بخشی از مقاله
چکیده
از آنجایی که انتقال حرارت در داخل لولههاي مبدلهاي حرارتی از نوع پوسته-لوله که در آنها ضمائمی همچون نوارهاي تابیده به کار برده شده است، جذابیت زیادي در سالهاي اخیر یافته است، لذا در این تحقیق به بررسی تاثیر نوارهاي تابیده بر روي افت فشار و میزان انتقال حرارت در سمت لوله پرداخته شده است. براي این کار از نرم افزار شبیه ساز COMSOL بهره برده شده است.
میزان افت فشار و افزایش انتقال حرارت با کمک شبیه سازي پروفیلهاي دما، سرعت و فشار و بصورت شکل ارائه شده است. مقایسه بین لوله ساده بدون اینزرت و لوله حاوي نوار تابیده با نسبت چرخش y 6 =و لوله با نوار تابیده با نسبت چرخشy =7/2 انجام شد.
نتایج نشان می دهند که افت فشار در حالت لوله حاوي اینزرت حدودا 3 برابر لوله ساده می باشد . همچنین با بررسی شکلهاي بدست آمده توسط نرم افزار مشخص می شود که استفاده از نوار تابیده با نسبت چرخشy =7/2 افت فشار بیشتري نسبت به حالت y =6 ایجاد می کند هرچند که افزایش دماي سیال خروجی در حالت اول بیشتر از حالت دوم خواهد بود.
-1مقدمه
مهمترین مشکلات نوع مبدلها درصنعت،کاهش راندمان حرارتی دراثر عوامل مختلف از جمله تشکیل رسوب درروي سطوح آنها و خوردگی قسمتهاي مختلف آنها است. قرارگرفتن وسایل افزاینده انتقال حرارت - توربولیتر - در داخل لوله، باعث ایجاد اختلاط در جریان داخل لوله شده ودر نتیجه ضریب انتقال حرارت درلوله و در نتیجه بازده مبدل حرارتی افزایش می یابد و بطور همزمان باعث کاهش رسوبگذاري و ضخامت رسوب و در نتیجه کاهش مقاومت حرارتی می شود
بازده مبدلهاي حرارتی در صنعت نقش مهمی در صرفه جویی در انرژي دارد. در صنعت با درنظر گرفتن مصالح اقتصادي و صرفه جویی درانرژي، نیاز به طراحی مبدلهاي حرارتی با راندمان بالا احساس می شود. بالا بردن راندمان مبدل حرارتی هنگامی اهمیت پیدا می کند که همراه با آن به اندازة کوچکترمبدل و هزینه عملیاتی کمتر نیز می رسیم. براي کاهش اندازة مبدل با بار حرارتی مشخص، افزایش بار حرارتی مبدل موجود،کم کردن اختلاف دماي نزدیکی جریان دو سیال فرایندي یا کم کردن توان مصرفی پمپ ها روش هاي دمایی و سیالاتی مختلفی وجود دارند
براي رسیدن به اهداف بالا کم کردن مصرف انرژي - بهبود قانون اول ترمودینامیک - و کم کردن اختلاف دماي دو سیال - بهبود قانون دوم ترمودینامیک - براي استفاده بهینه از انرژي مهم هستند .هدف از بهبود انتقال حرارت رسیدن به شارهاي حرارتی بالا است که نتیجه آن کم شدن اندازة مبدل می شود یا در برخی موارد مشکلات انتقال حرارت سیال را بر طرف می کندکه در مورد مبدل ها هزینه ساخت کمتر خواهد شد. فایده دیگر این فناوري، کم شدن نیروي محرکه دمایی است که ازدیاد آنتروپی را کاهش می دهد و راندمان بر اساس قانون دوم ترمودینامیک افزایش می یابد. علاوه بر این بهبود انتقال حرارت باعث می شود که با سرعت کمتر سیال در مبدل ضریب انتقال حرارت بالاتري حاصل شود . یعنی می توانیم به افت فشار کمتري برسیم که باعث کم شدن هزینه عملیاتی می شود.
انواع مختلفی از وسایل افزاینده انتقال حرارت داخل لوله موجود میباشد که هر یک عملکرد مخصوص به خودشان را دارند.اینزرتها شامل، اینزرتهاي نوارپیچ، اینزرتهاي فنرپیچ، اینزرتهاي سطوح گسترده، اینزرتهاي شبکهاي و ... میشوند.
هندسه هاي متفاوتی از اینزرتها موجود هستند، اما نوارهاي تابیده و شبکههاي سیمی مرسومتر هستند. مبناي عمومی عملکرد آنها توسعه رژیم جریان و ایجاد انتقال حرارت آشفته در شرایط جریان آرام است. هر دو جریان آرام و توربولنت در مبدلهاي حرارتی پوسته- لولهاي مرسوم هستند. براي جریان توربولنت، مقاومت حرارتی غالب به لایه مرزي نازك آن محدود است.
