بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی جریان و انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی لوله مارپیچ با استفاده از روش عددی پرداخته شده است. هدف مطالعه تاثیر قطر لوله بر پارامترهای حرارتی و هیدرودینامیکی جریان سیال درون مبدل میباشد. شبیهسازی با استفاده از روش حجم محدود به کمک نرم افزار فلوئنت انجام شده است. مطالعهی عددی برای اعداد رینولدز در بازهی 32000-6000 در رژیمهای جریان آرام و مغشوش با مبدل حرارتی لوله مارپیچ و مقادیر قطر لوله در بازه 4 تا 20 میلیمتر برای سیال آب تحت دمای ثابت 343 کلوین بر روی دیواره خارجی لوله مارپیچ انجام شده است. مقدار ضخامت لوله مارپیچ در این شبیه سازی برابر 2 میلیمتر در نظر گرفته شده ا ست و از مدل هدایت پو سته در نرم افزار فلوئنت ا ستفاده شده ا ست که در این حالت نیازی به شبکه بندی ضخامت لوله وجود ندارد و در نتیجه زمان محا سبات کاهش مییابد. نتایج ن شان می دهد با افزایش قطر لوله، دمای متوسط توده سیال و همچنین دمای بالک خروجی کاهش مییابند، همچنین انتقال حرارت کل واحد طول مبدل با یک رابطه نمایی کاهش پیدا میکند. افت فشار در مقادیر پایین قطر لوله بسیار افزایش پیدا میکند که کار پمپ بیشتری را تحمیل میکند و نامطلوب میباشد.
.1 مقدمه
بهبود عملکرد انتقال حرارت واب سته به افزایش نرخ انتقال حرارت ا ست. امروزه محققان زیادی بر روی یافتن روش های مؤثر افزایش انتقال حرارت بین سطوح و سیال های احاطه کننده آنها ه ستند. به همین دلیل، برگلس[1] مکانیزم های بهبود انتقال حرارت را به روش های فعال و غیرفعال طبقه بندی کرده ا ست. مواردی که نیازمند یک نیروی خارجی برای حفظ مکانیزم بهبود ه ستند را با نام روش های فعال نام گذاری نموده است که به عنوان مثال می توان به روش های تکان دادن یا ارتعاش سطوح اشاره کرد. هاگ و جانخان روش های بهبود مکانیکی فعال برای افزایش نرخ انتقال حرارت تو صیف کرده اند. از طرف دیگر، روش های غیرفعال به روش هایی اطلاق می شوند که نیازمند نیروی خارجی برای حفظ مشخ صه های بهبود انتقال حرارت نیستند. در این مورد نیز می توان به رو شهایی چون سطوح ت صحیح شده، سطوح زبر، سطوح تو سعه یافته، تجهیزات جریان چرخان، لوله های مارپیچ، افزونه به سیال و روش های بسیار دیگری اشاره کرد. مبدل های حرارتی لوله مارپیچ به علت دا شتن ساختمان ف شرده و افزایش انتقال حرارت به دلیل مارپیچ بودن آن ، امروزه در صنایع مختلفی استفاده می شوند. تغییر در خواص فیزیکی این مبدل به طبع، تغییر در رفتار آن را در پی خواهد داشت. در این تحقیق برآنیم که با تغییر در مشخصه اصلی این مبدل ها، پاسخ آن را در دو رفتار جریان سیال و انتقال حرارت بررسی کنیم. این مشخصه گام است که در بازه های مختلفی تغییر کرده و مورد بررسی قرار می گیرند. شبیه سازی رفتار این مبدل از طریق روش اجزاء محدود و با نرم افزار تجاری- عددی فلوئنت ورژن 15 انجام می گیرد. لذا نوع المان، تعداد آنها، و نحوه ی توزیع شبکه تأثیر فراوانی در نتایج و جوابها دارد. انتخاب نوع رژیم جریان سیال نیز یکی از مسائل مهم تحقیق می باشد که از رژیم های موجود در نرم افزار استفاده می شود. در صورتی که تعداد المان ها زیاد شده و موجب افزایش زمان حل در جریان های توربولنت گردد باید از سی ستم های پردازش موازی ا ستفاده کرد. به طور گسترده و در مقالات متعددی گزارش شده است که مبدل های حرارتی لوله مارپیچ نرخ انتقال حرارت بالاتری نسبت به لوله های صاف دارند. به دلیل ساختار فشرده و ضریب انتقال حرارت بالاتر مبدل های حرارتی لوله مارپیچ به طور گسترده در کاربردهای صنعتی نظیر نیروگاه ها، صنایع هسته ای، سیستم های بازیابی گرما، سردسازی و صنایع غذا مورد استفاده قرار می گیرند. مبدل های حرارتی لوله مارپیچ همچنین برای سیستم های بردارنده ی حرارت مازاد در راکتورهای هسته ای نصب شده در جزایر یا روی دوبه استفاده می شوند که در آنها انرژی هسته ای برای شیرین سازی آب دریا استفاده می شود. جریان و انتقال حرارت در لوله های منحنی شکل برای اولین بار توسط برگر و همکاران [2] در سال 1983 و سپس توسط شاه و جوشی[3] مورد بررسی جامع قرار گرفت. عثمان ار رحمان [4] بر روی توزیع جریان و انتقال حرارت در مبدل حرارتی پوسته و لوله مطالعه انجام داد و نتایج آن را با نتایج حا صل از آزمایش مقای سه کرد. این مدل به طور متو سط خطای بی ست در صدی در نتایج انتقال حرارت و اختلاف ف شار را به همراه داشت. این مطالعه نشان داد که فرض صفحه متقارن به خوبی برای طول مبدل حرارتی قابل استفاده است اما برای مناطق داخلی و خارجی این طور نیست. این مدل می توانست با استفاده از مدل رینولدز-تنش به جای مدل k- بهبود یابد. ناوراس مصطفی و همکاران[5] بر روی عملکرد مکانیکی و حرارتی لوله های بیضوی مورد استفاده برای مبدل های حرارتی پلیمر مطالعه کردند. آنالیز مکانیکی ن شان داد که شکل جریان خطی برای لوله بیرونی یک عملکرد حرارتی بهینه را دارا ست. یک راه حل اجزاء محدود برای کرنش تعیین شد که تابعی از مواد لوله است. تحقیقات روی این مبدل ها به روش اجزاء محدود کم بوده و جزء موضوعات به روز می باشد.
.2 مبدل حرارتی لوله مارپیج
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا و انتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند. معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد.
معمولا ابعاد این د سته از مبدل ها در مقای سه با سایر مبدل های لوله ای کمتر ا ست. زیرا انتقال حرارت در م سیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است.
فرضیه های متعددی در نگارش این مقاله تعریف شده است از جمله اینکه معادلات حاکم بر مسئله شامل مومنتم، پیوستگی و انرژی و معادلات مربوط به جریان اغتشاشی می باشد. در شرایط مرزی، ورودی مسئله سرعت و خروجی مسئله فشار در نظر گرفته می شود. همچنین شرط دیواره ثابت و بدون حرکت برای دیواره لوله و شرط مرزی دیوار - - Wall همانطور که از نامش پیدا ست برای مح صور کردن نواحی سیال و جامد به کار میرود. شرط عدم لغزش ب صورت پیش فرض، در حرکت جریان سیال بر روی دیوار در نظر گرفته میشود. تنش برشی و انتقال حرارت بین سیال و دیوار بر پایهی اطلاعات سیال در ناحیهی جریان محاسبه میشوند. هنگامی که معادلهی انرژی حل میشود لازم است شرط مرزی دمایی و حرارتی در دیوارهها که دمای ثابت است، تعیین شود. تعداد دورهای مارپیچ در تمامی مدل ها 4 دور 1440 درجه است. محققان زیادی نشان داده اند که جریان متلاطم و پیچیده ای در داخل لوله ی مارپیچ حاکم است و در نتیجه ی آن، انتقال حرارت در داخل لوله بهبود می یابد لذا می توان از این فرض نیز بهره جست
.1-2 مشخصات کلی
در این مقاله به بررسی تاثیر قطر لوله بر پارامترهای حرارتی و هیدرودینامیکی مبدل پرداخته میشود. در هر کدام از شبیهسازیها قطر لوله تغییر میکند و دیگر پارامترهای هندسی مبدل از قبیل گام مارپیچ، قطر مارپیچ و ضخامت لوله ثابت نگه داشته میشود. گام مارپیچ برابر با 25 میلیمتر و قطر مارپیچ 100 میلیمتر در نظر گرفته شده است. شبیه سازی برای مقادیر قطر لوله 4، 8، 12، 16 و 20 میلیمتر و مقدار دبی حجمی جریان 0/1 لیتر بر ثانیه انجام شده و در مجموع 5 حالت مختلف برر سی گ شت که در همه حالات ضخامت لوله مارپیچ برابر با 2 میلیمتر در نظر گرفته شد و طول مبدل حرارتی برابر با 100 میلیمتر میباشد.
