بخشی از مقاله
تحليل تاثير جنس لوله بر ميزان تنش هاي حرارتي در يک مبدل حرارتي پوسته و لوله
چکيده
مبدل هاي حرارتي پوسته لوله ١ از متداول ترين مبدل هاي استفاده شده در صنايع مي باشـند يکـي از خرابـي هـاي بسـيار متـداول در صنعت ، شکست لوله ها در محل عبور از صفحات نگه دارنده لولـه هـا است . وقتي سيالهاي سمت پوسته و سمت لوله با اختلاف دماي بالا در مبدل جريان مي يابند، گراديان دماي بالايي در لوله ها بـه وجـود مي آيد که اين گراديان دماي بالا سبب به وجود آمدن تنش حرارتي در لوله ها(به خصوص در محل اتصال لوله ها به صفحه نگه دارنده لوله که امکان انبساط و انقباض وجود ندارد) مي شود. لذا در اين تحقيـق سعي مي شود با اعمال تغييراتي اثر تـنش حرارتـي در ايـن شکسـت کاهش يابد. در واقع راهکارهايي مدنظر هستند که بتوان با استفاده از آن ها در ساخت مبدلهاي در صنايع مختلف تغييراتي ايجاد کنيم که نتيجه آن کاهش اثرات تنش هاي حرارتي بر شکست لوله هاي مبـدل در محل اتصال به صفحه نگه دارنده لوله ها باشد. به ايـن منظـور بـا تغيير دادن جنس لوله ها و جايگزين کردن جنس مورد نظـر، توزيـع تنش حرارتي و اثرات آن بر خرابي لوله ها مورد تجزيه و تحليل قـرار مي گيرد. نتايج حاصله نشان مي دهد که با تغيير دادن جنس لوله ها مي توان ميزان تنش هاي حرارتي در محل اتصال لوله به صفحه نگـه دارنده کاهش مي يابد. و از بين جنس هاي مورد تحليل لولـه هـاي برنجي کمترين ميزان تنش را داشته و در عين حال بيشترين ميزان انتقال حرارت را نيز تامين مي کند.
واژه هاي کليدي
مبدل حرارتي پوسته و لوله ، تنش حرارتي ، جنس ، گراديان دما
مقدمه
در بسياري از کاربردهاي مهندسي ، فرآيند تبادل حرارت بين دو سيال با دماهاي مختلف که توسط ديوار جامدي از هم جدا شدهاند يافت مي شود. وسيله اي که در آن اين تبادل حرارت صورت مي گيرد، مبدل حرارتي ناميده مي شود که داراي کاربردهاي زياد و انواع مختلفي است . مبدلهاي پوسته و لوله به خاطر گسستردگي انواع و اقسام، متداولترين مبدلهاي مورد استفاده در صنعت هستند.
پارامترهاي موثر در طراحي يک مبدل حرارتي پوسته لوله قطر لوله ، آرايش لوله ها، فاصله بافل ها و جنس لوله ها مي باشد.
تحقيقات زيادي در جهت بررسي علل و عوامـل خرابـي در ايـن مبدلها انجام شده که يکي از مهمترين اين عوامل تنش هاي حرارتي است . ويسل و همکارانش [٥] در سال ٢٠٠٥، با استفاده از روش اجزا محدود توزيع دما، انتقال حرارت و تنش حرارتي که به دليل اختلاف دما در لوله هاي شيار دار به کار رفته در مبدل حرارتي پوسته و لوله به وجود مي آيند را مورد مطالعه قرار دادند و اثرات شيارها روي نـرخ تنش حرارتي به وجود آمده را بررسي کردند. در اين تحقيق که در حالــت دوبعــدي و پايــدار انجــام شــده اســت . ويکتــور ايوانــوا و همکارش [٩] در سال ٢٠١٢، با استفاده از مدل اجزا محدود به پيش بيني توزيع دما در يک مبدل حرارتي پوسته و لوله پرداختند در اين تحقيق سه مبدل حرارتي مختلف در صنعت در نظر گرفتـه شـده و داده هاي ميداني آنها با نتايج بدست آمده از حل تحليلي مقايسـه شد.
مدل سازي و روش کار
ابتدا با استفاده از نقشه هاي موجود يک مدل[٢] از مبدل با نرم افزار CATIA ايجاد مي شود. اين مدل شامل ناحيه ورودي سمت پوسـته مبدل حرارتي پوسته و لوله مي باشد که ابعاد فيزيکي آن در جـدول شماره ١ قابل مشاهده مي باشند.
