بخشی از مقاله
چکیده
امروزه روش های افزایش کارایی مبدل های حرارتی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. یکی از این روش ها استفاده از افزایش دهنده های سطح بوده که با توجه به عدم نیاز به هزینه های بعدی روش پر کاربردی می باشد. در تحقیقات انجام شده افزایش دهنده های سطح مثلثی شکل مورد توجه کمتری قرار گرفته است در صورتی که این زائده ها با توجه به هندسه ای که دارند می توانند آشفتگی قابل ملاحظه ای را در جریان ایجاد کنند که این آشفتگی باعث بهبود انتقال حرارت می گردد. در تحقیق حاضر اثر این زائده ها بر انتقال حرارت و افت فشار جریان در لوله ها با فواصل و اندازه های مختلف زائده مورد بررسی قرار گرفته است.
.1 مقدمه
مبدل حرارتی پوسته و لوله نوعی مبدل حرارتی است که کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحدهای تقطیر نفت خام دارد. همانطور که از نام آن پیداست این مبدل از یک مخزن استوانهای شکل بزرگ - پوسته - در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. مایع در داخل لولهها حرکت میکند و بخار داغ بر روی لولهها و درون پوسته جریان دارد . به علت تعداد زیاد این لولهها و سطح تماس بالایی که ایجاد میکند، حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش میآورد.
در مبدلهای حرارتی معمولا دو سیال بدون تماس جرمی با یکدیگر تبادل حرارت میکنند.سیال سرد تر در تماس با سیال گرم انرژی حرارتی گرفته و دمای آن بالا میرود و در عوض سیال گرم تر با از دست دادن حرارت، سرد میشود. مقدار گرمای مبادله شده، ارتباط مستقیمی با میزان سطح تبادل حرارت دو سیال دارد. پس با بالا بردن سطح تماس دو سیال میتوان بازدهی مبدل را بالا برد، اما برای این منظورعمدتاً با موانع طراحی و عملیاتی مواجه هستیم.
.2 مطالعات گذشته
پهلوان زاده و همکاران [1] به بررسی آزمایشگاهی تأثیر سیم های مارپیچ و شبکه های سیمی درون لوله های مبدل های حرارتی در بهبود انتقال حرارت و همچنین افت فشار در لوله پرداخته اند. قطر لوله سه چهارم اینچ سیال کاری آب در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهد که سیم های مارپیچ به طور متوسط 22 تا 28 درصد و شبکه سیمی با فشردگی معمولی 163 تا 174 درصد انتقال حرارت در لوله های مستقیم را افزایش می دهند. افت فشار نیز به میزان 46 درصد در لوله های با سیم مارپیچ و حدود 500 درصد در لوله های با شبکه سیمی افزایش داشته است. با توجه به نتایج آن ها معتقدند که روش مارپیچ سیمی با توجه به نسبت افت فشار بسیار کمتر روشی بهتر برای افزایش انتقال حرارت نسبت به روش شبکه ای می باشد.
بررسی آزمایشگاهی انتقال حرارت و همچنین افت فشار جریان آرام روغن با لزجت بالا در لوله های با مقطع مربع و مستطیل با وجود دنده های عرضی و مارپیچ سیمی توسط ساها [2] مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که انتقال حرارت در حالتی که هر دو با هم حضور داشته باشند نسبت به حالتی که فقط مارپیچ یا فقط دنده ها حاضر باشند بالاتر است. یافته ها نشان می دهند که در توان پمپ ثابت انتقال حرارت در حالت ترکیبی به میزان 50 درصد نسبت به حالت عادی افزایش میابد و افت فشار نیز افزایشی 40 درصدی را نشان می دهد.
نافون و سریروم لولن [3] انتقال حرارت و افت فشار در میکرو لوله ها با وجود و عدم وجود مارپیچ سیمی را مورد بررسی قرار دادند. سیال کاری آب گرم و آب سرد در نظر گرفته شده و برای دبی های مختلف آزمایش صورت پدیرفته است. نتایج حاکی از افزایش قابل توجه انتقال حرارت در حالت حضور مارپیچ بوده است. گر چه ضریب اصطکاک لوله ای که سیم پیچ در آن قرار داده شده بود افزایش یافته است.
