مطالعه افزایش ضریب انتقال حرارت در محیط متخلخل با استفاده از نانوذرات رسانا از راه شبیه‏سازی CFD

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه اصفهان، ایران

چکیده

برای استفاده از نانوفناوری در ازدیاد برداشت حرارتی برای افزایش راندمان انتقال حرارت، در این تحقیق افزایش ضریب انتقال حرارت با استفاده از نانوفناوری بررسی شده است. در بخش آزمایشگاهی این تحقیق، ابتدا با افزودن نانوذره اکسید مس(به‏عنوان یکی از متداول‏ترین نانوذرات استفاده‏شده در این زمینه) به سیال پایه‏آبی، نانوسیالی پایدار و یک‏نواخت برای استفاده از خواص حرارتی بالای آن تهیه و سپس به درون مغزه تزریق شد. نتایج به‏دست‏آمده پس از تزریق نانوسیال با غلظت 01/0 مولار بیانگر افزایش قابل‏توجه ضریب هدایت حرارتی نسبت به سنگ خشک‏اند(25%) در حالی که آب مقطر تنها 6% ضریب انتقال حرارت را بهتر کرد. در بخش مدل‏سازی این کار تحقیقاتی، با استفاده از ساختار واقعی سنگ به بررسی عددی انتقال حرارت در این نمونه پرداخته شد. برای این منظور دو تصویر از دو مقطع مغزه آزمایش‏شده تهیه شد و از پردازش آنها دو مدل واقعی به دست آمدند که با اعمال شرایط اولیه و شرایط مرزی موجود، نتایج حاصل از شبیه‏سازی عددی با روش اجزای محدود افزایش ضریب هدایت حرارتی موثر تحت‏تاثیر نانوذرات رسانا را تایید کردند. نتایج شبیه‏سازی پس از تزریق نانوسیال با استفاده از مدل‌های شماره یک و شماره دو بیانگر افزایش 14 و 8% ضریب هدایت حرارتی نسبت به سنگ خشک‏ و در نتیجه افزایش بازده انتقال حرارت‏اند. نتایج حاصل از این تحقیق نشان دادند که روش دینامیک سیالات محاسباتی را می‌توان به‏عنوان یک روش قابل‏اعتماد در حل این مسئله به کار برد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

numerical investigation of thermal conductivty enhancement in porous medium treated with high conductive nanoparticles.

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Rokhforouz 1
  • Maliheh Barahoei 2
  • Shahab Ayatollahi 1
1 Department of Chemical and Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Chemical Engineering, University of Isfahan, Iran
چکیده [English]

It’s possible to couple the EOR and nanotechnology to utilize the efficiency of both methods. This study is conducted in two steps, (1) experimental and (2) simulation. In the first stage of experimental section, a stable and uniform water-based solution of nano-sized particles of copper oxide with different concentrations (0.01 to 0.05 M) were prepared and then injected into the core samples. Then using a homemade apparatus, thermal conductivity of cores at different cases include dry core, water saturated, nano saturated and dried after one week was measured. The experimental results showed %25 and 6% enhancement of thermal conductivity of nano saturated and water saturated core, respectively relative to the dry core thermal conductivity. In the simulation section, the modeling domain was constructed with realistic morphology to represent cores’ structure.  Structural details of cores are obtained by image processing of two captured images from thin sections of cores. The experimental data have been used and validations have been performed by comparing temperature difference variation along to the core for different cases. The simulation approach has been  performed by solving heat transfer equations with a commercial finite element package (COMSOL™). The Simulation results of two used models show that the thermal conductivity of nano saturated models have 14% and 8% enhancement, respectively. The obtained results are consistent with experimental data and simulate the improvement of ETC after nanofluid injection. The present study demonstrates that computational fluid dynamics can be a reliable approach to confirm empirical data.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heat Transfer
  • Image Processing
  • Numerical Simulation
  • Thermal Conductivity
  • Porous Media

[1]. Batzle M., Hofmann R and Han D. “Heavy oils: seismic properties,” The Leading Edge, Vol. 25, No. 6, pp. 750-756, 2006.##

[2]. Mateeva A., Lopez J., Hornman K., Wills P., Cox B., Kiyashchenko D., Berlang W., Potters H. and Detomo R., “Recent advances in seismic monitoring of thermal EOR,” In: IPTC 2014: International Petroleum Technology Conference, Kuala Lumpur, 2014.##

[3]. Lashanizadegan A., Ayatollahi Sh. and Homayoni M. “Simultaneous heat and fluid flow in porous media: case study: steam injection for tertiary oil recovery,” Chemical Engineering Communications, Vol. 195, No. 5, pp. 521-535, 2008.##

[4]. Mohsenzadeh A., Escrochi M., Afraz M., Mansoor Al-wahaibi Y. and Ayatollahi Sh. “Experimental investigation of heavy oil recovery from fractured reservoirs by secondary steam-gas assisted gravity drainage,” SPE Heavy Oil Conference Canada. Society of Petroleum Engineers, Calgary, 2012.##

[5]. Homayoni M., Ayatollahi Sh., and Lashanizadegan A., “Enhanced heavy oil recovery using steam injection,” 13th International Oil, Gas and Petrochemical Congress (IOR 2005), Tehran, pp. 24-26, 2005.##

[6]. Cocuzza M., Candido P., Rocca Vera R. and Francesca V. “Current and future nanotech applications in the oil industry,” Am. J. Appl. Sci. Vol. 9, No, 6, p.784, 2012.##

[7]. Singh A. K. “Thermal conductivity of nanofluids,” Def. Sci. J., Vol. 58, No. 5, pp. 600-607, 2008.##

[8]. Vadász P. “Emerging topics in heat and mass transfer in porous media,” New York, Springer Verlag, 2008.##

[9]. Singh R., and Kasana H. S., “Computational aspects of effective thermal conductivity of highly porous metal foams,” Appl. Therm. Eng., Vol. 24, pp. 1841-1849, 2004.##

[10]. Bhattacharya A., Calmidi V. and Mahajan R., “Thermophysical properties of high porosity metal foams,” Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 45, No. 5, pp. 1017-1031, 2002.##

[11]. Abdulagatova Z., Abdulagatov I. and Emirov V., “Effect of temperature and pressure on the thermal conductivity of sandstone,” Int. J. Rock Mech. Min. Sci, Vol. 46, No. 6, pp. 1055-1071, 2009.

