بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی افزایش راندمان مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله با ایجاد اغتشاش
در سیال داخل لوله ها
چکیده
در این مقاله سعی بر بررسی روشی جهت افزایش راندمان مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله شده است. در این روش با استفاده از ایجاد اغتشاش در سیال داخل لوله توسط حداقل یک عدد اوریفیس به جهش ضریب انتقال حرارت جابجایی دیواره و به تبع آن افزایش مقدار انتقال حرارت گردیده است . شایان ذکر است که در حین این بررسی ، هدف افزایش راندمان در حالت بهینه نسبت به افت فشار ایجاد شده می باشد . جهت ایجاد حالت واقعی در بررسی شرایط ،دیواره ي لوله ها نه در حالت شار ثابت و نه در حالت دما ثابت ، بلکه در حالت دیواره با دماي متغییردر نظر گرفته شده است.
واژههاي کلیدي: مبدل حرارتی ،رینلدز ،ناسلت ،ضریب انتقال حرارت جابجایی، اوریفیس.
مقدمه -1
همانطور که میدانید امروزه مبدلهاي حرارتی یکی از پرمصرفترین تجهیزات تاسیسـاتی – پالایشـگاهی و نیروگـاهی هسـتند. لـذا ارائهي روشهایی براي افزایش ظرفیت آنها که باعث کاهش در مصرف انرژي میشوند، تاثیر به سزایی در مصرف انـرژي و ... خواهـد داشـت.
هدف از انجام این پروژه بررسی روشی جهت افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی و بواسطهي آن افزایش میزان انتقال حرارت در مبدل-
هاي حرارتی پوسته و لوله میباشد. این بررسی توسط شبیه سازي ایجاد اغتشاش در یک لوله از لولههاي مبدلهاي حرارتـی بـا اسـتفاده از یک یا چند اوریفیس با استفاده از نرم افزار Ansys CFX صورت پذیرفته است. آنچه در نهایت مد نظر است، بدسـت آوردن حالـت بهینـه استفاده از اوریفیسها از نظر تعداد و شکل هندسی و محل قرارگیري بوده و جهت بررسی دقیق این موضوع، شبیه سازي در شرایط واقعی از نظر فیزیکی که شرح آن در ادامه ارائه گردیده است، لحاظ شده است.
-2طرح مسئله و اعمال شرایط مرزي
در این شبیه سازي یک لوله از لولههاي مبدل پوسته و لوله مد نظر قرار گرفته و با استفاده از اوریفیس اغتشاش مورد نیاز ایجاد گشته است. آنچه در کل یک مبدل نیاز است، ایجاد این آشوب در تک تک لوله ها بوده که مبدل هاي معمولی را به شکلی مانند شکل زیر تبدیل می کند.
شکل -1 نماي کلی از مبدل مورد نظر
همانطور که در شکل نشان داده شده است جهت ایجاد این آشوب در کل لولهها از یک صفحه اضافی در وسط مبدل استفاده گردیده است. البته محل قرار گیري این صفحه جهت ایجاد حالت بهینه ممکن است بواسطه طول توسعه یافتگی در مبدلهاي گوناگون، تغییر کند.
جهت بررسی و مقایسه چندین حالت مختلف قرار گیري اوریفیس با نسبت سطح مقطعهاي مختلف طراحی و محاسبه گردیده است، که شرح آن در جدول ذیل ارائه شد.
جدول -1 شرح هندسهي لولههاي مورد بررسی
شایان ذکر است که جهت ایجاد شرایط واقعی و بررسی در حالات گوناگون کلیه شبیه سازيها در دو حالت با اعمال تغییر دردمـاي دیواره بصورت خطی انجام گردیده است. دلیل استفاده از حالت خطی در تغییرات دماي دیواره سادهسـازي در شـبیهسـازي و شـباهت بـه نسبت زیاد در تغییرات دما در مبدل نمونه مورد شبیهسازي میباشد.
همچنین با توجه به اینکه با تغییر سایز مبدل، لولهها در مبدلها و به تبع آن تغییر سرعت جریـان آب در لولـههـا محاسـبات در دو عدد رینولدز 500 و 2000 که به ترتیب حد بالا و پایین جریان آرام نسبت به دو حالت جریان خزشی و جریان آشفته مـی باشـد، صـورت پذیرفته است.
آنچه در اعمال تغییرات در مورد لوله ساده در دوحالت دماي دیواره ثابت و دماي دیواره متغییر مشاهده شد، تغییـر در رفتـار نزولـی ضریب انتقال حرارت جابجایی بود، که با افزایش عدد رینولدز افت این ضریب با تاخیر انجام پذیرفته است.
در حالت قرارگیري اوریفیس نیز محل اوریفیس در وسط لوله در نظر گرفته شده است، چراکه در محدوده دمایی مورد نظر که براي دیواره 344درجه کلوین الی 353درجه کلوین در نظر گرفته شده است، طول لوله بسیار کوتاهتر از طول توسعه یافتگی سرعت و حرارت می باشد. بطوریکه مطابق با جدول زیر در دماهاي مختلف طول توسعهیافتگی به شرح ذیل می باشد. [2],[1]
جدول -2طول توسعه یافتگی در شرایط مختلف دمایی
شایان ذکر است که براي اعمال تاثیر اختلاف دما در ویسکوزیتهاي که در محاسبات درج گردیده است از رابطه
جهت محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی نیز با استفاده از رابطه هایزن که بصورت
ارائه گردیده است، ابتدا به محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی متوسط و در نهایت به محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی موضعی پرداخته شده است.[4] البته مقادیر درج گردیده در عدد رینلدز نیز جهت ایجاد دقت بیشتر به صورت موضعی بر حسب مقدار سرعت میانگین محاسبه و اعمالذ گردیده است.
-3 نحوه محاسبه
نحوه انجام محاسبات بدین صورت میباشد که پس طرح مسئله و اعمال شرایط مرزي در نرم افزار Ansys از خروجی هاي سرعت و دما استفاده می کنیم. بدین صورت که با محاسبه دقیق عدد رینلدز واعمال تغییرات دما در تغییرات ویسکوزیته و مقدار ضریب انتقال حرارت هدایت، که موجب تغییر در عدد ناسلت و پرانتل می شود، به محاسبه مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی پرداخته می شود.
آنچه در انجام محاسبات باید مورد توجه قرار گیرد، مقدار افت فشار ایجاد شده در لوله بواسطه وجود اوریفیس میباشد، که مقدار آن در جدول ذیل ارائه گردیده است.
جدول-3 افت فشار ناشی از قرارگیري اوریفیس بر حسب Pa
با توجه با اینکه بشترین توان مورد نیاز جهت تامین افت فشار ایجاد شده، مقدار ناچیزي میباشد، لذا قرار دادن اوریفیسها تاثیر زیادي بر روي افت فشار کل در لولههاي مبدل نداشته ومی توان از آن صرفنظر کرد.
-4نتیجه گیري
آنچه در این شبیهسازي حاصل شد، افزایش 6.5درصدي ضریب انتقال حرارت جابجایی (به طور میانگین) در اعداد رینلدز بالا وافزایش 4.55 درصدي (به طور میانگین )بوده که در اعدادرینلدزپایین میباشد. بدیهی است که با در نظر گرفتن اینکه در هرمبدل پوسته و لوله دها لوله وجود دارد، درصورت ایجاد این اغتشاش به افزایش ظرفیت مبدلها به مقدار قابل توجهی، دست پیدا خواهد شد.
