بخشی از مقاله
چکیده
لولههاي مارپیچ سطح جانبی بزرگتري نسبت به لولههاي ساده داشته و به همین دلیل در شرایط یکسان حرارت بیشتري را نسبت به این لولهها انتقال میدهند. امروزه استفاده از این لولهها در بخشهاي مختلف صنعت به ویژه صنایع داروسازي رواج زیادي یافته است. مطالعه حاضر با استفاده از حل عددي و در شرایط ناپایا به تخمین عدد ناسلت سطح بیرونی این لولهها و نیز محاسبه تغییرات دمایی سیال داخل مخزن در طول زمان میپردازد. در این مطالعه لوله مارپیچ در داخل یک مخزن که داراي سیال ساکن سرد میباشد، به صورت عمودي قرار گرفته و با عبور جریان سیال گرم از داخل لوله، انتقال حرارت بین دو سیال صورت میپذیرد.
براي انجام مطالعه حاضر از 27 لوله مارپیچ با هندسههاي مختلف استفاده شده است. هندسه مسئله با استفاده از نرم افزار گمبیت نسخه 2,3,16 به صورت سه بعدي شبیه سازي شده و معادلات انرژي، مومنتوم، پیوستگی و اغتشاش با استفاده از نرم افزار فلوئنت نسخه 6,3,26 براي هندسه مورد نظر حل شدهاند. نتایج به دست آمده از روش عددي مورد استفاده قرابت مطلوبی با نتایج ارائه شده پیشین داشته و نشان میدهد که عدد ناسلت دیواره خارجی لولههاي مارپیچ در شرایط ناپایا نیز همچون شرایط پایا تابعی از عدد رایلی است. نتیجه کسب شده مهم دیگر تغییرات خطی دماي بی بعد سیال داخل مخزن با تغییرات زمان است.
واژگان کلیدي: مبدل حرارتی پوسته و لولهاي، لوله مارپیچ، عدد ناسلت، دماي بی بعد
.1 مقدمه
مبدل هاي حرارتی لوله مارپیچ دسته اي از مبدل هاي لوله اي هستند که در ساختمان آنها از لوله هاي مارپیچ به جاي لوله هاي ساده استفاده شده است. این مبدل ها داراي انواع مبدل هاي دو لوله اي و پوسته و لوله اي هستند. لوله هاي مارپیچ به سبب داشتن سطح جانبی بزرگتر، داراي بازده حرارتی بیشتري بوده و به همین دلیل مبدل هاي حرارتی لوله مارپیچ موارد مصرف بیشتري را در صنعت دارا می باشند. از این لوله ها به ویژه در صنایع دارویی براي فراهم آوري دماي مناسب ترکیبات شیمیایی استفاده می شود. علاوه بر آن این لوله ها در صنایع شیمایی، و سیستم هاي تهویه و بازیابی گرما کاربرداهاي فراوانی دارند 1] و 2 و.[3 به دلیل اهمیت این لوله ها در صنعت، تاکنون مطالعات بسیاري بر روي ویژگی هاي انتقال حرارتی این لوله ها انجام یافته است که غالبا به بررسی عدد ناسلت دیواره داخلی این لوله ها پرداخته اند.
هر چند در تعداد محدودي از مطالعات انجام یافته انتقال حرارت جابجایی آزاد سطح بیرونی این لوله ها مورد بررسی قرار گرفته است اما به جرات می توان بیان نمود که تاکنون مطالعه درخوري در زمینه بررسی انتقال حرارت ناپایا از سطح بیرونی این لوله ها انجام نیافته است. به طور کلی اولین فردي که به بررسی انتقال حرارت جابجایی سطح بیرونی این لوله ها پرداخت علی بود. وي در سال 1994 با انجام آزمایش هایی به محاسبه عدد ناسلت جابجایی آزاد دیواره خارجی لوله هاي مارپیچ در شرایطی که جریان آشفته در درون لوله وجود داشت پرداخت .[4]ژین و عبادین نیز به انجام آزمایش هایی براي محاسبه عدد ناسلت دیواره خارجی لوله هاي مارپیچ در مجاورت هوا پرداختند.
در آزمایش هاي انجام یافته توسط این دو محقق جریان سیال داخل لوله، آرام بود. در این آزمایش ها از سه هندسه مختلف براي لوله هاي مارپیچ استفاده شد و نتایج به دست آمده نشان می داد که اعداد ناسلت محاسبه شده براي لوله هاي عمودي با اعداد ناسلت محاسبه شده براي لوله هاي افقی در شرایط یکسان تفاوت چشمگیري دارند .[5]در مطالعه اي دیگر در سال 1997 علی آزمایش هایی را بر روي لوله هاي مارپیچ افقی که هوا در حالت آرام در آن ها جریان داشته و دیواره ها تحت شار هاي مختلف گرمایی قرار گرفته بودند، انجام داد. وي بیان کرد که با افزایش تعداد دورهاي لوله مارپیچ مورد استفاده عدد ناسلت متوسط کاهش می یابد. همچنین با بررسی نتایج به دست آمده، رابطه اي براي به دست آوردن عدد ناسلت این لوله ها ارائه شد که مستقل از مقدار شار گرمایی وارده بوده و فقط تابعی از عدد رایلی است .[6]
وي در سال 2004 با استفاده از شرط مرزي شار حرارتی ثابت و استفاده از مقادیر مختلف براي شار حرارتی دیواره و نیز استفاده از لوله هایی با تعداد دورهاي متفاوت یک رابطه کلی براي عدد ناسلت جابجایی آزاد دیواره بیرونی لوله هاي مارپیچ عمودي ارائه نمود. رابطه مذکور عدد ناسلت را به صورت تابعی از عدد رایلی نشان می داد .[7]دو ویژگی اساسی در تمامی مطالعات مذکور و نیز سایر مطالعاتی که به بررسی انتقال حرارت جابجایی آزاد این لوله ها پرداخته اند، مشاهده می شود که عبارتند از: پایا بودن انتقال حرارت و استفاده از شرط مرزي شار و یا دما ي ثابت براي دیواره بیرونی لوله مارپیچ. مطالعه حاضر با هدف رفع دو کاستی موجود انجام یافته و به مطالعه تغییرات عدد ناسلت سطح بیرونی این لوله ها در شرایط پایا و بدون استفاده از شرط مرزي خاص پرداخته است.
.2 روش شناسی
هندسه یک لوله مارپیچ در شکل 1 نشان داده شده است. طول کلی این لوله ها با استفاده از رابطه 1 و عدد رینولدز بحرانی آنها با استفاده از رابطه 2 محاسبه می گردد. بدیهی است که اگر عدد رینولدز سیال داخل لوله بیش از عدد رینولدز بحرانی باشد جریان در داخل لوله آشفته و در غیر این صورت آرام خواهد بود. اعداد رینولدز سیال داخل لوله در تمامی نمونه هاي مطالعه حاضر در بازه 100000-10000 می باشند و بنابراین در تمامی نمونه هاي حل شده جریان داخل لوله آشفته است.در مطالعه حاضر شبیه سازي هندسه و نیز شبکه بندي آن با استفاده از نرم افزار گمبیت نسخه 2,3,16 انجام پدیرفته است.
هنسه شبیه سازي شده سه بعدي بوده و شامل یک مخزن، که به دلیل کاهش حجم معادلات به شکل یک استوانه توخالی در نظر گرفته شده، و نیز یک لوله مارپیچ عمودي می باشد. جریان سیال گرم در ارتفاع بالا وارد لوله مارپیچ شده و به مبادله حرارت با سیال سرد داخل لوله می پردازد و در ارتفاع پایین از لوله خارج می گردد. دما و دبی سیال گرم ورودي به داخل لوله همواره ثابت است اما به سبب وجود سیال سرد ساکن در داخل مخزن این سیال با گذشت زمان دچار تغییرات دمایی می گردد. بدیهی است که هرگاه دماي سیال داخل مخزن به دماي سیال ورودي به لوله برسد عملکرد مبدل حرارتی مورد نظر خاتمه خواهد یافت. شکل 2 هندسه مبدل حرارتی شبیه سازي شده را نشان می دهد.
در مطالعه حاضر براي هر یک از قطر و گام منحنی مارپیچ و نیز قطر لوله از سه مقدار مختلف استفاده شده است.بنابراین در مجموع، 27 لوله مارپیچ با هندسه هاي مختلف به کار برده شده اند. مقادیر به کار برده شده براي گام و قطرمنحنی مارپیچ و قطر لوله در جدول 1 نشان داده شده است.