[12]. Abdulagatova Z., Abdulagatov I., and Emirov S., “Effect of pressure, temperature, and oil-saturation on the thermal conductivity of sandstone up to 250 MPa and 520 K,” J. Pet. Sci. Eng. Vol. 73, No. 1, pp. 141-155, 2010.##

[13]. Coquard R., Rochais D., and Baillis D., “Conductive and radiative heat transfer in ceramic and metal foams at fire temperatures,” Fire Technol., Vol. 48, pp. 699-732, 2012.##

[14] Mendes M., Ray S., and Trimis D., “A Simple and efficient method for the evaluation of effective thermal conductivity of open-cell foam-like structures,” Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 66, pp. 412-422, 2013.##

[15]. Mendes M., Asad A., Gotze P., Werzner E., Wulf R., Trimis D., Grob U., and Ray S., “Sensitivity analysis of effective thermal conductivity of open-cell ceramic foams using a simplified model based on detailed structure,” Spec. Top. Rev. Porous Media, Vol. 6, No. 1, pp. 1-10, 2014##

[16]. Alizadeh M., Rostami B., and Khosravi M., “Numerical analysis of solutal marangoni convections in porous media,” Can. J. Chem. Eng., Vol. 92, pp. 1999-2009, 2014.##

[17]. Amiri H., and Hamouda A., “Pore-scale modeling of non-isothermal two phase flow in 2D porous media: influences of viscosity, capillarity, wettability and heterogeneity, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 61, pp. 14-27, 2014.##

[18]. Chahardowli M., and Bruining J., “Modeling of wettability alteration during spontaneous imbibition of mutually soluble solvents in mixed wet fractured reservoirs”, COMSOL Multiphysics Conference, Cambridge, 2014.##

[19]. Barahoei M., A. Zeinolabedini S. Sabbaghi and Ayatollahi Sh., “Copper oxide Nano-Fluid stabilized by ionic liquid for enhancing thermal conductivity of reservoir formation; applicable for thermal enhanced oil recovery processes,” Chem. Ind. Chem. Eng., Vol. 23, pp.35-50, 2015.##

[20]. رخ‏فروز، م. ر.، م. برآهویی، م. رنجبران، الف. جویبار، ش. آیت‏اللهی و و. تقی‏خانی "مدل‏سازی انتقال حرارت در سنگ مخزن تحت تاثیر نانوذرات رسانا برای بهبود ازدیاد برداشت حرارتی،" پانزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی، دانشگاه تهران، 28-30 بهمن 1393.##

[21]. Barahoei M., Sabbaghi S., Zeinolabedini A., and Ayatollahi Sh., “Investigation on stability of CuO Nano-Fluid prepared at presence of ionic liquid and its effectiveness its thermal conductivity,” The 8th International Chemical Engineering Congress & Exhibition (IChEC 2014), Kish, Iran, 24-27 February, 2014.##

[22]. برآهویی، م.، ص. صباغی و ش. آیت‏اللهی. "بررسی اثر سورفکتانت‏های مختلف در سنتز نانوسیال اکسید مس و تزریق آن به مغزه جهت بهبود عمل‏کرد ازدیاد برداشت حرارتی،" اولین همایش ملی توسعه میادین نفت و گاز، دانشگاه صنعتی شریف، 8-9 بهمن 1393.##

[23]. برآهویی، م.، ص. صباغی و ش آیت‏اللهی. "بررسی اثر سیال پایه‏های مختلف در تزریق نانوسیال اکسید مس برای افزایش هدایت حرارتی سنگ مخزن،" اولین همایش ملی توسعه میادین نفت و گاز، دانشگاه صنعتی شریف، 8-9 بهمن 1393.##

[24]. برآهویی، م. بررسی آزمایشگاهی اثر تزریق نانوسیال اکسید مس بر هدایت حرارتی سنگ مخزن در فرآیند ازدیاد برداشت حرارتی، پایان‏نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شیراز، 1392.##

[25]. Holman J., “Heat transfer,” New York, McGraw-Hill Education, 2009.##

[26]. Fourie J., and Du Plessis P., “A two-equation model for heat conduction in porous media (I: Theory),” Transp. Porous Media, Vol. 53, No. 2, pp. 145-161, 2003.##

[27]. Fourie J., and Du Plessis P., “A two-equation model for heat conduction in porous media (II: Application),” Transp. Porous Media, Vol. 53, No. 2, pp. 163-174, 2003.##

[28]. COMSOL Multiphysics. User Guide Version 4.2, 2011##

[29]. Fengjie S., He W., and Jieqing F., “2D Otsu segmentation algorithm based on simulated annealing genetic algorithm for Iced-cable images,” International Forum on Information Technology and Applications, Vol. 2, Chengdu, 2009.##

[30]. Lu C., Zhu P., and Cao Y., “The segmentation algorithm of improvement a two-dimensional Otsu and application research,” 2nd International Conference on Software Technology and Engineering (ICSTE), Vol. 1, Puerto Rico, 2010.##