بخشی از مقاله
چکیده
انتخاب جنس برای لولهها در مبدل حرارتی پوسته و لوله یک مسئله مهم برای اطمینان از کارکرد صحیح آن است. در این پژوهش، تأثیر جنس لولهها بر میزان تنش حرارتی در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله1 مورد تحلیل قرار گرفت. یکی از خرابیهای بسیار متداول در صنعت، شکست لولهها در محل عبور از صفحات نگه دارنده لولهها است. لذا در این تحقیق سعی میشود با در نظر گرفتن مواد پر کاربرد در ساخت مبدلهای حرارتی و خواص حرارتی و مکانیکی آنها اثر تنش حرارتی در این شکست کاهش یابد. به این منظور با تغییر دادن جنس لولهها و جایگزین کردن جنس مورد نظر، توزیع تنش حرارتی و اثرات آن بر خرابی لولهها مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد.
به این منظور مدل سه بعدی ناحیه ورودی سمت پوسته مبدل - فاصله بین صفحه نگه دارنده لوله2 تا بافل 3 اول - ایجاد شد. توزیع دما در حالت پایدار و مدل آشفتگی k درنظر گرفته میشود. مدل به صورت کاملا شش وجهی المان بندی شده و خواص سیالهای سمت لوله و سمت پوسته به طور کامل درنظرگرفته میشود. نتایج بدست آمده نشان میدهد که جنس لولهها در میزان تنشهای حرارتی در محل اتصال لوله به صفحه نگه دارنده تاثیر زیادی دارد. از بین جنسهای مورد تحلیل، لولههای از جنس مس کمترین میزان تنش را دارند. ولی نمونه فولاد آلیاژی بهترین ضریب اطمینان را از نظر میزان تنش حرارتی دارد.
واژه های کلیدی:مبدل حرارتی پوسته و لوله، تنش حرارتی، جنس لوله، گرادیان دما.
مقدمه
مبدل حرارتی دستگاهی است که به وسیله آن انتقال حرارت صورت گرفته و بین دو سیال تبادل گرما ایجاد مینماید. به عبارت دیگر مبدلهای حرارتی دستهای از دستگاههای انتقال حرارت هستند که در آنها حرارت بین دو سیال در دو قسمت مختلف مبادله میشود. با توجه به کارکرد مداوم مبدلها در صنایع، خرابیهای مختلفی در آنها به وجود میآید که تحقیقات مختلف انجام شده روی این خرابیها، روشهای مناسبی برای جلوگیری از آنها بوجود آورده که امروزه در صنعت مورد استفاده قرار میگیرند. تحقیق روی جنبههای مختلف در انواع مبدلها ادامه دارد و روش های طراحی، ساخت و استفاده از مبدلها همواره در حال پیشرفت است.
تحقیقات زیادی در جهت بررسی علل و عوامل خرابی در این مبدلها انجام شده که یکی از مهمترین این عوامل تنشهای حرارتی است. آپالاک و همکارن[1] 4 در سال 2003، تنش حرارتی غیر خطی ایجاد شده در لولههای با اتصال لبه روی هم چسبی را بررسی کردند. نتایج نشان دادکه به دلیل اختلاف زیاد ضریب انبساط حرارتی چسب و لولهها و به دلیل جریان با اختلاف دمای سیالهای درون و بیرون لوله، در محل اتصال تغییر شکل به وجود میآید که این امر باعث ایجا تنش در لایه چسب و لوله میشود. این تنشها در صورتی که لوله کاملا مهار شده باشد بسیار بیشتر خواهند شد. همچنین بهترین حالت برای نسبت میزان طول مهار شده لوله نسبت به طول کل لوله نیز بدست آمده است.
ازسیهان و آلتونتوپ[2]5 در سال 2005، با استفاده از روش اجزا محدود توزیع دما، انتقال حرارت و تنش حرارتی که به دلیل اختلاف دما در لوله های شیار دار به کار رفته در مبدل حرارتی پوسته و لوله به وجود میآیند را مورد مطالعه قرار دادند و اثرات شیارها روی نرخ تنش حرارتی به وجود آمده را بررسی کردند. در این تحقیق که در حالت دوبعدی و پایدار انجام شده است. ایوانوا و همکارش[3]6 در سال 2012، با استفاده از مدل اجزا محدود به پیش بینی توزیع دما در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله پرداختند در این تحقیق سه مبدل حرارتی مختلف در صنعت در نظر گرفته شده و داده های میدانی آنها با نتایج بدست آمده از حل تحلیلی مقایسه شد.