انتقال حرارت جابجایی و ضریب اصطکاک در ناحیه کاملا توسعه یافته لوله ای با جریان آرام آب و نانو سیال با حضور و عدم حضور مارپیچ سیمی در لوله توسط چاندراسکار و همکاران [4] به صورت آزمایشگاهی مورد تحقیق و بررسی واقع شده است. در رینولدز 2275 تاثیر وجود ذرات نانو در انتقال حرارت افزایش حدود 12 درصد نسبت به آب خالص بوده است. دو حالت مارپیچ با زاویه های متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است که نتایج در رینولدز مشابه افزایش 16 و 21 درصدی را با سیال آب خالص نشان می دهند. در حالت آزمایش با نانو سیال افت فشار قابل توجهی نسبت به آب خالص مشاهده نگردیده است.
گارسیا و همکاران [5] بررسی های آزمایشگاهی در تأثیر مارپیچ های سیمی بر بهبود انتقال حرارت در لوله های کالکتورهای خورشیدی انجام داده اند. نتایج حاصل نشان می دهد که با کلیه دبی های مورد آزمایش وجود مارپیچ انتقال حرارت را افزایش می دهد گرچه با افزایش دبی جریان میزان بهبود انتقال حرارت نسبت به حالت ساده از %31 تا %14 کاهش می یابد. افزایش دبی اثر افزایش انتقال حرارت مارپیچ را کاهش می دهد. کاهش فشار نیز افزایشی 12 درصدی را تجربه می کند. در نتیجه گیری کلی استفاده از مارپیچ سیمی در کلکتور های خورشیدی برای افزایش ضریب انتقال حرارت توصیه شده است.
ویژگی های انتقال حرارتی نیتروژن جوشان در لوله ساده فولاد ضد زنگ و همچنین لوله های با مارپیچ سیمی توسط یون و همکاران [6] به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. سه حالت مختلف قطر سیم آزمایش شده و نتایج حاصل افزایش انتقال حرارت با افزایش قطر سیم را نشان می دهد. بیشترین افزایش در انتقال حرارت 174 درصد اندازه گیری شده است.
سعیدی نیا و همکاران [7] به صورت آزمایشگاهی تاثیر فنر درون لوله ای با شار گرمایی ثابت و جریان نانو سیال بر انتقال حرارت و افت فشار را بدست آورده اند. جریان مورد آزمایش دارای رژیم آرام بوده است. پارامترهای مختلف از جمله عدد رینولدز، قطر فنر، تمرکز نانو سیال و ضریب اصطکاک مورد بررسی قرار گرفته اند. نتایج تجربی نشان می دهد که در یک تمرکز نانو سیال مشخص، با استفاده از فنر یا همان مارپیچ سیمی میزان انتقال حرارت در شرایطی که رینولدز و قطر سیم بیشترین بوده است به طور متوسط به میزان 45 درصد افزایش و افت فشار نیز 63 درصد افزایش داشته است. از آنجا که افزایش انتقال حرارت سیال با افزایش افت فشار که نا مطلوب است همراه می باشد این آزمایش برای رینولدزهای مختلف تکرار شده و نتایج حاصل به صورت دو فرمول ارائه شده است.
مدل سازی بهبود انتقال حرارت لوله های با دنده های درونی توسط نصر و همکاران [8] صورت پذیرفته است. ابتدا به صورت آزمایشگاهی تاثیر 4 نمونه دنده مختلف بر بهبود انتقال حرارت و همچنین افت فشار تحقیق شده و نتایج حاصل به عنوان پایگاه داده برای شبکه عصبی استفاده شده است. آزمایشات برای ناحیه گذار و توربولنت از رینولدز 4200 تا 49000 صورت پذیرفته است. نتایج حاکی از تطبیق خوب شبکه عصبی و نتایج حاصل بوده و استفاده از این روش در امور مهندسی مربوط به انتقال حرارت توصیه شده است.
