بخشی از مقاله
چکیده
به منظور غلبه بر معایب عملکرد انتقال حرارت در سمت پوسته - در مبدلهاي پوسته- لوله - با عدد رینولدز پایین در بافلهاي میله اي رایج با سطح مقطع دایروي، یک شبیهسازي عددي انجام می شود . در این مقاله سه سطح مقطع دایروي - مثلثی - لوزي را با هم مقایسه کرده ، و دو فاکتور مهم : افزایش انتقال حرارت و کاهش مقاومت جریان مورد بررسی قرار می گیرد.
در این مقایسه بافلهاي با سطح مقطع لوزي و مثلثی عملکرد بهتري در افزایش انتقال حرارت و کاهش مقاومت در برابر جریان از خود نشان میدهند. هم چنین در رینولدزهاي پایین سطح مقطع لوزي از دو سطح مقطع دیگر کارایی بهتري - افزایش انتقال حرارت -کاهش مقاومت جریان - را نشان میدهد. نکتهي حائز اهمیت دیگر اینکه ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته براي سطح مقطع لوزي 10% بیشتر از سطح مقطع دایروي است - البته در رینولدزهاي یکسان -
١- مقدمه
مبدل حرارتی به عنوان یک وسیلهي پر کاربرد در تجهیزات صنعتی ، در بخشهاي مختلف صنعت : صنایع شیمیایی ، فرآیند تصفیه نفت ، نیروگاههاي برق، صنایع غذایی و .. مورد استفاده قرار می گیرد. مبدلهاي حرارتی مختلفی براي فرآیندها و سیستمهاي صنعتی طراحی شده ،که در میان آنها مدل پوسته لوله متداولترین نوع مبدل حرارتی است.
در طی سالهاي گذشته انواع مختلفی از بافل ها در مبدلهاي حرارتی پوسته - لولهاي مورد استفاده قرار گرفته است و همواره هدف از ارائه طرحهاي جدید این بوده که با وجود افزایش نرخ انتقال حرارت مبدل، مقدار افت فشار جریان سمت پوسته در حد معقولی باقی بماند . رایجترین نوع این بافل ها - بافلهاي معمولی - باعث می شوند که سیال درون پوسته در یک مسیر زیگزاگ و پرپیچ و خم از روي لوله ها عبور نماید .این عامل سبب می گردد که به علت افزایش یافتن توربولانس و یا بعبارتی اختلاط محلی جریان در سمت پوسته، انتقال حرارت افزایش یابد ولی با این حال طراحی نامناسب این گونه بافلها، به دو دلیل باعث کاهش کارآیی مبدل خواهد شد.
-1 ضریب انتقال حرارت بسیار کم در نواحی سکون جریان محلی که بافل ها به دیواره پوسته اتصال میابند.
-2 جدایش جریان2 در لبه بافلها که باعث ایجاد افت فشار زیادي در سمت پوسته می گردد.
جداي از افت فشار بالا در مبدلهاي پوسته لوله معمولی با بافلهاي قطلعی عموماً نواحی مرده3 بین این دو بافل ایجاد می شود . این نواحی مستعد رسوب گذاري بوده ، در نتیجه دوره ي سرویس مبدل حرارتی کوتاهتر شده که از لحاظ اقتصادي هزینه بر است. علاوه بر این، الگوي جریان متقاطع در اینگونه مبدل ها باعث می شود که دسته لوله ها در معرض خطر نارسایی ارتعاشی قرار بگیرند
براي غلبه بر اشکالات موجود در بافلهاي قطاعی ساختارهاي جدیدي ارائه شده است . انواع مختلفی از بافلها مانند بافلهاي منحرف کننده جریان ، بافلهاي دیسک و حلقه ، بافل هایی که فضاي بین آنها بهینه شده .، و در نهایت بافلهاي مارپیچ در مبدلهاي حرارتی بکار گرفته میشود .
مبدلهاي حرارتی با بافلهاي میله اي نوعی از مبدلهاي پوسته-لوله ي رایج با جریان طولی در سمت پوسته می باشد9]،[5اگر چه افزایش انتقال حرات - در رینولدز هاي پایین - برراي این نوع بافل ها پایین است. [10] با این وجود در مقایسه با مبدل هاي - با بافل قطعه اي - مزیت هایی همچون بازده انتقال حرارت موثر بیشتر بر ناحیه مبادله ، عملکرد بهتر ضد رسوب را دارد
تفکیک گردابه هاي کارمن وجریان زنده در پشت بافل هاي میلهاي مهم ترین عامل افزایش انتقال حرارت در مبدلهاي حرارتی با بافل هاي میله اي است.اختلال جریان معمولا منجر به افزایش چشمگیر انتقال حرارت می شود و در نهایت هر چه پایداري - تشدید - جریان زنده اي که بافل هاي میله اي ایجاد میکند، بیشتر باشد نرخ افزایش اتقال حرارت بیشتر خواهد شد.اصولا پخش جریان بیشتر منجر به افزایش انتقال حرارت بیشتر میشود.
-2 مدل ریاضی
2-1 هندسه مسئله
پارامترهاي اساسی سه نوع مدل - متناوب - با بافلهاي میله اي مختلف در - شکل - 1 ، جدول1 تا 3 ارائه شده است.
- 1 سطح زیرین - قاعده - مثلث متساوي الساقین و محور کوتاه لوزي عمود بر جهت جریان می باشد
- 2 زاویه ورودي جریان 450 درجه و لوله مربع شکل است.
- 3 فاصله ي محوري ببین دو بافل کناري 100mm - که معمولا در مبدلهاي حرارتی با بافل میلهاي مورد استفاده قرار میگیرد -
- 4 مدل به شبکه هاي بی سازمان و سازمان یافته تقسیم میشود، علاوه بر این ، گرهها در کنار دیواره ها با روش تابع دیوار4 اعمال می شود ، در نهایت مش اصلاحی با مقایسه چند مش با تراکمهاي مختلف - با مقایسه نتایج عددي - بدست میآید . - 5 یک لوله ي واحد متناوب در مبدل هاي حرارتی پوسته لوله انتخاب میشود 15]،[14 ، هم چنین براي شبیه سازي ، جریان متناوب در نظر گرفته میشود .
2-2 معادلات حاکم و شرایط مسئله
شرایط حاکم بر مسئله را در جدول4 نشان می دهیم.
مسئله با استفاده از مدل استاندارد k-Ɛ ، و حل مرتبه ي دوم براي جداسازي انجام میشود . معادلات حاکم براساس متد حجم محدود با الگوریتم SIMPLE حل شده است. الگوریتم SIMPLE روشی براي محاسبه فشارها و سرعتها میباشد ، که یک روش تکراري است و هنگامیکه سایر مقادیر اسکالر به معادلات اندازه حرکت مرتبط می شود لازم است محاسبه بطور منظم انجام شود .
عدد رینولدز در سمت پوسته به صورت Re ude - 3 - تعریف میشود. که براي گام مربعی استفاده شده در این تحقیق وقتی که تعداد سلولها در مبدا دو برابرشود اختلاف نتایج عددي براي ضریب انتقال حرارت و گرادیان فشار کم تر از 1/2% است ، در نتیجه مسئله، روند حل شبکه ي مستقل را به دنبال خواهد داشت