سپس مدل را با استفاده از نرم افزار گمبيت و روش تتراهدرال مش بندي[٣،٦] مي کنيم . تصوير مدل مش بندي شده در شکل
شماره ١ ارائه شده است .
حال با اعمال شرايط مرزي دمايي که فهرست آن در جدول شماره ٢ آورده شده است ، تحليل دمايي مدل، با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام مي شود و کانتور توزيع دماي مبدل بدست مي آيد.
بعد از بدست آوردن کانتور توزيع دما در اين قسمت ، با لينک کردن مدل موجود و نتايج حاصله از اين تحليل به بخش تحليل ساختماني نرم افزار و همچنين اعمال شرايط مرزي در حين کار مبدل و ساير تنظيمات لازم تحليل تنش حرارتي انجام مي شود و توزيع تنش حرارتي در شرايط کارکرد مبدل بدست مي آيد که مي توان آن را تفسير نمود و نتايج مورد نياز را بدست آورد. در مرحله بعد با توجه به خصوصيات دمايي مواد مختلف مانند ضريب انبساط حرارتي ، ضريب پخش حرارتي و غيره پس از بررسي مقالات و همچنين کاربرد مواد مختلف در ساير تجهيزات صنعتي مشابه چند جنس جديد در نظر گرفته شده و کليه مراحل فوق براي آنها تکرار مي شود. درنهايت نتايج حاصله را مورد مقايسه و تحليل قرار داده تا بهترين جنس از نظر توليد تنش حرارتي و شکست ناشي از آن تعيين شود. در انجام تحليل خواص ترموفيزيکي سيال درون لوله و پوسته ثابت در نظر گرفته مي شود. جنس ، دما، فشار و سرعت سيال- هاي ورودي و خروجي به لوله و پوسته و همچنين فاز آنها نيز مشخص و ثابت است .
انجام تحليل و نتيجه گيري
ابتدا شرايط موجود مبدل از نظر آلياژ مورد استفاده و شرايط مرزي و کاردکرد مبدل مورد تحليل قرارگرفته [٨] وسپس با جايگزين کردن آلياژهاي آلومنيوم و مس (برنج ) تحت همان شرايط قبل تحليل را تکرار کرده و نتايج را مورد بررسي و مقايسه قرار مي دهيم .
با توجه به آنکه بيشترين تنش حرارتي در محل اتصال لوله ها به صفحه نگه دارنده لوله ها به وجود مي آيد[٤,٧،١٠]، نتايج تحليل دمايي در شکل شماره ٢ و تنش هاي حرارتي حاصل در شکل شماره ٣ ارائه شده است . با مقايسه اين نتايج و در نظر گرفتن تنش تسليم آلياهاي در نظر گرفته شده ديده مي شود که تنش ها به ترتيب در آلياژ مس (برنج ) و آلومنيوم و فولاد کاهش مي يابد.
براي تحقيق هاي بعدي در مورد کاهش اثرات تنش هاي حرارتي در محل اتصال لوله ها به صفحه نگه دارنده لوله ها در مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله ، تغيير جنس صفحه نگه دارنده لوله و تعيين اثرات آن پيشنهاد مي شود.
بررسي شرايط انتقال حرارت
از آنجايي که هدف از مبدل حرارتي انتقال حرارت از سيال به گرم به سيال سرد است . لذا اعمال هرگونه تغييرات در آنها نبايد باعث کاهش بيش از حد مجاز و غيرقابل جبران در انتقال حرارت گردد. لذا شرايط و ميزان انتقال حرارت در مدل پيشنهاد شده مورد تحليل و بررسي قرار گيرد. با اين منظور تحليل انجام شده براي آلياژهاي مورد نظر را در چنين مرحله و براي سرعت هاي مختلف انجام مي دهيم تا بتوان تحت شرايط مختلف نتايج را با هم مقايسه نموده و صحت آنها را مورد تائيد قرار دهيم . نتايج ضريب انتقال حرارت سمت پوسته را با استفاده از عدد ناسلت متوسط سمت پوسته بر حسب عدد رينولدز بيان کنيم .
با انجام اين تحليل و بدست آوردن نتايج و بررسي انتقال حرارت متوسط در مدل که نتايج آن در نمودار ١ آورده شده است مشخص مي گردد که از نظر ميزان انتقال حرارت در مدل پيشنهاد شده شرايط مطلوب و مورد تائيد است .
