دانلود مقاله بررسی تاثیر تغییرات لزجت سیال بر میدان جریان و انتقال حرارت اطراف ردیفی از لولههای هم خط در یک مبدل حرارتی

word قابل ویرایش
22 صفحه
5700 تومان

چکیده

مبدلهای حرارتی درتمامی شاخه های مهندسی و صنایع مختلفخصوصاً درکارخانه های فرآیند شیمیایی و در نیروگاهها بکار گرفته میشوند و از اهمیت ویژهای برخوردارند. یک از موضوعاتی که در مبدلهای حرارتی حائز اهمیت است بررسی جریان سیال و انتقال حرارت روی چیدمانی از لولهها میباشد. از آنجاکه در بعضی از فرآیندها سیالات جریان یافته در مبدل دارای لزجتی متغیر با دما میباشد، بررسی اثر تغییرات آن میتواند مورد توجه قرار گیرد. در این مقاله تاثیر لزجت متغیر سیال بر میدان جریان و انتقال حرارت روی یک ردیف لوله همخط تحلیل و بررسی شده است. بدین منظور از نرم افزار گمبیت و فلوئنت استفاده شده است و به کمک آن معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی برای سیال عبوری روی لولهها حل شده است. جهت اطمینان از صحت نتایج، ابتدا نتایج حاصل از کار حاضر برای سیالاتی با خواص ثابت با نتایج تجربی موجود مقایسه و انطباق خوبی دیده شده است. با متغیر در نظرگرفتن لزجت سیال مشاهده شده است میدان جریان دیرتر به حالت توسعه یافتگی می رسند و میزان نرخ انتقال حرارت افزایش می یابد. همچنین مشاهده شده است که نرخ انتقال حرارت نیز با افزایش رینولدز در ناحیه آرام در هر دو حالت لزجت ثابت و لزجت متغیر افزایش مییابد.

واژههای کلیدی: مطالعه عددی، مبدل حرارتی، ردیف لوله، لزجت متغیر، انتقال حرارت

-۱ استادیار مهندسی مکانیک

-۲ دانشجوی کارشناسی ارشد تبدیل انرژی
-۳ کارشناسارشد تبدیل انرژی
دومین همایش بین المللی مبدل های گرمایی در صنعت نفت و انرژی. تهران:۱۹ و ۲۰ آبان www.mobadel.ir 1389

-۱ مقدمه

یکی از تجهیزاتی که در آن از دسته لولهها برای تبادل حرارت استفاده میشود، مبدلهای حرارتی هستند.

مبدلهای حرارتی لولهای بدلیل بازده بالا، اقتصادی بودن و همچنین پیشرفت فراوان در ساخت تیوب، بیشترین کاربرد را در تمامی شاخههای صنعتی دارا میباشند. در این نوع از مبدلهای حرارتی، یک سیال در درون لوله جریان مییابد و سیال دیگر از میان دسته لوله ها برای تبادل حرارت میگذرد. عمده انتقال حرارت بوسیله هدایت و جابجایی اجباری صورت میگیرد و هنگامیکه سیال درون پوسته عمود بر دسته لولهها حرکت کند، موجب انتقال حرارت بیشتری میشود. اثرات پارامترهای هندسی مانند تعداد لوله ها، فاصله بین لولهها و … بر میدان جریان و انتقال حرارت توسط محققان زیادی بصورت تجربی و عددی بررسی شده است. درحالت کلی نرخ انتقال حرارت و افت فشار برای جریان روی یک دسته لوله درجریان متقاطع بوسیله رژیم سیال و نوع جریان مشخص میشود، که این هم به نوبه خود به فاصله میان لوله ها و نوع چیدمان آنها وابسته است.

