بخشی از مقاله
چکیده
نیاز روز افزون به توسعه و ارتقای مبدل های حرارتی به ویژه از نظر افزایش میزان انتقال حرارت و راندمان سبب شکلگیری تلاش هایی فزاینده در جهت دستیابی به مبدل هایی با ابعاد کوچکتر و هزینههای کمتر گردیده است. لذا ساده ترین نوع مبدل حرارتی که مبدل دو لوله ای است با سه ساختار هندسی متفاوت یعنی افقی ساده، -Uشکل و مارپیچ فضایی در شرایط عملکرد یکسان از نظر خواص حرارتی سیالات بکار رفته و نیز شرایط یکسان مکانیکی، ترمودینامیکی و سیالاتی از جمله سرعت، فشار ورودی، دمای محیط، جنس و زبری و نیز شرایط مرزی، اولیه و نهایی یکسان آنالیز گردید. مساحت سطوح تبادل کننده حرارت مساوی است.
این هندسه ها در ابعاد کوچک میل کننده به ساختار ریزمبدلها طراحی شده و به روش CFD و مدل k- تحلیل عددی گردیدند. راندمان هر یک از این مبدلها محاسبه و کاراترین ساختار از سه هندسه فوق متمایز گردید که حاکی از برتری مبدل -Uشکل مسطح از نظر میزان تاثیر حرارتی مبدل 1 است. جهت مشاهده تاثیر نوار و پره های پیچیده شده و شناسایی برترین ساختار هندسی از نظر میزان تاثیر، سه هندسه مسطح فوق با گام پیچش متوسط نوارها و پره های تعبیه شده در سرتاسر لوله ها به عنوان سه هندسه جدید با همان شرایط مرزی قبل و در ابعاد ریز مبدل مطالعه شد.
در تحلیل های مرتبط با هندسه های دارای قطعات تعبیه شده از مدل k- در آنالیز CFD استفاده شد. در این مرحله فرض ثابت بودن چگالی هوا با در نظر گرفتن هوا به عنوان گاز ایده آل حذف گردید. در تمام تحلیل ها، مبدل ها دارای جریان نا همسو بوده و سیالات کاری آب و هوا می باشد. نتایج بدست آمده برای مبدل افقی مسطح که دارای کمترین راندمان در حالت مسطح می باشد با مبدل افقی دارای قطعات تعبیه شده مقایسه شد تا ارتقاء تبادل حرارت و راندمان آن نمایان گردد.
.1 مقدمه
در اغلب مبدلهای حرارتی سیالات موجود توسط سطح تبادل حرارت از یکدیگر جدا میشوند و در حالت ایده آل با هم مخلوط نمیشوند. مبدلهای حرارتی در صنایع فرآیندی و سیکلهای قدرت، صنایع پتروشیمی، حمل و نقل، تهویه مطبوع،تبرید، کرایجنیک2، بازیابی حرارتی، سوختهایجایگزین، دوربینهای حرارتی سرد شونده3 استفاده میشوند. به آن بخش از سطح که سیالها را جدا میکند سطح تماس مستقیم یا اولیه اطلاق میشود. به منظور افزایش مساحت ناحیه تبادل کننده حرارت، سطوح ثانویه که با عنوان فینها - پره ها - شناخته میشوند به سطح اولیه وصل میگردد.
.2 دسته بندی مبدلهای حرارتی
بطورکلی مبدل های حرارتی صنعتی بر اساس هفت عامل ذیل طبقه بندی میشوند:
- 1 - هندسه، - 2 - فرآیندهای تبادل، - 3 - درجات تراکم سطح، - 4 - آرایشهایجریان، - 5 - آرایشهای مسیر، - 6 - فاز سیالات فرآیند، - 7 - مکانیزمهای تبادل حرارت.
.3 مبدل حرارتی دو لوله ای
این نوع مبدلها برای فشارها و دماهای بسیار بالا مناسب تر هستند. به طراحی با خم -Uشکل انها مبدل سنجاقی گفته می شود و می توان از چندین مبدل دو لوله ای به صورت اتصال سری و موازی استفاده نمود. از نظر کاربرد، در فرآیندهای شامل برخورد یا تقاطع دمایی یعنی هنگامی که دمای خروجی سیال گرم - سیال خنک شونده - پایین تر از دمای خروجی سیال سرد - سیال گرم شونده - است یک مبدل حرارتی سنجاقی کارآمدترین طرح انتخابی بوده که سبب ایجاد مقاطع و انشعابات کمتر و مساحت سطح تبادل کننده کمتر می شود. فشار و دمای عملکرد آنها از خلاء کامل تا 14000psi و -100 تا 600 درجه سلسیوس است. شکل - 1 - چند ساختار ساختمانی این نوع مبدل را نشان می دهد.
شکل - 1 - مبدل حرارتی دو لوله ای یا سنجاقی. - a - طرح دستگاه، - i - : - b - طرح دو لوله ای با لوله داخلی ساده، - ii - طرح دو لوله ای با لوله داخلی پره دار، - iii - طرح دو لوله ای با چند لوله داخلی ساده، - iv - طرح دو لوله ای با چندین لوله داخلی پره دار،
.4 ریز مبدل یا میکرو مبدل
میکرومبدلها یا مبدلهای ریز مقیاس1، مبدلهایی هستند که حداقل یک سیال درون مجراهای جانبی2 که دارای مشخصه متمایز ابعاد کمتر از یک میلی متر هستند جریان مییابد. ریز کانال ها دارای قطر هیدرولیکی کوچکی در بازه - 0/2 , 3 - میلی متر هستند و در حالتی که ابعاد مقطع آنها در بازه - 1 , 200 - میکرومتر باشد با عنوان میکروکانال شناخته می شوند.
این مجراها بوسیله ماشینکاری دقیق سیلیکون3، لیتوگرافی اشعه ایکس عمیق4 یا ماشینکاری دقیق غیر لیتوگرافی5 ساخته میشوند. صفحات از طریق انباشته شدن، ساختارهای ساندویچی شکلی مانند مبدلهای صفحهای غول پیکر پیدا میکنند. تمام آرایشهای جریان - همسو، غیرهمسو و متقاطع - در این ساختار امکان پذیر است. مشخصه متمایز این مبدلها جریان یافتن سیال درون یک محفظه است که میکرو کانال6 نامیده میشود. میکرومبدلها ضریب انتقال حرارت بالایی از خود نشان میدهند.