روش کار
اولین گام در پروسه آنالیز مسئله، ساختار مدل هندسی است، که شامل تعریف ریاضی مرزهای بیرونی و داخلی مدل میشود. به این منظور یک مدل سه بعدی از مبدل با استفاده از نرم افزار کتیا 7 ایجاد ایجاد میشود. این مدل شامل ناحیه ورودی سمت پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله میباشد که در شکل 1 نشان داده شده است. ابعاد فیزیکی مدل نیز در جدول شماره 1 قابل مشاهده می باشند.
در ادامه برای انجام تحلیل تنش حرارتی روی لولهها، مدل آنها به صورت جداگانه آماده میشود. تصویر این مدل در شکل2 نشان داده شده است. کلیه اندازهها مانند قبل است.سپس مدل با استفاده از نرم افزار آیسم سی اف دی و روش کاملا شش وجهی مشبندی4]و[ 5میشود. تصاویری از مدل مش بندی شده در شکل شماره 2 نشان داده شده است.حال با اعمال شرایط مرزی دمایی که فهرست آن در جدول شماره 2 آورده شده است، تحلیل دمایی مدل، با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام میشود و کانتور توزیع دمای مبدل بدست میآید.بعد از بدست آوردن کانتور توزیع دما در این قسمت، با لینک کردن مدل موجود و نتایج حاصله از این تحلیل به بخش تحلیل ساختمانی نرم افزار انسیس و همچنین اعمال شرایط مرزی در حین کار مبدل و سایر تنظیمات لازم تحلیل تنش حرارتی انجام میشود و توزیع تنش حرارتی در شرایط کارکرد مبدل بدست میآید که میتوان آن را تفسیر نمود و نتایج مورد نیاز را بدست آورد.
در مرحله بعد به دلیل اینکه هدف در این تحقیق بررسی تاثیر جنس لولهها در میزان تنش حرارتی است و جنس لولهها در توزیع دمای به وجود آمده موثر خواهد بود [6]، لذا با توجه به خصوصیات دمایی مواد مختلف مانند ضریب انبساط حرارتی، ضریب پخش حرارتی و غیره پس از بررسی مقالات و همچنین کاربرد مواد مختلف در سایر تجهیزات صنعتی مشابه چند جنس جدید در نظر گرفته شده و کلیه مراحل فوق برای آنها تکرار میشود. درنهایت نتایج حاصله را مورد مقایسه و تحلیل قرار داده تا بهترین جنس از نظر تولید تنش حرارتی و شکست ناشی از آن تعیین شود. در انجام تحلیل خواص ترموفیزیکی سیال درون لوله و پوسته ثابت در نظر گرفته میشود. جنس، دما، فشار و سرعت سیالهای ورودی و خروجی به لوله و پوسته و همچنین فاز آنها نیز مشخص و ثابت است.
انجام تحلیل و نتیجه گیری
برای انجام تحلیلهای لازم با ایجاد یک پروژه فلوئنت در انسیس ورک بنچ و وارد کردن مدل المان بندی شده به آن و همچنین اعمال شرایط مرزی موجود، تعیین جنس و خواص فیزیکی آن و سایر تنظیمات و شرایط کاری مبدل، تحلیل انجام شده و نتایج آن بدست میآیند. چهار آلیاژ پرکاربرد در ساخت مبدلهای حرارتی که عبارتند از فولاد زد زنگ، فولاد آلیاژی، مس و آلومینیوم در این تحقیقبررسی میشود. نتیجه حاصل از تحلیل دمایی نمونه از جنس فولاد آلیاژی در شکل 3 نشان داده شده است.نتایج حاصل از تحلیل دما در سایر نمونهها از نظر حالت توزیع دما، کاملا مشابه با توزیع دما در نمونه از جنس فولاد آلیاژی است ولی مقادیر بدست آمده در آنها متفاوت است. محدوده دما روی لولهها برای جنس های مورد نظر در جدول 3 نشان داده شده است.
همانطور که دیده میشود، لولههای بالایی که زیر نازل قرار دارند دارای دمای کمتری هستند و به تدریج لولههای ردیفهای پایینتر دمای بیشتری دارند.پس از انجام تحلیل تنش، نتایج بدست آمده نشان میدهد بیشترین تنش حرارتی در محل اتصال لولهها به صفحه نگه دارنده لولهها به وجود میآید. نتایج تحلیل تنش حرارتی حاصل در نمونه از جنس فولاد آلیاژی در شکلهای 4 و 5 ارائه شده است. نتایج بدست آمده از تحلیل تنش در لولهها، در سایر نمونهها از نظر حالت توزیع تنش، مشابه با توزیع در نمونه از جنس فولاد آلیاژی است ولی مقادیر بدست آمده در آنها متفاوت است. محدوده تنش روی لولهها برای جنسهای مورد نظر در جدول 4 نشان داده شده است.