یکی از روشهای بررسی اثر تغییر پارامترها بر عملکرد مبدلها آزمایشات تجربی میباشد. تحقیقات زیادی بر روی نرخ انتقال حرارت و افت فشار در جریان عمودی بر روی لولههایی با سطح صاف صورت گرفته است. یکی از تحقیقات توسط ساموشکا و همکاران [۱] روی یک سری لوله متناوب فشره با قطر خارجی بزرگ انجام گرفته است که در آن از بخار آب در حالت مغشوش استفاده شده است. آنها دریافتند که راندمان دسته لولهها از نقطه نظر انرژی با کاهش فاصله بین لولهها افزایش مییابد. زوکاسکاس [۲] انتقال حرارت و مقاومت هیدرولیکی را برای یک لوله و انواع چیدمان آنها در جریان گاز یا سیالات لزج در اعداد رینولدز بالا و عدد پرانتل بین ۰/۷ تا ۵۰۰ مورد بررسی قرار داده است. انتقال حرارت و افت فشارها برای هر ردیف از دسته لوله مورد مقایسه قرار گرفت و اثرات خصوصیات سیال، جهت شار حرارتی و الگوی جریان (آرام و آشفته) را بر انتقال حرارت مورد مطالعه قرار داد. از دیدگاه راندمان انتقال حرارت برای دامنه وسیعی از اعداد رینولدز، قطر لوله و فاصله عمودی و افقی لوله در یک دسته لوله توسط یولینسکاس و همکاران [۳] مورد بررسی قرار گرفته است. آنها با بررسی اثر نسبت سطح انتقال حرارت به سطح مقطع عمودی فضای دسته لولهها، اثر اندازه قطر لولهها را بر بازده انتقال حرارت به ثبت رساندند. در این تحقیق آنها به این نتیجه رسیدند که در دامنه وسیعی از اعداد رینولدز بیشترین بازده برای انرژی در حالتی که لولههایی با قطر کم به صورت حداکثر فشردگی چیده شده باشند، بدست میآید. مولر [۴] با استفاده اطلاعات زوکاسکاس یک رابطه جایگزین برای اعداد رینولدز پائین ارائه داده است.

با اینکه اطلاعات تجربی بسیار زیادی در این مورد بدست آمده است ولی همچنان نمیتوان نظریه روشنی در مورد فرآیند انتقال حرارت در بین دسته لولهها ارائه داد، چرا که هندسه مساله پیچیده است و پارامترهای بسیار زیادی در این امر دخیل هستند. میزان انتقال حرارت در اطراف سه یا چهار استوانه که با فاصلههای ناچیز در کنار هم چیده شدهاند در یک جریان عمودی هوا توسط آیبا و یامازاکی [۵] اندازهگیری شده است. او همچنین توزیع فشار و فرکانس ورتکس را در پشت لولهها بدست آورد. آنها اعلام کردند که یک عدد رینولدز بحرانی وجود دارد، که در آن انتقال حرارت و جریان در اطراف همه لولههاشدیداً تغییر میکند و اینکه انتقال حرارت در سطح پشتی استوانه اول و سطح جلویی استوانه دوم در ناحیه رینولدز کوچکتر از رینولدز بحرانی کاهش مییابد. تحقیقات تجربی توسط آیبا و همکاران بر روی لولههایی با چیدمان متناوب و خطی که بسیار نزدیک به هم چیده شدهاند انجام گرفته است.[۶] آنها انتقال حرارت در اطراف چهار استوانه که پشت سر هم قرار گرفته بودند را در گامهای مختلف از
۱/۱۵ تا ۳/۴ و در رینولدزهای ۱۰۴ تا ۵× ۱۰۴ بررسی نموده و عدد رینولدز بحرانی که در آن رفتار انتقال حرارت

_______________________

دومین همایش بین المللی مبدل های گرمایی در صنعت نفت و انرژی تهران:۱۹ و ۲۰ آبان www.mobadel.ir 1389

۱

شدیداً تغییر میکند را برای چیدمان خطی بدست آوردند. نیشیکاوا و ایشیگای [۷] برای اولین بار از دیدگاه گردابههای کارمن در میان دسته لولهها و اثرآن بر انتقال حرارت و ضریب اصطکاک به این مساله نگاه کردند. آنها سه الگوی جریان را در میان لولهها در نظر گرفتند و دریافتند که هر کدام از این الگوها مشخصههای ویژهای از مقاومت جریان سیال و انتقال حرارت را در برابر رفتار گردابههای کارمن نشان میدهد. ایگاراشی و سوزوکی [۸]

مشخصههای جریان در حالت سه استوانهای را با جزئیات در چیدمان خطی و اعداد رینولدز زیر بحرانی مورد مطالعه قرار داده و رفتار لایه مرزی و جدایش آنها را از استوانه بررسی کردند.

