بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی انتقال حرارت و همچنین افت فشار جریان سیال خروجی از مبدل حرارتی پوسته لوله در چهار نرخ دبی ورودی 0/5 ،1 ، 1/5 و 2 پرداخته شده است. از 7 لوله درون پوسته مبدل که دارای دمای ثابت 450 درجه کلوین میباشند، استفاده شده است. بر روی سطح لولههای بکار رفته در مبدل حرارتی شیارهای مارپیچ طراحی شده است.
سیال استفاده شده آب با دمای 300 درجه کلوین میباشد. شبیه سازی صورت گرفته با استفاده از نرم افزار انسیس ورژن 14 میباشد. برای شبیه سازی جریان آشقته در این هندسه از مدل k-e,relizable استفاده میگردد. برای شبکه بندی مدل ها از المانهای ترکیبی تتراهدارال، هگزاهدرال پیرامید و ودج استفاده شده است. نتایج نشان میدهد با افزایش دبی جریان انتقال حرارت کاهش، و افت فشار در طول مبدل افزایش میابد که این موضوع باعث کاهش راندمان مبدل حرارتی میشود.
.1مقدمه
مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال حرارت مؤثر بین دو سیال - گاز یا مایع - استفاده می گردد. در مبدل های حرارتی معمولاً دو سیال بدون تماس جرمی با یکدیگر تبادل حرارت می کنند. سیال سردتر در تماس با سیال گرم انرژی حرارتی گرفته و دمای آن بالا می رود و در عوض سیال گرمتر با از دست دادن حرارت، سرد می شود. این تبادل بر اساس اصول ابتدایی انتقال حرارت یعنی رسانش گرمایی و همرفت قابل توصیف است.
از رایج ترین مبدل های حرارتی رادیاتورخودرو و رادیاتور شوفاژ است. مبدل های حرارتی انواع مختلفی دارند که یکی از متداول ترین و پر کار برد ترین آن در صنایع مختلف از جمله صنایع شیمیایی، مبدل حرارتی لوله پوسته ای می باشد. این مبدل از یک پوسته ی استوانه ای شکل و تعدادی لوله درون آن تشکیل شده است - 1و2و. - 3 بیشتر از 35 الی40 درصد از مبدلهای حرارتی حاضر در صنعت را مبدلهای حرارتی پوسته لوله تشکیل میدهند، که به نوبهی خود اهمیت این وسیله را بالا میبرد.
در طی سالهای گذشته انواع مختلفی از بافلها در مبدلهای حرارتی پوسته – لولهای مورد استفاده قرار گرفته است، همواره هدف از ارائه طرحهای جدید این بوده که با وجود افزایش نرخ انتقال حرارت مبدل، مقدار افت فشار جریان سمت پوسته در حد معقولی باقی بماند. که متعاقبا کاهش هزینه پمپینگ و در نتیجه کاهش مصرف برق را به دنبال خواهد داشت.
رایجترین نوع این بافلها - بافلهای قطاعی - باعث میشوند که سیال درون پوسته در یک مسیر زیگزاگ و پرپیچ و خم از روی لولهها عبور نماید .این عامل که به علت افزایش یافتن توربولانس و یا به عبارتی اختلاط محلی جریان در سمت پوسته میباشد انتقال حرارت را افزایش میدهد ولی با این حال طراحی نامناسب این گونه بافلها، به دو دلیل باعث کاهش کارآیی مبدل خواهد شد. - - 4 -1 ضریب انتقال حرارت بسیار کم در نواحی سکون جریان1 محلی که بافلها به دیواره پوسته اتصال مییابند.
