مقاله شبیه سازی عددی فرآیند رسوب در مبدل های حرارتی با استفاده از CFD

بخشی از مقاله

چکیده :

مبدلهای حرارتی بخش قابل توجهی از کل انرژی واحدهای صنعتی را تامین می نمایند، از جمله عوامل تأثیر گذار روی کارایی این تجهیزات ، فرایند رسوب گذاری می باشد .هدف از این شبیه سازی در واقع بررسی مکانیزم رسوب گذاری و پیش بینی ضخامت لایه رسوب با گذشت زمان می باشد چراکه این امر تاثیر قابل ملاحظه ای در مدیریت مصرف انرژی و کاهش هزینه ها دارد، لذا در این تحقیق تلاش شده است تا به کمک نرم افزار Fluent v.6.2.3 و کد نویسی به زبان C# و با استفاده از توابع UDF این شبیه سازی صورت گیرد . در محاسبات انجام شده مدلهای مربوط به رسوب گذاری در جریان موازی روی صفحه های تخت با استفاده از مدلهای اغتشاش k- در شرایط متفاوت سرعت ورودی مورد ارزیابی قرار گرفته است که مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق با نتایج تجربی هماهنگی خوبی از خود نشان می - دهد.

مقدمه

فرایند رسوب در صنعت از اهمیت ویژه ای برخوردار است با این وجود توصیف آنالیتیکی مکانیزم رسوب گذاری بسیار پیچیده است و تا کنون این امر امکان پذیر نبوده است و تمامی مدل - های ارائه شده تنها در شرایط تجربی به توصیف این فرایند می پردازند از طرفی این مشکل هر ساله سبب بروز خسارات مالی زیادی می شود به نحوی که هزینه های ناشی از این فرایند در کشورهای صنعتی در حدود ٍِ% تولید ناخالص ملی این کشورهاست ، بدین ترتیب در صورت پیش بینی ضخامت لایه رسوب با گذشت زمان می توان به میزان قابل توجهی هزینه ها را کاهش داد علاوه بر اینکه شبیه سازی عددی فرایند رسوب می تواند منجر به شناخت و درک بهتری از مکانیسم رسوب در مبدلهای حرارتی شود و لذا با این شناخت می توان به راههای بهتر و ارزانتر در رابطه با کنترل و پیشگیری از رسوب گذاری در شرایط عملیاتی دست یافت . شایان ذکر است که نتایج شبیه سازی با نتایج تجربی ] M.Bohnetٌَ[ مقایسه شد که رضایتبخش میباشد

تئوری

مکانیزمهای فرایند رسوب را میتوان به شش دسته تقسیم نمود که عبارتند از رسوب کریستالی، رسوب به علت وجود ناخالصی و ذرات، رسوب در اثر واکنش شیمیایی، رسوب در اثر خوردگی، رسوب بیولوژیکی و رسوب ناشی از سرد سازی یا انجماد. آنچه که بر پیچیدگی این فرایند میافزاید این است که عملاً در فرایند رسوب همواره بیش از یک مکانیزم را داریم با این حال با کنترل شرایط می توان مکانیزم معینی را مورد بررسی قرار داد، در این مقاله رسوب کریستالی سولفات کلسیم با توجه به اینکه ٍِ% هزینههای رسوب گذاری را به خود اختصاص می دهد جهت شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفته است

مدلهای اغتشاش

أمتسفانه هیچ یک از الگوهای تلاطم این قابلیت را ندارد که برای همه نوع مسئلهای در این مورد به کار رود. هنگام انتخاب الگوی تلاطم با دی ملاحظاتی را در نظر گرفت که عبارتند از قوانین فزییکی موجود در جریان, روش کاربردی برای هر یک از انواع مسائل خاص، میزان دقت مورد نیاز، منابع محاسباتی موجود و مقدار زمان موجود برا ی شبهی سازی برای انتخاب مناسبترین الگو برای ساختار مورد نظر، با دی قابلیتها و محدود یتهای گزینه های مختلف را با ضر یب همزمانی پارامترهای فوق برای سیستم تحت مطالعه دانست. سادهترین مدلهای کامل آشفتگی، مدل های دو معادلهای هستند.

در این معادلهها بعد از حل دو معادله انتقال به طور مجزا میتوان سرعت تلاطم و مقیاس طول را به طور مستقل تعیین کرد .الگوی k-ε استاندارد اسپالدینگ آن را پیشنهاد کردند تبدیل به کارآمد ترین الگو برای محاسبات جریان درمهندسی کاربردی شده است .

در این الگو می-توان انواع جریان های متلاطم را به طور منطقی، با دقت بالا وحالتی مقرون به صرفه اندازه گیری کرد . به همین دلیل است که در جریانهای صنعتی و شبیه سازی حرارت بسیار متداول شده است. این یک الگوی نیمه تجربی است و مشتق گیری از معادلات این الگو بستگی به آزمایش ها و پدیدههای مرتبط با آن ها دارد . مدل استاندارد k- الگویی است با مقادیر رینولدز بالا در حالی که در فرضیه RNG یک فرمول تفاضلی تحلیلی برای ویسکوزیته مؤثر منظور شده است که تأثیرات مقادیر اندک رینولدز را نیز رصد می نمایند.

مدل تحقیق پذیر  k- اخیراً توسعه داده شده است و از دو جهت مهم با مدل استاندارد k-تفاوت دارد :        

•    الگوی تحقیق پذیر  k- دارای یک فرمولاسیون جدیدی برای ویسکوزیته آشفتگی ناپایدار میباشد.        

•    یک معادله انتقال جدید برای نرخ اضمحلال تهیه گردیده است که برای مربع حسابی نوسانات گردابی به کار می رود .        

منظور از تحقیق پذیر آن است که این الگو مطابق با محدودیت  های ریاضی تنش های رینولدز وسازگار با ویژگی    های فیزیکی جریان های متلاطم است، در حالی که هیچکدام از دو الگوی استاندارد  k- و الگوی , RNG  k-  تحقیق پذیر نیستند. الگوی استاندارد  k- در دینامیک سیالات محاسباتی مبتنی بر الگوی ویلکاکس    k- است که تأثیرات کمینه رینولدز، میزان تراکم پذیری و گسترش جریان برشی اندکی در آن تغییر کرده است. در الگوی ویلکاکس سرعت گسترش جریانهای برشی آزاد پیش بینی می شود که با سنجش جریان دنباله، لایه های مختلط وجریان های سطحی، گرد و شعاعی مطابقت دارد . بنابراین می توان آن را برای جریان های برشی آزاد و جریانهای وابسته به جداره به کار برد.

مشخصات هندسی

شکل 1 نشان دهنده هندسه دو بعدی استفاده شده جهت شبیه سازی می باشد که در واقع حالت سادهای از جریان موازی در صفحه های تخت است این هندسه با توجه به کارهای تجربی M.Bohnet و همکارانش انتخاب شده است و برای مش بندی آن از المانهای مربعی استفاده شده سپس عملیات همگن سازی 3 با استفاده از روش Winslow روی آن انجام گردیده است.