در این زمینه مطالعات عددی زیادی نیز تاکنون انجام شده است. ایشیهارا و بل [۹] ضریب اصطکاک را با روش تابع جریان – ورتیسیتی برای یک ردیف از لولههای مربعی برای هفت حالت گام برای رینولدزهای کمتر از ۱۰۰ با روش اختلاف محدود بدست آوردند. دوازده امامی و همکاران [۱۰] نیز جریان آرام را حول استوانه در حالت دو بعدی بررسی کردند و از آلگوریتم سیمپل بهره بردند. رینولدز مورد مطالعه آنها ۲۰ میباشد، آنها کانتورهای فشار را در پشت استوانه به نمایش گذاشتند و ضرایب برا و پسا را با تعداد المان شبکه متفاوت بدست آورده و میزان خطا نسبت به مقادیر تجربی را نیز مشخص کردند. امینفر و محمودپور [۱۱] نیز با استفاده از این روش با بررسی چیدمانهای مثلثی و مربعی با نمایش نمودارهایی از عدد بیبعد ناسلت انتقال حرارت را بررسی و مقایسه کردند.
ویراباترا [۱۲] انتقال حرارت و اثر کنترل گردابه را بررسی کرده و نشان داد که با کنترل ورتکس میتوان میزان انتقال حرارت را افزایش داد. پرابهکر و همکاران [۱۳] انتقال حرارت در اثر غیر دایروی بودن لولهها را بررسی کرده و همچنین گردابههای تشکیل شده را به نمایش در آوردند. لی و همکاران [۱۴] نیز جریان آرام عمود بر یک دسته لوله (پنج عدد لوله) را مطالعه نموده و جریان و انتقال جرم را توسط عدد شرود نمایش دادند. آنها محدوده رینولدز
۲ تا۲۰۰ را انتخاب کرده و با گامهای لوله ۲ – ۱/۸۵ -۱/۵ نتایج خود را مقایسه کردند.
با توجه به مطالب فوق، تاکنون تحقیقات زیادی برای اندازهگیری افت فشار و انتقال حرارت روی دسته لولهها انجام شده است، اما کار روی بررسی اثر تغییر لزجت زیاد دیده نمیشود. هدف از تحقیق حاضر مطالعه عددی این موضوع میباشد. با انتخاب روغن بعنوان سیال عامل که لزجت آن به شدت تابع دما است، علاوه بر مطالعه سایر پارامترهای اصلی تاثیر گذار بر نرخ انتقال حرارت و جریان روی لولهها، اثر لزجت متغیر نیز مورد بررسی قرار میگیرد و با حالت لزجت ثابت مقایسه میشود. بدین منظور ابتدا معادلات حاکم بر جریان سیال در دو حالت لزجت ثابت و لزجت متغیر ارائه و مورد بررسی قرار میگیرد، سپس با کمک نرم افزار گمبیت و فلوئنت هندسه و جریان مدلسازی میشود.

-۲ پارامترهای تاثیرگذار بر جریان سیال و انتقال حرارت روی لولهها

قبل از بررسی هر مدلی در مبحث مکانیک سیالات و انتقال حرارت باید پارامترهای تاثیرگذار بر آن و معادلات حاکم مربوطه تعیین گردد. برای یک دسته لوله که جریان سیال از روی آن میگذرد و توام با تغییرات فشار و انتقال حرارت میباشد، پارامترهایی نظیر گام لولهها، قطر و جنس لولهها، چیدمان آنها و … تاثیر مستقیم دارند. در این بخش ابتدا پارامترهای مهم معرفی میشود. بازده مبدلهای حرارتی از دیدگاه انرژی بصورت نسبت انتقال حرارت در یک سطح مشخص به مقدار انرژی مصرف شده برای غلبه بر مقاومت هیدرولیکی سیال تعریف میشود. مقاومت هیدرولیکی یکی از مهمترین مشخصات در طراحی یک مبدل حرارتی است و عموما آنرا با میزان افت فشار سیالی که روی لولهها جریان دارد مشخص میکنند.

_______________________

دومین همایش بین المللی مبدل های گرمایی در صنعت نفت و انرژی تهران:۱۹ و ۲۰ آبان www.mobadel.ir 1389

۱

معمولا ضریب اصطکاک f برای بیان افت فشار و عدد کولبرن Jb برای مقایسه انتقال حرارت بکار برده میشود، این ضرایب بصورت زیر تعریف میشوند:[۱۵]

(۱) P  f
2 1
max ρU N
2
cp .μ
(۲) ۰٫۱۴ W μ −۱ / ۳ h.d
( μ ) ( k ) k Jb 
که در آن P افت فشار جریان و P f  افت فشار بر واحد هر لوله است. U max نیز سرعت در کوچکترین
N

سطح مقطع است. h ضریب انتقال حرارت جابجایی، d قطر لوله، k ضریب هدایت حرارتی، μ لزجت، ρ چگالی، و
cp گرمای ویژه است.

