بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي يک مبدل حرارتي مجهز به لوله حرارتي جهت بازيافت حرارت اتلافي و تهويه مطبوع ساختمان
چکيده
پژوهشهاي مختلفي در زمينه تئوري، طراحي و ساخت لوله حرارتي، مخصوصاً استفاده از آنها در مبدلهاي لوله حرارتي براي بازيابي گرما، تهويه مطبوع و حفاظت از محيط انجام شده است . پارامترهاي طراحي بهينه براي مبدل حرارتي لوله حرارتي (HPHE) از يک ساختمان 500 متر مربع با شرايط ، متوسط حداکثر دماي 40 درجه سانتيگراد در تابستان و متوسط حداقل دماي 10 درجه سانتيگراد در زمستان مي باشد. ميزان جريان حجمي مورد نياز در تابستان cfm 8000 معادل در دماي اتاق 25c و در زمستان باجريان حجمي 8500cfm معادل دردماي اتاق 23c برآورد شده است . هواي تازه خروجي و ورودي 25درصد ميزان جريان حجمي مورد نياز که براي تابستان cfm 2000 معادل و براي زمستان cfm 2125 معادل و ميزان گرماي اتلافي در هر شرايط از 15 تا 60 درجه سانتيگراد فرض شده است . هدف اين پژوهش ؛ طراحي مبدل حرارتي لوله حرارتي با کارايي بيشتر با آنچه در گذشته آزمايش گرديده ،تغيير سيال کاري،مقايسه با متانول واستون و پارامترهاي محدوديت حرارتي در دو لوله حرارتي مورد نظر در شرايط يکسان و محاسبه حرارت انتقالي با تغييرات انجام شده با در نظر گرفتن ميانگين دما، مي باشد. نتايج نشان مي دهد اتانول با داشتن بازه حرارتي بزرگتر نسبت به متانول داراي انتقال حرارت مناسب تر مي باشد.
کلمات کليدي: مبدل حرارتي، لوله حرارتي، بازيابي گرما، تهويه مطبوع ، محدوديت حرارتي
مقدمه
مبدلهاي ساخته شده از لوله هاي حرارتي يکي از مناسبترين ابزار براي بازيابي گرما اتلافي مي باشد.مزيت استفاده از لوله حرارتي به روش متعارف اين است که حجم زيادي از گرما را مي توان از طريق يک سطح مقطع عرضي کوچک در يک مسافت قابل توجه ( بدون وارد شدن انرژي اضافي به سيستم ) انتقال داد. علاوه بر اين ، سادگي طراحي و توليد ، کم نشدن پيوسته دما و افت دما، محدودة قابل استفادة دمايي بسيار وسيع (300-4 درجه کلوين ) و توانايي کنترل و انتقال ميزان بالاي گرما در سطوح دمايي متفاوت از ويژگيهاي منحصربفرد لوله هاي حرارتي مي باشد. از سال 1964(که لوله هاي حرارتي متداول گرديدند) تاکنون از آنها استفاده هاي متفاوتي شده است . برخي از موارد استفادة مهم از لوله هاي حرارتي به اين شرح مي باشد: درحوزة خنک سازي فضاپيما،خنک سازي تجهيزات الکترونيکي و به عنوان مبدلهاي حرارتي براي بازيابي گرماي اتلافي و تهويه مطبوع در محيطهاي مختلف .استفاده از مبدلهاي حرارتي لوله حرارتي در وهلۀ اول باعث کاهش در مصرف انرژي و به دنبال آن کاهش توليد دي اکسيد کربن مي شود. توليد تجاري مبدل حرارتي لوله حرارتي در ميانه سال 1970آغاز گرديد. از آن زمان به بعد ، از آنها در صنايع بسياري استفاده شد[12] . مي توان موارد مصرف آنها را به سه طبقۀ اصلي تقسيم کرد: اولاٌ؛ بازيابي گرما در دستگاههاي تهويه هوا. ثانياٌ؛ بازيابي گرما از فرآيند جريانهاي خروجي گاز يا بخار جهت گرم کردن هوا. ثالثاٌ؛ بازيابي گرما از فرآيند جريانهاي خروجي گاز جهت استفاده هاي مجدد.