-2 جدایش جریان2 در لبه بافلها باعث ایجاد افت فشار زیادی در سمت پوسته میگردد. جدای از افت فشار بالا در مبدلهای پوسته لوله معمولی با بافلهای قطاعیعموماً نواحی مرده3 بین این دو بافل ایجاد میشود. این نواحی مستعد رسوب گذاری بوده، در نتیجه دورهی سرویس مبدل حرارتی کوتاهتر شده که از لحاظ اقتصادی هزینه بر است. علاوه بر این، الگوی جریان متقاطع در اینگونه مبدلها باعث میشود که دسته لولهها در معرض خطر نارسایی ارتعاشی قرار بگیرند - . - 5
آقای علیرضا صیادی و همکارانش در مورد تاثیر گام در لوله هایی با شیارهای مارپیچ به این نتیجه رسیدند که افزایش گام مارپیچ علاوه براینکه انتقال حرارت درواحدطول مبدل را کاهش میدهد باعث افزایش افت فشار واحدطول لوله مارپیچ و کارپمپ میشود درمجموع نتیجه گیری میتوان کرد که هرچه گام مارپیچ کمتر باشد و درعوض تعداددورهای مارپیچ بیشتر گردد انتقال حرارت بیشتر شده و فضایی که مبدل اشغال می کند کمتر میشود که ازنظر اقتصادی مقرون به است - . - 6
بهینهسازی مبدلهای حرارتی نیازمند یک دانش خوب از محل و میانگین ضریب انتقال حرارت که به قطر پوسته، برش بافل، فاصلهی بافل ها، گام لولهها، مسیر نشتی و فاصلهی بین سطح لوله وابسته است. نشتی جریان سرعت را در سمت مجموعه لوله کاهش میدهد. در صورت امکان، توانایی به تصویر کشیدن حوزهی جریان و دما در سمت پوسته میتواند محاسبهی نقاط ضعف را سادهتر کند. در نتیجه به طراح یک دید صریح و مستقیم میدهد . - 7 -
نرخ انتقال حرارت موجود در طراحی مبدلهای حرارتی بر مبنای وابستگی بین روش کرن و بل دلاور میباشد از روش کرن برای محاسبه افت فشار و ضریب انتقال حرارت مبدلهای پوسته لوله استفاده میکنند. این روش برای بافلهای 25 درصد مورد تایید بوده، در حالاتی که نشتی جریان بین لوله و بافل، بافل و پوسته وجود دارد، مناسب نیست.
این روش در رینولدزهای کم تر از 2000 کاربرد دارد، اما روش بل دلاور روشی دقیقتر در محاسبه افت فشار و ضریب انتقال حرارت میباشد. و نتایج دقیق تری ارائه میدهد. هرچند پیش بینی افت فشار و انتقال حرارت را با دقت بیشتری انجام میدهد. اما در نشان دادن ناحیهی ضعف ناتوان است در واقع ضعف را پیش بینی میکند. اما مکان ضعف را نمی تواند - . - 8
برای فهمیدن دلایل ضعف طراحی مبدلها باید پدیدهی جریان در مبدل به خوبی درک شود. اوزدن به طراحی یک مبدل حرارتی پوستهلوله با مدلسازی عددی، و بررسی اثر فاصله، برش، و قطر بافلها در میزان ضریب انتقال حرارت و افت فشار پرداختند. حوزهی دما و جریان با استفاده از بسته نرمافزاری سیافدی انجام دادند - . علاوه بر این اثر مبدلهای حرارتی با بفلهای مارپیچی بصورت تجربی در کاربردهای صنعتی به اثبات رسیده است. مبدلهای حرارتی با بفلهای مارپیچ ، بصورت تجاری توسط شرکت ABB LUMMUS در حال حاضر تولید میشوند و از جمله مزایای برجسته و مورد قبول آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد - 10 -
-1 بهبود میزان انتقال حرارت سمت پوسته در برابر افت فشار
-2کاهش افت فشار
-3 کاهش اثرات bypass
-4 کاهش رسوب سمت پوسته و ارتعاش ناشی از جریان
-2 مدل سازی ریاضی
1-2 ترسیم هندسه ی اولیه در نرم افزار انسیس
تمام پارامترهای مربوط به هندسهی مبدل در جدول یک نشان داده شده است. لازم به ذکر است هندسهی اولیه مربوط به یک مبدل آزمایشگاهی میباشد که توسط اندر اوزدن و همکاران مورد تحلیل قرار گرفته است.