-۳ مدل ریاضی

۱-۳ هندسه و شرایط مرزی
چیدمانی از لولهها همراه با نشان دادن گام لولهها در شکل (۱) آمده است.

شکل: ۱ چیدمان دسته لوله

با جدا کردن یک ردیف از لوله ها میدان حل بصورت شکل (۲) خواهد بود.

شکل: ۲ یک ردیف لولهها بعنوان میدان حل

طول ورودی از شروع مرز تا رسیدن به لوله اول ۶/۵ D و از لوله آخر تا خروجی برابر ۲۰D میباشد تا از یکدست شدن جریان و عدم تاثیر آن بر انتقال حرارت و جریان در نواحی لولهها اطمینان حاصل گردد. گام لوله ها

۲×۲ و ارتفاع ۲D برای کل میدان در نظر گرفته شده است.

بدلیل بزرگ بودن میدان حل انتخاب شده و زیاد شدن تعداد سلولها که باعث افزایش زمان حل میگردد، با توجه به وجود تقارن لولهها در نیمه بالایی و پایین شکل، حل برای شکل ۳ انجام میشود. در این حالت ارتفاع میدان حل برابر قطر لولهها میگردد و تعداد سلولهای شبکه نصف میشود.

شکل:۳ میدان حل در نرم افزار فلوئنت

_______________________

دومین همایش بین المللی مبدل های گرمایی در صنعت نفت و انرژی تهران:۱۹ و ۲۰ آبان www.mobadel.ir 1389

۱

سیال ورودی روغن با دماهای ۳۵۰ و ۳۰۰ کلوین در حالتهای لزجت ثابت و لزجت متغیر میباشد و سرعت ورودی طوری تنظیم میگردد که جریان آرام در میدان حل رخ دهد. درون لولهها بخار آب در حالت اشباع با فشار ۱۵psi جریان دارد، برای اعمال آن دمای سطح لولهها ۳۷۳ کلوین فرض میشود. سرعت ورودی در راستای محوری و همچنین فشار ورودی صفر در نظر گرفته میشود.

-۲-۳ معادلات حاکم و شرایط مرزی

معادلات حاکم شامل معادله پیوستگی، معادلات مومنتوم و معادله انرژی برای جریان دوبعدی دائم و تراکم ناپذیر میباشند. با استفاده از متغیرهای بی بعد زیر میتوان معادلات را بیبعد نمود:

(۳) μ * T −Tin P * Y * X * V * U *
 , μ , θ   , P  , Y  , X  , V  U
in μ T −T 2 ρU D D 0 U 0 U
Win 0
که در آن، TW دمای دیواره لوله ها، T بیانگر دما، υ لزجت دینامیکی سیال، و Tin دمای جریان ورودی است.
معادلات بیبعد با فرض خواص ثابت عبارتند از:
(۴) ۰ ∂V *  ∂U *
∂Y * ∂X *
*
2 * 2 * ∂P * * ∂U
(5) ∂ U  ∂ U 1  − ∂U V* U *
2 ∂Y * 2 ∂X * * ∂X * *
(6) 2  ۲ Re ∂Y V* ∂X
∂ V ∂ V 1 ∂P*  − ∂V * ∂V * U *
* 2 * 2 * * *

∂Y * ∂X * Re ∂Y ∂Y ∂X
2 2 ∂ ۱ ∂θ ∂θ
(۷) ∂ θ  θ  V* U *
2 2
∂Y Re Pr ∂X ∂Y ∂X
که در آن، Re عدد رینولدز ( ( Re  U 0υD و Pr عدد پرانتل ( ( Pr  υα میباشند. α ضریب پخش حرارتی میباشد.