مدلسازي
شبيه سازي يک واحد لوله حرارتي
عملکرد لوله حرارتي را همانطور که در شکل ١ مشاهده مي کنيد با استفاده از ژئومتري سيلندري مي توان به راحتي آن را درک نمود. مؤلفه هاي لوله حرارتي شامل محفظۀ ايزوله شده (ديواره لوله و درپوش انتهايي)، يک ساختار فتيله اي و اندکي سيال کاري که به صورت مايع مي باشد ؛ بوده که در تعادل با بخار مي باشد. طول لوله حرارتي به صورت سه بخش که شامل تبخيرکننده ١ ، عايق ٢ وکندانسور مي باشد.درانتخاب ترکيب مناسب از سه مؤلفۀ اصلي ، به ناچار فاکتورهاي متضاد ممکن است به وجود آيد که اصول اساسي انتخاب در مرجع [٣] مورد بحث قرار گرفته است . براي طراحي يک لولۀ حرارتي تمامي فرمولها و معادلات مرتبط به صورت عددي و تحليلي و با شبيه سازي حل گرديده و انتخاب فتيله و متريال ديواره بر اساس ضوابط ارائه شده مي باشد[٣]. با مراجعه به هدف تحقيق ، لولۀ مسي با قطرخارجي ١٦ ميليمتر، قطرداخلي ١٠ميليمتر و طول ٧٠٠ ميليمتر انتخاب شد. نوع فتيله ، فولاد ضدزنگ ١٠٠شبکه اي و سه نوع سيال کاري مانند متانول ، اتانول و استون مطابق با مرجع [٣] ، درمحدوده دمايي کار (١٥ تا٦٠ درجه سانتيگراد) مقايسه شد. در ادامه از طريق طراحي يک لوله حرارتي، طراحي خاص مبدل ، تعداد لايه فتيله ،حجم و فشار، شکل قابليت ٣ (عدد مريت ) ، فاکتور پيش اندودي ٤ (مرطوب سازي) و محدوديتهاي انتقال گرماي سيال کاري بررسي شد[١٢].
شکل ١ : شماتيک يک لوله حرارتي متعارف که نشاندهندة اصول عملکرد و گردش سيال کار مي باشد[٦].
سيستم تهويۀ هوا و بازيافت گرمايي
شکل ٢ نشان دهنده شماتيک يک سيستم تهويه و بازيافت گرما مي باشد که در آن يک HPHE در مسير هواي ورودي و خروجي و مجراي جريان بازگشت هوا وجود دارد . براي داشتن هوايي با کيفيت مطلوب و مورد نظر ، بخشي از هواي بازگشتي با هواي تازة ورودي مخلوط شده و وارد واحد تغييرات هوا٥ (AHU) مي شوند. HPHE گرماي هواي خروجي اتلافي محيط را بازيابي کرده و آن را براي خنک سازي هواي ورودي تازه به شيوه گرم سازي و پيش گرمکني هواي ورودي تازه انتقال مي دهد و در عين حال انرژي هواي خنک خروجي را بازيابي کرده و هواي تازه و گرم ورودي به شيوة خنک سازي، پيش سرد مي کند . اين کار باعث کاهش بارگرمايي و سرمايي AHU ، در مقايسه با سيستمهايي که در آنها تنها HPHE نصب شده است ،
مي شود .
شکل ٢- شماتيک سيستم تهويه که درآن HPHE نصب شده .[١١].
انتخاب سيال کاري
براي انتخاب سيال کاري مناسب براي لوله حرارتي مورد نظر سه سيال استون و متانول و اتانول را در محدوده دمايي کار (١٥ تا٦٠ درجه سانتيگراد) مقايسه گرديد.در ادامه از طريق شبيه سازي نموداري يک لوله حرارتي، شکل قابليت (عدد مريت ) ، فاکتور پيش اندود (رطوبت سازي) و محدوديتهاي انتقال گرماي سيال کاري بررسي شد. ارزيابي شکل قابليت (عدد مريت ) بر محدودة دمايي بخار، امکان مقايسۀ عملکرد سه مايع کار را ميسر مي سازد، شکل قابليت يا همان عدد مريت به صورت رابطه (١) تعيين مي گردد[١٢] .
نتايج و مقايسه نشان داده شده در نمودار ١، ارائه کنندة نزديکي اتانول و متانول نسبت به استون به علت نوسانات کمتر مي باشد. عامل ديگر در انتخاب سيال ، توانايي پيش اندودي مي باشد که مقايسه توانايي سيالها را مي توان با رابطه بدست آورده سپس آنها را در برابر دماي بخار مقايسه نمود(نمودار٢). اتانول و متانول داراي ميزان قابليت و محدوديت موئينگي بالاتري مي باشند و با توجه به استون در محدوده دمايي ١٥-٦٠ درجه سانتيگراد داراي دماي گرم شدن قابل قبولي مي باشند اما نقطه جوش اتانول و بازه دمايي آن از صفر تا بوده که نسبت به متانول شرايط مناسبتري دارد[٣].
نمودار ١ : شکل قابليت (عدد مريت ) در سيالهاي کاري انتخابي
نمودار ٢ : فاکتور پيش اندود (قابليت مرطوب سازي) براي سيالهاي کاري انتخابي
عملکرد لولۀ حرارتي
درکل چندين محدوديت براي حداکثر ميزان گرما در لولۀ حرارتي وجود دارد که مي توان آن را به دو طبقه اصلي تقسيم کرد: محدوديتهايي که در نتيجۀ عدم کارکرد مناسب يا خرابي لولۀ حرارتي هستند و محدوديتهايي که به اين دليل نمي باشند.
