بخشی از مقاله
چکیده
متداولترین نوع مبدلهای مورد استفاده در نیروگاه و پالایشگاههای صنعتی، مبدلهای پوسته و لوله میباشند. در مبدلهای مزبور، دو سیال با دماهای مختلف و به صورت کاملاً جداگانه، یکی در سمت لوله و دیگری از طریق پوسته اطراف لوله جریان دارند. کار حاضر به مطالعه وابستگی اثر حجم رسوب درون لولههای مبدل و میزان حرارت منتقل شده در سه حالت بدون رسوب، رسوب با ضخامت 0/03 سانتیمتر و رسوب با ضخامت 0/05 سانتیمتر میپردازد. همچنین به لحاظ ضرورت بررسی اثر اختلاط در میزان تبادل گرما، از پیکربندی چهار مبدّل مختلف دارای بفل در دیواره پوسته، بفلها در دیواره و وسط پوسته، بفلها در دیواره و وسط پوسته با چیدمان دایرهای و بفل مارپیچی استفاده شده است.
نتیجه بررسی نشان میدهد که به موجب ایجاد آشفتگی شدید سیال درون پوسته و ایجاد تماس بهتر با لولهها، یشینهب عملکرد حرارتی متعلق به مبدّل مجهز به بفلها در دیواره پوسته میباشد. متعاقب آن؛ کارایی حرارتی به ترتیب مربوط به مبدل پوسته و لوله دارای بفلهایی در دیواره، وسط پوسته و مجهز به بفلهای مارپیچی است. این در حالی است که مبدل دارای بفل در دیواره و وسط پوسته به فرم دایروی، کمترین کارایی حرارتی را دارا میباشد. علاوه بر رعایت شرایط سیال ورودی به داخل مبدل،با تمهید زمان اقامت بیشتر در مبدّل میتوان توزیع یکنواختتر جریان و اختلاط مناسب را رقم زد و به کمک تعبیه موانع و بفلهای مناسب میزان انتقال حرارت را افزایش داد.
واژههای کلیدی: مبدل پوسته و لوله، رسوب، بفل، دینامیک سیالات محاسباتی
-1 مقدمه
مبدلهای حرارتی جزء مهمترین و پرکاربردترین تجهیزات در صنایع گوناگون هستند و بنابر موارد کاربرد و میزان انتقال حرارت، مبدل های حرارتی تقسیم بندیهای متنوعی دارند. بدیهی است از آنجا که این تجهیزات به منظور تبادل حرارت مورد استفاده قرار میگیرند، راندمان و صحت عملکرد آنها تأثیر بسزائی بر هزینه انرژی مصرفی و کیفیت فرآیندها در صنعت دارد .[1] از جمله مبدلهای حرارتی پرکاربرد در صنعت مبدلهای لوله و پوسته میباشد. در مبدل پوسته و لوله، دو سیال با دماهای مختلف و به صورت کاملاً جداگانه جریان دارند. یکی از سیالها در سمت لوله و دیگری از طریق پوسته اطراف لوله جریان پیدا میکنند و از طریق ضریب انتقال حرارت بین پوسته و لوله بر روی یکدیگر تأثیر میگذارند.
پارامترهای موثر در طراحی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، قطر لوله، آرایش لولهها، فاصله بفلها و نسبت برش بفلها میباشد .[2] در این زمینه به منظور افزایش کیفیت عملکرد و بهبود بازده حرارتی این مبدلها مطالعات بسیاری صورت گرفته است. حسینی و همکاران تحقیق تجربی برای تعیین افت فشار و ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته یک مبدل پوسته و لوله با سه نوع لوله متفاوت به انجام رساندند .[3] وانگ و همکاران مطالعه تجربی پیرامون انتقال حرارت و کارآیی مقاومت جریان در سمت پوسته یک مبدل دو لوله-ای با ساختار جدید چند لولهای را ارائه داده است.[4] وانگ و همکاران تحقیق تجربی بر آب بندها در سمت پوسته یک مبدل لوله و پوسته را تحقیق نمودند .[5] اوزن و تاری مطالعاتی را بر روی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله به وسیله دینامیک سیالات محاسباتی انجام دادند .[6]
امروزه با پیشرفتهای صورت گرفته در صنایع و اهمیت روز افزون بهینهسازی سیستمهای حرارتی به منظور کاهش میزان تلفات حرارتی تحلیل اگزرژی، بکارگیری تئوری پینچ و الگوریتم های نوین کامپیوتری مانند دینامیک سیالات محاسباتی به شکل گستردهای برای افزایش کارآیی و یا تعیین نقاط ضعف سیستمها و یا کمینه کردن میزان تلفات حرارتی بکارگرفته می-شوند. در این زمینه مطالعات بسیاری صورت گرفته است. هاسلی و همکاران مطالعهای روی دمای آب خنک کاری اپتیمم در طی فرآیند چگالش بخار آب اشباع در یک کندانسور لوله و پوسته را انجام دادهاند.[7] وو و همکاران برای تشریح کارایی مبدل حرارتی، ضریب تأثیر انتقال اگزرژی را در حالتهای مختلف دمایی محیط تعریف کردهاند .[8]
از جمله مشکلاتی که مبدل های حرارتی همواره با آن روبرو هستند، تأثیر رسوب بر راندمان مبدل ها و به تبع آن هزینه های تحمیلی بسیار گزاف مرتبط با آن میباشد. در حال حاضر رسوب سالانه میلیاردها دلار بر هزینه تعمیرات مبدلهای حرارتی در سطح بین الملل میافزاید. در زمینه پدیده رسوب و کاهش آن در مبدلهای حرارتی مطالعات بسیاری صورت گرفته است، از جمله باترورث طراحی مبدل لوله و پوسته را بر مبنای وابستگی ضریب فولینگ به دما و سرعت محلی ارائه داده است .[9] والهوبر و همکاران روشهای آشکارسازی ضریب فولینگ در مبدلهای حرارتی صنایع غذایی را ارائه نمودهاند .[10] کولتی و همکاران پیش بینی تلفات حرارتی تصفیه روغن ناشی از پدیده رسوب در مبدلهای حرارتی را انجام دادهاند .[11] در این مطالعه به بررسی تأثیر رسوب در لولههای مبدلهای حرارتی پوسته و لوله پرداخته شده است.
-2 معادلات و روش حل عددی
انتقال حرارت در مبدل حرارتی پوسته لوله ای از طریق معادلات - 1 - ، - 2 - و - 3 - محاسبه میگردد .[12]