در حالتی که لزجت متغیر باشد، معادلات پیوستگی و انرژی (۴) و (۷) برای این حالت نیز صادق است اما معادلات ممنتوم به شکل زیر خواهدبود:

(۸)

(۹)

∂μ* . ∂U * 2
∂X * Re ∂X *

∂μ* . ∂V * 2
∂Y * Re ∂Y *

+ ∂V*∂X *

+ ∂V*∂X *

* ∂U

* ∂Y

* ∂U

* ∂Y

۱ ∂μ*  ∂۲U *  μ* ∂۲U *  ∂P* − ∂U * V* ∂U * U *
* 2 2 *
Re ∂Y ∂Y * ∂X * ∂Y * ∂X
Re ∂X *
1 ∂μ*  ∂۲V *  μ* ∂۲V *  ∂P* − ∂V * V* ∂V * U *
* 2 2 *
Re ∂X ∂Y * ∂Y * ∂Y * ∂X
Re ∂X *

برای حل معادلات فوق شرایط مرزی مناسب باید درنظر گرفته شود. در مسئله حاضر شرایط ورودی با سرعت معلوم، خواص سیال معلوم و دما معلوم است و بالا و پایین دامنه حل دارای تقارن است (چون ردیف لولهها تکرار میشود) و در خروجی، شرط جریان خروجی در نظر گرفته میشود. البته دامنه حل بگونهای انتخاب شده است که در خروجی سرعت در راستای y صفر باشد و سرعت و دما توسعه یافته شوند و در ورودی نیز فاصله مناسب در نظر گرفته شده است. دمای روی سطح لوله ها نیز معلوم است و سرعت صفر میباشد.

_______________________

دومین همایش بین المللی مبدل های گرمایی در صنعت نفت و انرژی تهران:۱۹ و ۲۰ آبان www.mobadel.ir 1389

۱

-۴ روش عددی

معادلات حاکم، معادلات غیرخطی کوپل میباشند که با توجه به شرایط مرزی باید حل شوند. حل این معادلات با استفاده از نرم افزار فلوئنت به روش حجم کنترل انجام شده است. برای انفصال معادلات از تقریب مرتبه دو و برای برقراری ارتباط میدان فشار و سرعت از الگوریتم سیمپلر((SIMPLER استفاده شده است. برای حل معادلات از روش دو دقته (۲ddp) بهره گرفته شده است. همچنین بدلیل گرادیان شدید در اطراف لولهها، از یک مش بندی لایه مرزی نزدیک لولهها استفاده شده است. یک نمونه از شبکه بندی انجام شده در شکل ۴ نشان داده شده است. شبکه بندی لایه مرزی جهت افزایش دقت حل و در نتیجه کاهش زمان لازم برای رسیدن به دقت مورد نظر میباشد.

شکل:۴ شبکه بندی بهمراه اعمال شرایط کنترل شده لایه مرزی اطراف لوله ها

-۵ اعتبار روش بکار گرفته شده جهت شبیه سازی عددی

برای اطمینان از صحت فرضیات اعمال شده و شرایط مرزی و روشهای بکار گرفته شده برای شبیهسازی باید آنها را برای مسائلی که حل تحلیلی یا عددی آنها از قبل مشخص است بکار برده و نتایج را مقایسه کرد. برای این منظور فرآیند و روش حلی که در قسمت قبل بیان شد را برای مسئله حاضر بکار برده و سیال عبوری از روی لوله ها هوا فرض شده است. پس از اینکه اعتبار روش حل و فرضها تایید گردید و دقت و پایداری روش عددی اعمال شده مورد پذیرش واقع شد، در ادامه حل برای سیال روغن با حالتهای لزجت ثابت و لزجت متغیر تکرار میشود.
برای اعداد رینولدز مختلف مقادیر jb و f بدست آمده با مقادیر محاسبه شده از طریق تجربی در شکلهای ۵ و ۶ مقایسه شدهاند، مقادیر f با نتایج چانگ[۱۵] و مقادیر jb با نتایج زوکاسکاس [۲] مطابقت مناسبی دارند.

همچنین برای مقایسه دمای خروجی هوا از روی دسته لولهها، دمای خروجی حاصل از روابط ارائه شده در مرجع[۱۶] با دمای خروجی حاصل از شبیهسازی شکل ۷ مقایسه شده است. هرچند با افزایش رینولدز نرخ انتقال حرارت افزایش مییابد، اما همانطورکه در شکل پیداست دمای خروجی هوا کم میشود و هنگامی که سرعت به سمت بینهایت میل کند دمای خروجی به سمت دمای ورودی میل میکند.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 5700 تومان در 22 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد