بخشی از مقاله
چکیده
از بین تمامی وسایل قابل نصب در یک مبدل حرارتی نوارهای مارپیچ عملکرد بهتری در میزان افزایش انتقال حرارت و افت فشار داشته که یکی از راه هایافزایش انتقال حرارت استفاده از این نوارها در داخل لوله است. در این پروژه به بررسی انتقال حرارت گذرایآب در یک مبدل حرارتیمجهز به نوار مارپیچ پیوسته و منقطع در نرم افزارANSYS CFXبه صورت سه بعدی شبیه سازی شده در نظر گرفته شده و تأثیرسرعت سیال و حضور نوار در هر دو حالت پیوسته و منقطع بر انتقال حرارت در لوله مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
با بررسی نتایج در مورد سیال آب مشخص شد که استفاده از لوله حاوی نوار منقطع نسبت به لوله خالی و لوله حاوی نوار پیوسته موجب افزایش انتقال حرارت و افت فشارکمتر می شود اما لوله حاوی نوار پیوسته به علت ایجاد مقاومت و افزایش سطح تماس باعث افزایش افت فشار سیستم می شود.در واقع تغییرات سرعت سیال تأثیر قابل توجهی برروی افت فشار،انتقال حرارت و رفتار سیال دارد. درسرعت های کمتر میزانافزایش انتقال حرارت بیشتر است.
-1مقدمه
انتقال حرارت یکی از مباحث کلیدی و حیاتی در صنایع فرآیندی است به طوری که هر گونه تغییر در آنمی تواند بخش های دیگری چون واکنش های شیمیایی درراکتورها و نیز جدا سازی مواد را در برج هایتقطیر را تحت تأثیرقرار دهد.شرط انتقال حرارت اختلاف دما است. از طرف دیگر، این مسأله با توجه به تنوع ابعاد و تعداد زیاد مبدل های حرارتی،در سرمایه اولیه فرآیند سهم بسزایی داردو با توجه به تبادل انرژی و نیاز به تأمین منابع انرژی مختلف درهزینه های جاری نیز یکی از مهمترین نقش ها را ایفامی- کند.نوار های تابیده و نیز سیم پیچ ، هم از نظر اقتصادی و میزان کارآییو هم از نظر سهولت ساختو نصب لوله مبدل ها به عنوان بهترین گزینه ها مطرح بودنداساساً. نصب این وسایل در بهبود انتقال حرارت باعث چرخش جریان سیال می شوند.ازاین رو بهبودانتقال حرارت می تواند در هر دو بخش سرمایه اولیه و نیز هزینه های جاری بسیار تأثیرگذار باشد.
[1,2]یکی از راه های افزایش انتقال حرارت در داخل لوله های مبدل حرارتی بهکارگیری وسایل بهبود انتقال حرارت داخل لوله است از میان تمام این وسایل قابل نصب داخل لوله که درسال های اخیر مورد استفاده قرارگرفته نوار - مارپیچ - پیوسته و منقطعکارآیی بهتری داشتهاست.مبدل های حرارتی جدیدی که به همراه وسایل افزاینده انتقال حرارت در داخل لوله طراحی می شوند فشرده تر - کم حجم تر - از مبدل حرارتی با لوله ساده می باشند می تواند سبب جبران شدن هزینه افزایش افت فشار ناشی از به کار گرفتن این وسایل گردد. در واقع در یک عدد رینولدز داده شده با فراهم شدن ضریب انتقال حرارت بالاتر توسط یک وسیله افزایندهانتقال حرارت ضریب اصطکاک نیز افزایش می یابد بنابراین تحت شرایطی که ازاین وسایل استفاده می شود معمولا افزایش درافت فشاررا خواهیم داشت.
[3,4]بنابراین یک کاربرد مهم وسایل افزاینده انتقال حرارت استفاده وبه کارگیری مفید از افت فشاراست برخی معتقدند که استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت باعث افزایش افت فشار می شود دلیل این نتیجه تست گیری این است کهآنهاتست هایشان را در سرعت های مشابه انجام می دهند اما باید توجه کرد که افت فشار نسبت به سرعت حساس تر است تا نسبت به ضریب اصطکاک.دو فاکتور ضریب انتقال حرارت بالا و سطح انتقال حرارت بالا نرخ انتقال حرارت را برای یک اختلاف دمای داده شده افزایش میدهند. عمده افت فشار مازاد حاصله در صورت استفاده از نوار های مارپیچ در داخل لوله به دلیل اصطکاک سیال با سطح نوار می باشد لذا پیش بینی می گردد که کوتاه نمودن طول نوار میتواند به کاهش افت فشار کمک بسیاری نماید.[5,6]افزایش انتقال حرارت در یک لوله اصولاً به دلیل انسداد جریان ایجاد می گردد انسداد، میزان سرعت جریان را زیاد کرده ودر بعضی موارد با افزایش اثرات ویسکوزیته منجر به تولید جریان ثانویه قابل توجهی می شود.
جریان ثانویه نیز تماس حرارتی بهتری را بین سیال و سطح به واسطه ایجاد حرکت چرخشی و اختلاط جریان و در نتیجه بهبودگرادیان دمایی فراهم می کند که در نهایت باعث بالارفتن میزان ضریب انتقال حرارت می گردد.عملکرد و قیمت افزاینده دو فاکتور مهم که در افزایش انتقال حرارت و در انتخاب تکنیک مورد استفاده نقش اصلی را دارند. معمولاً نوار ها و حلقه های پیچشی به دیگر روش ها ترجیح داده شده و به کار گرفته می شوند چرا که روش هایی مانند سطوح گسترده قیمت بالایی داشته و استفاده از افزاینده های شبکه ای نیز افت فشار زیادی به همراه دارد.هزینه ساخت وسایل افزاینده انتقال حرارت در داخل لوله بسیار پایین می باشد و نصب آنها در داخل لولههای مبدل حرارتی به آسانی صورت می گیرد این وسایل برای افزایش توان عملکرد مبدل هایی که جریان در سمت لوله احتیاج به عملکرد حرارتی بالاتری دارند می توانند مورد استفاده قرار گیرند،
1-1 تئوری و پیشینه تحقیق
اگر چه نوار های تابیده در داخل لوله ها بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است ولی نوارهای تابیده منقطع کمتر مورد توجه بوده اند از بین تحقیقاتی که در این زمینه انجام یافته است می توان به پژوهش های پروفسور Date با همکاری Gaitonde و Saha در دانشکده مهندسی انستیتو فناوری هندوستان اشاره نمود که طی چند مقاله اشاره شده اند اولین مقاله که توسط آنها در سال 1988 ارائه گشت به بررسی مشخصه های افت فشار و انتقال حرارت این تجهیزات داخل لوله مدور پرداخت.[9]
-2 تشریح مسأله
در این پروژه سعی شده است بخش کوچکی از نحوه عملکرد یک مبدل حرارتی که در آن از ضمائمی مانند نوار مارپیچ پیوسته و منقطع استفاده شده است مورد بررسی قرارگیرد.در مطالعه ی حاضر سیال آب در فشار یک اتمسفر دردمای25℃با سرعت های مختلف - 1،5، - 10 متر بر ثانیه درلوله با دمای دیواره110℃جریان دارد روی سطح داخلی لوله هیچ گونه زبری در نظر گرفته نشده است. نوار مارپیج شکل1به طول 100 میلی متر، ضخامت 0.35 میلی متر ، عرض 2.90 میلی متر می باشد این نوار در داخل لوله ای به طول 104 میلی متر ، قطر داخلی 10.50میلیمتر می باشد که شماتیک آن در شکل2 ارائه شده است.
