة الإضافية المطلوبة لدفع الماء عبر السطح الأكثر خشونة. وتخلص الدراسة إلى أن التصميم الأكثر ملاءمة لهذه الأنابيب المتموجة للخارج يتضمن توازناً بين ارتفاع موج متوسط وسرعة تدفق ليست عالية جداً. يوفر هذا البحث صورة فيزيائية أوضح لسبب عمل هذه الأنابيب، ويقدم إرشادات عملية للمهندسين المصممين لمبادلات حرارية أكثر كفاءة، موضحاً أن مفتاح الأداء الأفضل لا يكمرد فقط في جعل السطح أكثر خشونة، بل في إيجاد الهندسة الدقيقة التي تعظم الاختلاط مع تقليل هدر الطاقة إلى أدنى حد.