2-2 نتایج و تحلیل حل مسئله
مدل ریا ضی ا ستفاده شده برای محا سبهی پارامترهای جریان و انتقال حرارت حجم محدود ا ست که با ا ستفاده از ب سته نرم افزاری FLUENT انجام گرفته است. مطالعهی عددی برای اعداد رینولدز در بازهی 32000-6000 در رژیمهای جریان آرام و مغشوش با مبدل حرارتی لوله مارپیچ انجام شده است.
نمودار 1 دمای بالک خروجی، دمای متوسط توده سیال و دمای متوسط سطح داخلی مبدل را بر حسب قطر لوله مارپیچ در گام مارپیچ 25 میلیمتر و قطر مارپیچ 100 میلیمتر نشان میدهد.
نمودار 1 تغییرات دمای بالک خروجی، دمای متوسط توده سیال و دمای متوسط دیواره بر حسب قطر لوله.
با افزایش قطر لوله و با توجه به این که دبی ورودی ثابت نگه داشته میشود مقدار سرعت در ورودی لوله و همچنین عدد رینولدز جریان کاهش مییابد. همین طور طول لوله مارپیچ نیز مقداری کاهش پیدا میکند. انتظار میرود با توجه به این که با افزایش قطر لوله، سرعت سیال در ورودی کاهش مییابد و سیال مدت زمان بیشتری در معرض انتقال حرارت میباشد دمای توده سیال زیاد شود در حالی که نتایج نمودار 1 عکس این موضوع را نشان میدهند. یعنی با افزایش قطر لوله، دمای متوسط توده سیال و همچنین دمای بالک خروجی کاهش مییابند. دو عامل در کاهش دمای سیال نقش دارند یکی این که با افزایش قطر لوله، طول لوله مارپیچ کاهش مییابد و دیگری این که در قطرهای بالای لوله اغتشاش جریان کمتر میشود و جریان به سمت رژیم آرام میرود که به نوبه خود تشکیل جریان ثانویه را ت ضعیف میکند که در اثر آن لایه مرزی حرارتی ضخیمتر شده و گرادیان دما بر روی دیواره کاهش مییابد و بنابراین حرارت کمتری به سیال منتقل میشود و ضمن اینکه دمای توده سیال کاهش مییابد دمای سطح لوله نیز افزایش پیدا میکند. در یک دبی ثابت با کاهش دمای بالک خروجی، میزان انتقال حرارت کل نیز کاهش پیدا میکند. در نمودار 2 نمودار تغییرات انتقال حرارت کل واحد طول مبدل بر حسب قطر لوله نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه میشود با افزایش قطر لوله انتقال حرارت کل واحد طول مبدل با یک رابطه نمایی کاهش پیدا میکند که بر روی شکل ن شان داده شده ا ست. لازم به ذکر ا ست که di در این معادله بر میلیمتر وارد میشود و ضریب تعیین معادله 0/9979 میباشد.
