بخشی از مقاله
بهبود ضریب انتقال حرارت داخل لوله هاي مبدل حرارتی گاز- مایع واحد تنظیم نقطه
چکیده
در مبدلهاي حرارتی افزایش ضریب انتقال حرارت باعث کاهش حجم و هزینههاي مبدل میشود. یکی از راههاي افزایش ضریب انتقال حرارت، تحریک لایه مرزي است. بدین صورت که با استفاده از موانعی، جریان را دچار آشفتگی و چرخش کرده که باعث ایجـاد تغییـر در پروفیل سرعت و افزایش ضریب انتقال حرارت میشود. براي انجام آزمایش، ابتدا شرایط عملکردي مبدل حرارتی E-403 با استفاده از شبیه سازي رایانهاي مشخص گردید. سپس یک مبدل دولوله طراحی و ساخته شد که در سمت پوسته آب به عنوان سیال گرم و در سمت لوله هوا به عنوان سیال سرد قرار دارد. در سمت لوله موانع مختلفی جاگذاري شده و اثر آن بر میزان انتقال حرارت بررسی شـد.
موانع آزمایش شده شامل دیسک، حلقه و مخروط میباشد. براي تحلیل و تفسیر نتایج آزمایشگاهی از شبیه سازي عددي به کمک نرم افزار Fluent استفاده شد. نتایج نشان میدهد که مانع مخروطی نقش بهتري در انتقال حرارت ایفا میکند. همچنین افت فشار کمتري نسبت به سایر موانع دارد. همچنین با جابجا کردن ناحیه تحریک در طول لوله، نتایج نشان میدهـد کـه تحریـک در اول لولـه مـوثرتر است.
واژگان کلیدي: مبدل حرارتی، ضریب انتقال حرارت، تحریک لایه مرزي، لایه مرزي درهم، گردابه
مقدمه
نیاز رو به رشد مهندسین در کنترل فرآیندها، از جمله کنترل ضریب انتقال حرارت، زمینه جدیدي در تحقیقات لایه مرزي ایجاد کرده است. در این زمینه اولین مباحث مربوط به فرآیند شکل گیري و توسعه امواج تولمین- شلشتینگ و بـالاخره کنتـرل طـول لایـه مرزي گذرا بوده است.[1] امروزه چگونگی امکان دخالت در ساختار لایه مرزي درهم و روش هاي تحریک آن بمنظـور کنتـرل ضـریب انتقال حرارت و ضریب اصطکاك مورد توجه است. در لایه هاي گذرا تاثیر گذاري بر امواج تـولمین-شلشـتینگ و در لایـه هـاي درهـم تاثیرگذاري بر نمایه سرعت و از این طریق بر تنش برشی، از موضوعات مورد توجه بشمار می آیند. بطور کلـی هـر محقـق بـا انتخـاب روش خود می خواهد عوامل پایه در شکل دهی لایه مرزي را به میل خود تحت تاثیر قرار دهد و از این طریق ضریب انتقال حرارت (یـا اصطکاك) را کنترل نماید. فرانسون[2]، با استفاده از مکش از لایه مرزي نمایه سرعت را کنترل نمود و بـا ایـن روش تـنش برشـی بـر سطح را کاهش داد. بهرامی و همکاران[3]، اثر زبري سطح در همزنی لایه مرزي بر افزایش شدت توربولنس در کنار دیواره ها را بررسی نمودند. نتایج نشان می دهد که ضریب اصطکاك و انتقال حرارت با تاثیر گذاري زبري افزایش می یابند. خلکی و همکاران[4]، بـر روي صفحه تخت یک مولد گردابه قرار دادند و با استفاده از روش عددي و مدلهاي توربولنسی، گردابه هاي تولید شده و اثر آنها بـر تحریـک لایه مرزي و افزایش ضریب انتقال حرارت را بررسی نمودند. نتایج نشان می دهد که میزان انتقال حرارت تا %25 افزایش داشـته اسـت.
فرهبد و کهرم[5]، با وارد کردن یک مقطع مستطیلی به داخل لایه مرزي درهم و با نزدیک کردن تـدریجی آن بـه دیـواره، یـک لایـه مرزي درهم را تحریک نمودند. نتایج نشان داد که روي قسمت تحریک شده، متوسط ضریب انتقال حرارت به بیش از %60 در مقایسـه با صفحه تخت در شرایط مشابه ولی بدون تحریک، افزایش انتقال حرارت دارد. همچنین قبادي و کهرم6]و[7 نیز به بررسی اثـر پدیـده تحریک لایه مرزي در افزایش راندمان توربین هاي گازي پرداخته اند. آنها در این تحقیق با شبیه سـازي سـه بعـدي همزمـان جریـان مسیر خنک کاري داخلی پره توربین گاز همراه با موانع به اشکال مختلف و جریان داغ اطراف پره، تـاثیر ایجـاد مـانع در مسـیر خنـک کاري بر میزان ضریب انتقال حرارت میانگین از سطح پره را بررسی نموده اند
این مقاله، اثروِیک و تاثیر آن بر تحریک لایه مرزي درون لوله یک مبدل سرمایشی را به روش آزمایشگاهی، ارزیابی می کند. ایجاد توربولانسی و چرخش در جریان داخل لوله باعث افزایش ضریب انتقال حرارت می شود. براي بررسی این موضوع یک مبدل دولوله طراحی شده و اثر موانع مختلف بر انتقال حرارت بررسی می شود. همچنین براي توضیح و تفسیر نتایج و نیز براي صحت سنجی نتایج آزمایشگاهی، از شبیه سازي عددي استفاده شده است.
