بخشی از مقاله
چکیده
یکی از انواع مبدلهای حرارتی صنعتی، مبدل حرارتی هواخنک - کولر هوایی - است. کولرهای هوایی مبدلهای لولهای هستند که در آنها هوای محیط بر روی سطح خارجی لولهها جریان دارد و سیالی درون لولهها را خنک یا کندانس میکند. با توجه به کاربرد گسترده مبدلهای حرارتی هوا خنک در صنایع نفت و گاز، جلوگیری از بروز هرگونه عیب در این نوع مبدلها حائز اهمیت است. در کار حاضرکولر هوایی E-652 پالایشگاه اراک که به منظور خنک کردن سیال فرایندی - مشتق نفتی هیدروکربن - ساخته و نصب گردیده؛ مورد بررسی قرار گرفته است.
یکی از عیوب به وجود آمده در این نوع مبدل، نشتی سیال در بعضی از تیوبها بعد از مدتی کارکرد آن میباشد. در این پژوهش با استفاده از روش عددی و حل معادلات حاکم بر سیال و انتقال حرارت، عملکرد مبدل در فصول مختلف سال مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. دمای هوای ورودی بر روی سطح خارجی تیوبها در دامنه. 43 درجه سانتیگراد تا.-20 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده و بر اساس آن، دمای سیال فرایندی خروجی و همچنین دمای هوای خروجی از روی دسته لولهها بدست آمده است. همچنین با تغییر سرعت هوای ورودی اثر آن بر دمای سیال فرایندی خروجی و دمای هوای خروجی بدست آمده است.
کانتورهای توزیع دما، سرعت و فشار بدست آمده گویای این نکته هستند که ماکزیمم دما در بالاترین ردیف لولهها روی میدهد و هرچه به ردیفهای پایینتر نزدیک میشویم سیال خنکتر شده و در نتیجه جداره تیوب دمای کمتری دارد. در شرایط یکسان با تغییر جهت دمیدن هوا از بالا به پایین در مقایسه با حالتی که هوا از پایین به بالا میدمد توزیع دما یکنواختتر شده و تنش حرارتی به وجود آمده در تیوبهای ردیف بالایی که میتواند عامل نشتی سیال محسوب گردد کاهش یافته و عملکرد مبدل بهبود می یابد.
-1 مقدمه
تغییر شکل ناخواسته تیوبها یکی از مشکلاتی است که در مبدلهای حرارتی خنک شونده با هوا ایجاد میشود. از جمله عواملی که باعث ایجاد این عیب میشود عدم توزیع یکنواخت دما روی تیوبها است.[1] وجود این تغییر شکل ها همراه با تنشهای حرارتی می تواند در نهایت باعث نشتی سیال گردد. به منظور جلوگیری از بروز هر گونه عیب در این نوع مبدل ها که کاربرد گسترده ای در صنایع نفت و گاز دارند؛ ریشه یابی و تحلیل این پدیده حائز اهمیت است.
سربیسلاو و همکاران - 2006 - با استفاده ازنرم افزارANSYS مدلسازی عددی مبدل حرارتی را با بررسی ویژگی های افت فشار و انتقال حرارت به منظور رسیدن به فرم مطلوب پیکربندی مبدل انجام دادند.[2] پادت - 2008 - تغییرات پلهای دمای ورودی سیال فرایندی و سپس تغییرات پلهای دمای ورودی هر دو جریان - آب و هوا - را به عنوان مساله مورد بررسی برگزید.
مولر و همکاران - 2011 - اثر تغییرات ناگهانی دمای دو سیال خنک کننده و فرایندی بر رفتار مبدل حرارتی را با نوشتن معادلات حاکم بر مسئله و با بدون بعد کردن آنها بررسی کردند.
اثر تغییر دبی ها و دماهای ورودی برعملکرد مبدل را رانونگ و راتلز - - 2000 در قالب رفتار دائم و غیر دائم دو مبدل کوپل شده بررسی نمودند.همچنین رفتار غیر دائم مبدلهای حرارتی براثر تغییر پله ای دما و دبی سیال توسط اینکروپرا و همکارانش - 2011 - بررسی شد.
در پژوهش حاضر مبدل حرارتی E-652 پالایشگاه اراک با معلوم بودن پارامترهای دبی و دمای سیال و هوای ورودی به مبدل، آرایش، ابعاد و جنس تیوبها شبیه سازی شد. تلاش بر این بود که پارامترهای ترموهیدرولیک و خصوصا توزیع دما در تیوبها بدست آمده و محلهایی که تحت تنش حرارتی قرار دارند مشخص شوند. تغییرات جریان هوا در ورودی فن ارزیابی شده و رژیم جریان مورد تحلیل قرار گرفت.
برای این منظور با استفاده از معادلات حاکم بر جریان سیال - معادلات پیوستگی، مومنتم و انرژی - و استفاده از روشهای عددی؛ جریان سیال و انتقال حرارت در مبدل تحلیل شد و مشخصههای جریان به ویژه تغییرات توزیع دمای ایجاد شده در بخش های مختلف تیوبهای مبدل که ناشی از تفاوت دما و دبی جریان هوا میباشد بدست آمد. به دست آوردن توزیع دما در تیوبها به منظور نزدیک شدن به توزیع دمای یکنواخت تیوبها و در نتیجه کاهش تغییر شکلهای ایجاد شده هدف اصلی این پژوهش بود. از دیگر اهداف پروژه می توان به بدست آوردن یک دیدگاه تحلیلی و علمی از توزیع دما و جریان سیال روی تیوبهای یک مبدل حرارتی هوایی و ارائه پیش نیازهایی برای تحلیل های آینده روی این گونه مبدلها در خصوص تنش های حرارتی اشاره نمود.
-2 معادلات حاکم
شبیه سازی مبدل حرارتی E-652 پالایشگاه اراک با معلوم بودن پارامترهای زیر انجام شد.
الف- Tiدمای ورودی سیال به مبدل - متغیر در یک دامنه تغییرات دمایی کم -
ب- کلیه مشخصات دیگر سیال به جز دما در ورودی شامل دبی، چگالی و... ثابت بودند.
ج- T1دمای ورودی هوا به مبدل - دمای محیط - متغیر با شرایط جوی در یک دامنه تغییرات دمایی قابل ملاحظه - -
د- Pi فشار ورودی سیال به مبدل - ثابت -
ه- هندسه، آرایش و ابعاد تیوب
و- جنس تیوب
ز- دبی هوای ورودی تولید شده توسط فنها - با خاموش و روشن کردن تعدادی از فنها، مقدار دبی هوا متغیر خواهد بود. -
ح- To دمای سیال خروجی - متغیر و وابسته به دبی هوا، دمای هوای ورودی و دمای سیال ورودی -
معادلات حاکم به فرم برداری :
در این معادلات سرعت، دما، فشار و خواص حرارتی و دینامیکی سیال به طور همزمان در میدان جریان سیال به دست آمده و نتایج توسط پارامترهای بی بعد مانند عدد رینولدز نمایش داده می شود.
-3 روش پژوهش
-1-3 مدل هندسی
برای ایجاد مدل هندسی در این پژوهش، سطح مقطع هندسه که به صورت دایره بود با آرایش مثلثی در محیط دو بعدی - - 2D ترسیم شد و سپس در محیط سه بعدی و با استفاده از صفحات کاری در مدلسازی و انتخاب حالت صفحهای که از سه نقطه میگذرد انتهای هر تیوب در یک ردیف به انتهای تیوب دیگر در ردیف پایینتر به کمک تکنیک sweep متصل شد.