تیجینگ و همکاران [9] تحقیقی در باره تاثیر افزایش دهنده سطحی از جنس آلومینیوم با شکل مقطع ستاره بر انتقال حرارت در لوله صاف به صورت آزمایشگاهی انجام داده اند. از یک مبدل حرارتی هم مرکز و سیال کاری آب برای آزمایش استفاده شده است. دو حالت همراه و بدون پیچیدگی سطح فین بررسی شده و نتایج نشان می دهد که پیچش فین تاثیر چندانی بر انتقال حرارت نداشته و فین صاف توصیه می شود. همچنین افزایش انتقال حرارت در این حالات بین 12 تا 51 درصد و افزایش افت فشار 286 تا 399 درصد بوده است که در مقایسه با افزایش دهنده های فنری افت فشار افزایش چشمگیری داشته در صورتی که بهبود انتقال حرارت در آن حد زیاد نبوده است.
تأثیر مارپیچ های سیمی یا فنرهای درون لوله بر انتقال حرارت در رژیم جریان آرام و گذار به صورت آزمایشگاهی توسط گارسیا و همکاران [10] صورت پذیرفته است. در حالت آرام در رینولدز های کمتر از 200 افزایش انتقال حرارت بین 5 تا 40 درصد گزارش می شود و با افزایش رینولدز و ورود به ناحیه گذار انتقال حرارت نیز افزایش می یابد تا جایی که در رینولدز 1000 انتقال حرارت با وجود فنر به 8 برابر حالت عادی می رسد. از رینولدز بیشتر از 1300 جریان به سمت توربولنت پیش می رود. در مقایسه بین فنر و صفحه پیچیده درون لوله مشاهده شده است که کارایی فنر در افزایش انتقال حرارت بیشتر بوده است.
تاثیر مارپیچ سیمی در سه حالت آرام، گذار و آشفته بر روی انتقال حرارت لوله توسط گارسیا و همکاران [11] به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. 6 فنر متفاوت با حالت های جریان مختلف از رینولدز 80 تا 90000 و همچنین پرانتل 2,8 تا 150 آزمایش شده و از نتایج حاصل معادلاتی برای ضریب اصطکاک و ناسلت لوله بر اساس هندسه و عدد رینولدز و پرانتل ارائه شده است. نتایج حاکی از افزایش تا 4 برابری انتقال حرارت و تا 8 برابری افت فشار در جریان متلاطم با لوله حاوی فنر نسبت به لوله ساده است. لوله های حاوی فنر بهترین عملکرد را با توجه به پارامترهای افت فشار و عدد ناسلت در ناحیه گذار از خود نشان می دهند.
بررسی عددی جریان آرام در لوله ای با مارپیچ سیمی توسط اسپارزا و روجاس [12] صورت پذیرفته است. با استفاده از روش حجم محدود و با هندسه های مختلف آن ها رابطه ای بین عدد ناسلت و ضریب اصطکاک ارائه کرده اند. نتایج حاصل در رینولدز های کمتر از 500 نشان از نیمه خطی بودن رابطه ضریب اصطکاک و رینولدز دارند. همچنین با توجه به حالات مختلف مشخص می شود هرچه تعداد دور فنر در لوله کمتر شود افت فشار نیز کاهش می یابد.
تکنیک های افزایش انتقال گرما که برای کاهش قابل توجه درجه حرارت ها مورد استفاده قرار می گیرند و از لحاظ حرارتی استرس را بر سطوح برخورد کننده ی پرتو القاء میکنند، معمولا در APS در همه مولفه های بحرانی بار گرمایی بالا استفاده می شوند. یک تکنیک افزایش انتقال گرمایی جدید که در APS1 مورد ارزیابی قرار گرفته شامل استفاده از ورودی های سیم پیچی است که قبل از تکینک هایی که قبلا مورد استفاده قرار گرفته است.
