بخشی از مقاله
چکیده
نحوه تبادل حرارت در سامانههاي برودتی و حرارتی و بررسی آن از مباحث عمده درحوزه مهندسی مکانیک است. با توجه به ارزش روزافزون انرژي و نیاز به ارتقاء بهره وري گرمایی تجهیزات و نیز کاهش انرژي تلف شده در دستگاهها، بازشناسی پدپدههاي نو در انتقال گرما اهمیت بسیار دارد. اثربخشی شیوههاي بهبود انتقال گرما اغلب به مدد سطوح توسعه یافته عملی است.
مقاله حاضر پس از بازنمایی مفاهیم فیزیکی و برخی از فراسنجهاي بیبعد، به حل معادلههاي دیفرانسیل حاکم و شرایط مرزي مختلف درروند شبیهسازي یک سامانه حرارتی با سطوح توسعهیافته کوپل شده با برج خنک کن، پرداخته است. بمنظور بررسی جریان با رژیم آرام درون مبادلهکنهاي گرمایی با هدف پیشگرمایش سیال مورد نیاز بخش دیگري از واحدهاي صنعتی، تحلیلهاي عددي مناسب به خود را طلبیده و اغلب مطابقتهاي نسبتاً دقیقی را درحوزه هاي تجربی و نظري دربرداشته و و نتایج کاربردي مطلوبی را از خود نشان میدهد.
مقدمه
برجهاي خنککننده اعم از مرطوب و خشک حرارت تلف شده به وسیله دستگاه را به کمک مکانیزمهاي مختلفی شامل افزایش حرارت هواي اطراف، تبخیر بخشی ازآب در حال گردش در سیستم، افزایش دماي مخزن طبیعی آب جمع آوري سرد شده به محیط منتقل میشود.
برجهاي خنککننده یک سیستم توزیع و پخش آب گرم دارند که آب را به صورت یکنواخت روي یک شبکه کاري مشبک از تختههاي افقی نزدیک به هم - آکنه - میپاشد. آکنهها آب سرازیر شده از بالاي برج را با هوایی که از میان آنها حرکت میکند، کاملاً مخلوط کرده به طوريکه آب به صورت قطرهاي از یک آکنه به سطح آکنهاي دیگر به مدد نیروي ثقل خود سرازیر میشود. هواي بیرونی از طریق منافذ میله مانند افقی واقع در اطراف برج وارد می شوند. در اثر اختلاط آب و هوا، انتقال حرارت صورت گرفته و در نتیجه آب سرد میگردد. آب سرد شده در حوضچه بتنی که در انتهاي برج قرار دارد؛ جمع آوري شده و سپس به طرف کندانسور پمپ میشود. اکنون هواي مرطوب و گرم از بالاي برج خارج میگردد.
پرکاربردترین مبدل گرمایی که از چیدمان خاص و پیکره بندي متنوع دسته لوله ها تشکیل شده است؛ در آن یک شاره از درون لوله ها و سایرشاره ها در جهت عمود بر این لوله ها در گذرند. مجموعه لوله ها به دو دسته خطی - ردیفی - و یک درمیان - مثلثی - آرایش می یابند. در اینجا لوله ها با چیدمان خطی افت فشار کمتري دارند و انتقال گرماي آن ها ضعیفتر می باشد. این عامل صرفاً به این دلیل است که شارش در مجاري با نواحی پرسرعت و در مرکز گذرگاههاي بین ردیفها صورت میگیرد.
لولههاي یک در میان - مثلثی - اختلاط خوبی در شارش روي دسته لوله ایجاد میکنند، لیکن افت فشار بیشتري بههمراه دارند.
سطوح توسعه یافته - پره دار - در مقاصدي مفیدند که ضریب انتقال گرما، خیلی بزرگتر از ضریبی باشد که به آسانی از شاره دیگر حاصل می شود. اتلاف اصلی فشار از تلاطمی منجر می شود که در اثر تغییرات سریع سطح مقطع مجراي شارش ناشی از چگونگی آرایش در جهت جریان به وجود آید. اگر لولهها خیلی نزدیک بههم باشند، بهطوریکه شعاعهاي هیدرولیکی مجاري مختلف نسبتاً یکدست باشد؛ توزیع سرعت نیز در حد قابل قبولی یکنواخت خواهد بود. در این وضعیت افت فشار و ضریب انتقال گرما را میتوان با تعیین قطر معادل مجرا از روي محیط ترشونده و سطح شارش، به خوبی تخمین زد.
نمونه، کاربرد و مشخصهها
اینکه چه ضرورت هایی موجب میشود تا به منظور پیش گرمایش در صنایع شیوههاي متنوع تأمین سطوح توسعه یافته در مبدل هاي گرمایی به کار گرفته شوند، دلایل متعددي وجود دارد. براي نمونه در شرایطی که دست اندرکاران صنعت با مبدل هایی سروکار دارند که در لوله هاي آن سیالی با گرانروي بالا جریان دارد، معمولاً با کاهش ضریب انتقال گرما در لولهها مواجهاند که نتیجه آن راندمان گرمایی پایین مبدل می باشد. به عنوان نمونه؛ یکی از کارکردهاي استفاده از وسایل افزاینده انتقال گرما، مبدلهاي پالایشگاهی در مجاورت نیروگاههاست که با ارزیابی کاربرد آن به کمک برجهاي خنککننده نتایج مطلوبی را به همراه دارد. متعاقب آن نیز، این تکنیک در سایر پیشگرمکنهاي صنعت نفت به منظور تقویت آنتالپی هواي سوخت و یا تأمین بخار مورد نیازحلقه واحدهاي پالایشگاه با اعمال اصلاحاتی که میتوان ایجاد نمود، مطرح و بکار گرفته میشود.