بنابراین به نظر میرسد اینزرتهاي wire coil مؤثرتر باشند. زیرا آنها باعث اختلاط جریان در لایه مرزي ویسکوز نزدیک دیوار میشوند. براي جریانهاي آرام، مقاومت حرارتی غالب، به لایه مرزي محدود نیست. بنابراین اینزرتهاي نوارهاي تابیده که جریان توده را مخلوط میکنند مؤثرتر به نظر میرسند. به هر حال، اینها یک تحلیل ابتدایی بوده و فاکتورهاي دیگري نظیر نوع سیال نیز می تواند روي عملکرد موثر باشد. سیالات مختلف با اعداد پرانتل مختلف ممکن است ضخامتهاي متفاوتی از لایه مرزي داشته باشند، بنابراین انتخاب نوع اینزرت باید براساس بررسی عملکرد توأمان هیدرولیکی و حرارتی صورت گیرد
بهترین راه براي بررسی عملکرد این نوع تجهیزات استفاده از دادههاي آزمایشگاهی است. راه دیگر براي بررسی عملکرد اینگونه تجهیزات بهره گرفتن از دینامیک محاسباتی سیالات است که امروزه با گسترش و پیشرفت رایانههاي پرسرعت، به امري ساده و روزمره تبدیل شده است. نرمافزارهاي بسیاري در زمینه تحلیل دینامیکی سیالات وجود دارند که به صورت گسترده در کاربردهاي مختلف مهندسی مورد استفاده قرار میگیرند. از مشهورترین این نرمافزارهاي میتوان به نرمافزار پرقدرت FLUENT اشاره نمود. نرمافزار دیگر مورد استفاده نرمافزار CFX است.
نرمافزار COMSOL Multiphysics با وجود قدمت کم توانسته است جایگاه ویژهاي براي خود باز نماید. از جمله مزایاي این نرم افزار می توان به این موارد اشاره کرد:امکان تعریف هندسه مسأله در خود نرمافزار،امکان مشبندي بسیار سریع و راحت،امکان ترکیب دلخواه معادلات حاکم با همدیگر - مومنتوم، حرارت، جرم، واکنش و ... - ،امکان وارد نمودن معادلات حاکم در هر لحظه از کار با آن و ابزارهاي قدرتمند ترسیمی مانند Extrude که به آسانی میتوان جهت ترسیم هندسههاي پیچیده کمک گرفت.
البته ایرادهایی نیز به آن وارد است منجمله:سرعت حل پایین در مقایسه با سایر نرمافزارها،تنظیمات دشوار Solver جهت همگرایی،دشواري تعریف سطوح مشترك بین فازي،عدم دسترسی به بانک اطلاعاتی جامع خواص فیزیکی.
در این تحقیق، با کمک نرمافزاري COMSOL - نسخه - 3,4 اقدام به حل همزمان معادلات پیوستگی، حرکت در 3 بعد و نیز حرارت گردیده است.جهت این تحقیق، از لولهاي به طول تقریبی 25سانتیمتر و به قطر داخلی 2 سانتیمتر که سیال هوا در فشار اتمسفریک با سرعت یک متر بر ثانیه در آن جریان دارد استفاده شده است. روي سطح داخلی لوله هیچگونه زبري در نظر گرفته نشده است.
-2شبیه سازي
یکی از پارامترهاي مشخصه نوارهاي تابیده،نسبتپیچش3 آن است که به شکل رابطه زیر تعریف میشود:
در این قسمت مقایسه با لوله بدون اینزرتمورد بررسی قرار گرفته است. تحقیق تاثیراستفاده از نوار تابیده با 2 عدد نسبتپیچش متفاوت y = 6وy =7/2در پروفایلهاي سرعت، دما و فشار در مقایسه با لوله اي بدون اینزرتمورد بررسی قرار گرفت.
شکل 1 جزئیات نوارهاي تابیده را بصورت شماتیک نشان می دهد. همچنین اطلاعات سیال، نوار تابیده و لوله در جدول شماره 1 آورده شده است. روي سطح داخلی لوله هیچگونه زبري در نظر گرفته نشده استو شرایط بر روي دیواره لوله No-Slipفرض شده است. دیواره لوله در معرض شار حرارتی ثابت به 5w/m2 می باشد.
شکل . 1 تصویر شماتیکی جزئیات اینزرت نوارتابیده
جدول . 1 اطلاعات مربوط به مشخصات سیال، لوله و نوار تابیده استفاده شده در شبیه سازي