شرح دستگاه آزمایش
شماتیک دستگاه آزمایش در شکل (1) مشاهده می شود. مبدل طراحی شده شامل هوا در سـمت لولـه و آب در سـمت پوسـته اسـت.
هواي محیط وارد مبدل شده و پس از انتقال حرارت با آب گرم و افزایش دما، از مبدل خارج شـده و وارد محـیط مـی شـود. بـراي بـه جریان در آوردن هوا داخل لوله، از یک کمپرسور سانتریفیوژ استفاده شده است. هوا به صورت مکشی وارد مبدل شده تا اغتشاشات فن تاثیري بر نتایج آزمایش نداشته باشد. براي گرمایش هوا از آب گرم استفاده می شود. آب گرم مورد نیاز توسط یک هیتـر برقـی 2KW
تولید میشود. آب خروجی هیتر که توسط کنترلر در دماي 60°C ثابت نگه داشته می شود، وارد پوسته مبـدل شـده و در ارتبـاط بـا هوا، مقداري حرارت از دست می دهد. سپس توسط یک پمپ سیرکولاسیون به هیتر منتقل شده تا مقدار انـرژي مصـرفی در مبـدل را بازیابی کند. مبدل دولوله شامل یک لوله داخلی و یک لوله با قطر بیشتر به عنوان پوسته می شود که مشخصات آن هـا در جـدول (1)
آمده است. در شکل((2 دستگاه آزمایش مشاهده می شود.
شکل :1 شماتیک سیکل طراحی شده براي آب و هوا
شکل:2 دستگاه آزمایش
لازم به ذکر است که براي بدست آوردن شرایط عملکرد نمونه ي آزمایشگاهی، نیاز به شرایط عملکرد مبدل اصلی است می باشد. مبدل E-403 یک مبدل حرارتی پوسته- لوله ازنوع kettle می باشد که مشخصات هندسی آن در جدول شماره((1 آمده است.
با استفاده از شبیه سازي رایانه اي و توسط نرم افزار Aspen HTFS+ بر اساس داده هاي فرآیندي مبدل E-403 ، پارامترهاي مبدل اصلی تعیین گردید. جدول((2 نشان دهنده نتایج شبیه سازي مبدل اصلی می باشد.
با مشخص شدن نتایج شبیه سازي مبدل اصلی، هندسه ي مبدل نمونه براي دو سیکل سرمایشی و گرمایشی تعیین گردید. جدول شماره (3) مشخصات هندسی مبدل آزمایشگاهی براي سیکل گرمایشی را نشان می دهد.
روش انجام آزمایش به این صورت است: با قرار دادن مانع در داخل لوله مبدل در سرعتهاي مختلف جریان هوا، اختلاف دماهاي ورودي و خروجی هوا(که معادل میزان انتقال حرارت انجام شده در مبدل است) اندازه گیري شده و با حالت بدون مانع مقایسه می شود. با توجه به ثابت بودن شرایط سمت پوسته، افزایش انتقال حرارت که اثر تحریک لایه مرزي بوده قابل اندازه گیري می باشد.
در این آزمایش، دماي هواي ورودي و خروجی از مبدل براي محدودهي سرعت هوا از 1 تا 13 متر بر ثانیه در حالت بدون مانع و با مانع اندازهگیري شده است. موانع با اشکال هندسی: حلقه، دیسک و مخروط در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفتند. در شکل هاي
3 تا 6 موانع استفاده شده دیده می شوند. در تمامی موانع طول ناحیه تحریک لایه مرزي برابر 50 cm در نظر گرفته شده است، بدین صورت که 6 مانع به فاصله ي 10 سانتیمتري از هم قرار گرفته اند. ناحیه ي تحریک نیز در طول لوله حرکت داده شده است، یعنی براي هر مانع سه آزمایش جداگانه انجام شده، به گونهاي که ناحیهي تحریک در ابتدا، وسط و انتهاي مبدل بوده است.
4
شکل :3 موانع جاگذاري شده درون لوله: حلقه، دیسک، مخروط
وسائل اندازه گیري
دما: براي اندازه گیري دما از یک دماسنج الکترونیکی مدل استاندارد612 کالیبره شده با دقت 0/1 درجه سانتیگراد و محـدوده کـارکرد
-30 تا 150 درجه سانتیگراد استفاده شده است(شکل.(4
سرعت: سرعت هواي عبوري در لوله توسط یک سرعتسنج پرهاي، مدل AM 4200، اندازهگیري میشود(شکل .(4
شکل :4 دستگاه اندازه گیري سرعت و دما
افت فشار: براي اندازه گیري افت فشار در سمت لوله از یک مانومتر استفاده شده است. سیال مورد استفاده در اینجا آب می باشد. بـراي اندازه گیري افت فشارهاي کم از مانومتر مایل(زاویه دار) استفاده شده است. (شکل (5
شکل :5 فشار سنج مایل
5
