بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به برر سی جریان و انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی لوله مارپیچ با ا ستفاده از روش عددی پرداخته شده ا ست. هدف مطالعه تاثیر قطر مارپیچ بر پارامترهای حرارتی و هیدرودینامیکی جریان سیال درون مبدل میبا شد. شبیه سازی با ا ستفاده از روش حجم محدود به کمک نرم افزار فلوئنت انجام شده ا ست. مطالعهی عددی برای مبدل حرارتی لوله مارپیچ با مقادیر قطر مارپیچ در بازه 50 تا 150 میلیمتر برای سیال آب تحت دمای ثابت 343 کلوین بر روی دیواره خارجی لوله مارپیچ و اعداد رینولدز در بازهی -6000 32000 در رژیمهای جریان آرام و مغ شوش انجام شده ا ست. مقدار ضخامت لوله مارپیچ در این شبیه سازی برابر 2 میلیمتر در نظر گرفته شده است و از مدل هدایت پوسته در نرم افزار فلوئنت استفاده شده است که در این حالت نیازی به شبکه بندی ضخامت لوله وجود ندارد و در نتیجه زمان محاسبات کاهش مییابد. ملاحظه شد که افزایش قطر مارپیچ باعث کاهش ضرایب انتقال حرارت جابجایی در واحد طول مبدل شده و کار پمپ با افزایش مواجهه میشود. نهایتا نتایج تایید میکند که استفاده از مقادیر خیلی کم قطر لوله مارپیچ اگر چه باعث افزایش انتقال حرارت سی ستم می شود اما کار پمپ ب سیار زیادی را تحمیل میکند. در مجموع نتیجه گیری میتوان کرد که هر چه قطر مارپیچ کمتر با شد و در عوض تعداد دورهای مارپیچ بی شتر گردد انتقال حرارت بی شتر شده و ف ضایی که مبدل اشغال میکند کمتر میشود که از نظر اقتصادی مقرون به است.
.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.
.1-2 مشخصات کلی
فرضیه های متعددی در نگارش این رساله 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. در این مقاله اثر قطر مارپیچ بر پارامترهای حرارتی و هیدرودینامیکی مبدل بررسی میشود. قطر لوله برابر با 12 میلیمتر و گام مارپیچ برابر با 20 میلیمتر در نظر گرفته شده ا ست. شبیه سازی برای مقادیر قطر لوله مارپیچ 50، 80، 120 و 150 میلیمتر و مقدار دبی حجمی جریان 0/1 لیتر بر ثانیه انجام شده و در مجموع 4 حالت مختلف بررسی گردید که در همه حالات ضخامت لوله مارپیچ برابر با 2 میلیمتر در نظر گرفته شد. م ساحت مقطع لوله برابر با 2m 0,0001131 A= و طول مبدل حرارتی برابر با 80 میلیمتر میبا شد. جدول 3-5 م شخ صات هند سی و رژیم جریان مبدل حرارتی لوله مارپیچ را در مقادیر مختلف قطر مارپیچ ن شان میدهد. لازم به ذکر است که مقدار سرعت در ورودی برابر با 0/884194 متر بر ثانیه 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. شکل 1 تغییرات دمای بالک خروجی، دمای متوسط توده سیال و دمای متوسط دیواره را بر حسب قطر مارپیچ نشان میدهد. همانطور که ملاحظه می شود افزایش قطر مارپیچ تاثیر ناچیزی بر روی دمای متو سط دیواره دارد. دمای سیال با افزایش قطر مارپیچ زیاد میشود که دلیل آن افزایش طول لوله مارپیچ در اثر زیاد کردن قطر مارپیچ میباشد. با افزایش طول لوله مارپیچ در یک دبی و گام مارپیچ ثابت، مدت زمانی که طول میک شد تا سیال از مبدل خارج شود افزایش مییابد و بنابراین سیال بی شتر در معرض انتقال حرارت قرار میگیرد.
شکل 1 تغییرات دمای بالک خروجی، دمای متوسط توده سیال و دمای متوسط دیواره داخلی مبدل بر حسب قطر مارپیچ.
در یک دبی ثابت با افزایش دمای بالک خروجی، انتقال حرارت کل نیز افزایش پیدا میکند. شکل 7 انتقال حرارت کل واحد طول مبدل را بر ح سب قطر مارپیچ ن شان میدهد. رابطهی بین انتقال حرارت و قطر مارپیچ بر روی شکل ن شان داده شده ا ست. ضریب تعیین این معادله 0/9972 میباشد و قطر مارپیچ بر حسب میلیمتر است. شکل 8 نیز تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی کل بر واحد طول مبدل را بر حسب قطر مارپیچ نشان میدهد. از آن جایی که ضریب انتقال حرارت جابجایی کل بر مبنای سطح جانبی خارجی لوله مارپیچ محاسبه شده است و این ضریب علاوه بر ارتباط مستقیم با میزان انتقال حرارت کل به صورت معکوس با مساحت جانبی خارج لوله مارپیچ متناسب میباشد و با اختلاف دما نیز نسبت عکس دارد اما در این جا عاملی که بیشترین تاثیر را میگذارد در واقع افزایش سطح جانبی لوله مارپیچ با افزایش قطر مارپیچ میباشد که باعث کاهش ضریب انتقال حرارت جابجایی کل میشود.