براي محدوديتهايي مثل عدم کارکرد مناسب لولۀ حرارتي مثل محدوديتهاي موئينگي ٦ ، روندفرآيند٧ و جوشش ، ميزان جريان مايع ناکافي در تبخيرکننده براي مقدار معيني گرماي ورودي جذب شده وجود دارد ،که باعث خشک شدن ساختار فتيله تبخيرکننده مي شود با اين حال ، در محدوديتهايي که به دليل عدم کارکرد مناسب لولۀ حرارتي نيستند ( مثل محدوديتهاي ويسکوز و صوتي ) ،لولۀ حرارتي، تفاوت فشار خالص موئينگي که در ساختار فتيله ايجاد مي شود بايد بزرگتر از مجموع تمامي
اتلاف هايي باشد، که در مسيرهاي جريان بخار و مايع رخ مي دهند. که به آن محدوديت موئينگي مي گويند ، به
صورت رابطه ٢ بيان مي شود[٦] :
که در رابطه حداکثر، تفاوت فشار موئينگي است که در ساختار فتيله ايجاد شده و از روي معادلۀ ٣ برآورد مي شود
:
که در اينجا σ کشش سطحي مايع (سيال کار) و شعاع موئينگي ساختار فتيله اي براي فتيلۀ مشبک و تعداد شبکه ها مي باشد مجموع افت فشار در فاز مايع و به صورت رابطه ٣ است .
که در اين معادله چگالي و ويسکوزيتۀ سيال کار در فاز مايع ، سطح مقطع فتيله ،
نفوذپذيري فتيله براي فتيلۀ مشبک يا لفاف دار است که در آن قطر سيم
تخلخل فتيله است که به صورت براي فتيله هاي مشبک تعيين مي شود حداکثر انتقال گرماي مرکزي در لولۀ حرارتي (به دليل محدوديت موئينگي) مي باشد مجموع افت فشار در فاز
بخار بوده و از رابطه ٥ بدست مي آيد[٦] :
که در اين معادله گرماي نهفتۀ تبخير در مايع کار، به ترتيب سطح مقطع جريان بخار و شعاع مي باشند .
چگالي و ويسکوزيتۀ جريان بخار هستند، پارامترهاي تعيين شده با استفاده از اعداد ماخ و رينولدز در جريان بخار مي باشند از رابطه ٦ بدست مي آيد ؛
طول مناسب لولۀ حرارتي و طولهاي تبخيرکننده وکندانسور و طول بخش عايق مي باشد افت فشار هيدرواستاتيکي به دليل وجود گرانش مي باشد از رابطه ٧ بدست مي آيد[٦] :
که در اين معادله طول لولۀ حرارتي ، G شتاب گرانشي زاويۀ شيب لولۀ حرارتي ايجاد شده با محور افقي مي باشد . با مقايسۀ هر اصطلاح افت فشار در معادله ٧ ، ظرفيت انتقال بخار لولۀ حررتي را مي توان براي سيالهاي کار و ساختارهاي فتيله اي متفاوت برآورد کرد در شارهاي حرارتي بالاتر، جوشش هسته دار و قوي ممکن است در ساختار فتيله رخ دهد و باعث به دام افتادن بخار در فتيله و بلوک شدن بازگشت مايع و در نتيجه خشک شدن تبخير کننده شود اين پديده همانطورکه اشاره
شد به آن محدوديت جوشش مي گويند مي توان به صورت رابطه ٨ تخمين زد[٦] :
که در آن دماي بخار ، رسانايي حرارتي موثر براي فتيله اشباع شده شعاع ناحيۀ هسته اي جوش است که در مطالعۀ موردي ما برابر با فرض شد .
براي اينکه جوشش در فتيله منجر به بلوکه شدن ذخيره سيال در تمامي بخشهاي تبخيرکننده (توسط بخار) نشود بايد سيال کاري با درجۀ بالايي از گرم شدن براي کاهش احتمالي هسته زدايي در نظر گرفت . درجه مافوق گرم شدن براي ايجاد هسته زدايي به صورت رابطه ٩ تعيين مي گردد[١٢].
در اين محاسبه ميزان که ضخامت لايه حرارتي مي باشد برابر با ٠.١٥ ميليمتر گرفته شده است . اين برابر با ضخامت يک لايه شبکه مي باشد. ميزان دماي مافوق گرم شدن در برابر دماي عملياتي در نمودار ٣ براي سه سيال کار ارائه شده است [١٢]. بررسي شرايط اصلي جريان در لولۀ حرارتي نشان مي دهد که مايع و بخار در مسيرهاي متضادي جريان مي يابند .