در مسیر شناخت پدیده که از بازشناسی رفتار سیال سرویس و فرآیند نشئت میگیرد و اعمال برخی تمهیدات خاص، میتوان ضریب انتقال گرما را افزایش و افت فشار را کاهش داد. در این مقاله جریان سیال و مؤلفه هاي انتقال گرما در شرایط انواع آرایش لوله هاي چند ردیفه با پره هاي تخت صفحه اي که در مسیر بخارات داغ خروجی از برجهاي خنککننده قرار گرفته است، مورد مطالعه قرار گرفته اند. فرضیات در این بررسی، ضمن فرض تراکم ناپذیري سیال، آرام بودن جریان و نگرش سه بعدي در مدل، اجزاء هندسی مطرح شامل آرایه لولهها، تعداد ردیف، فاصله پرهها، تراکم و چگالی پرهها میباشد.
در مطالعه حاضر، تراکم پره ها بر اساس 8 الی 12پره در هر اینچ در نظر گرفته شده و محدوده جریان آرام در حدود عدد رینولذر600 تا900 می باشد. نتایج مفید حاصله مربوط به ضریب انتقال گرماي متوسط آرایش مثلثی در مقایسه با آرایش گام هاي خطی - ردیفی - ، 15 الی 27 درصد بیشتر می باشد. این در حالی است که افت فشار با چیدمان مثلثی از آرایش خطی - ردیفی - 20 الی25 درصد بیشتر است. مطابق و متناسب با افزایش تعداد ردیف هاي لوله از1 به 6، عدد ناسلت متوسط کاهش می یابد.
زمانیکه تعداد از 6 تجاوز کند، تعداد ردیف، اثرات کمتري بر ضریب انتقال گرما متوسط خواهد داشت. نتایج عددي براي ضریب انتقال گرمایی متوسط و افت فشار، با اندازهگیريهاي تجربی در این مقاله مطابقت دارند.
پره هاي صفحه اي مسطح که در برگیرنده لوله هاي حامل خوراك پالایشگاه است، در گستره متنوعی از کاربردهاي مهندسی در صنایع و در مبدل هاي گرمایی کارا می باشد. ضمن اینکه این تکنیک در واحدهاي تهویه هوا، گرم کن ها و خنککنندههاي با شارش گاز، خنک کننده هاي کمپرسورهاي میانی و برونی مورد استفاده است؛ در سیستم هاي مولدجریان برق نیز کارا میباشد. در مواردي که کوره ها نیز فاقد بخش جابجایی می باشد؛ روش مزبور که پیکربندي پربازدهی را در مبدلهاي گرمایی تضمین می نمایند، می تواند درنقش دیگ بخار، تأمین کننده ي بخار آب اشباع و فوق اشباع نیز باشد که از این طریق امکان حداکثر شدن بازیابی انرژي حاصل میشود.
معمولاً در یک دسته از لوله ها که در پره هاي مشترکی سهیم هستند، مایع در داخل لوله ها جریان داشته و گاز از طریق کانال هایی که توسط پره هاي نزدیک به هم تشکیل شده اند، در اطراف دسته لوله هاي جریان می یابد. انتقال گرما میان گاز، پره ها و سطوح لوله هاي توسط ساختار سه بعدي جریان مشخص می شود. در انواع جریان هایی که بر اساس سرعت متوسط و قطر هیدرولیکی کانال عدد مشخصه رینولذر آن کمتر از2000 باشد، حرکت را می توان به صورت آرام و لایه اي در نظرگرفت.
تاکنون مطالعات بسیاري در مورد ویژگیهاي افت فشار و انتقال گرما در جریان متقاطع براي دسته لولههاي عریان - فاقد فین - صورت گرفته است. بیشتر مطالعات اولیه، به صورت تجربی در طبیعت انجام شده و توسط زوکاسکاس مرور کاملی ارائه شده است.
به منظور شبیه سازي عددي دو بعدي براي تحلیل جریان - یک دسته لوله عریان - ، تام و اپلت از تکنیک هاي ترسیمی انطباقی استفاده نمودند.[2] لیکن فیوور[3]، براي بدستآوردن تحلیل عددي یک دسته لوله ردیفی با دماي دیواره یکنواخت، شبکه غیر یکنواخت دکارتی را به کارگرفت. لاندر و ماسی[4] براي یک دسته لوله با چیدمان مثلثی از سیستم شبکه اي با پیوند قطبی- دکارتی استفاده کردند. همین روش را فوجی و همکارانش[5] براي چیدمان ردیفی مورد استفاده قرار دادند.
وونگ و چن[6]،[7]، سیستم مختصات متناسب مرزي را جهت مطالعه انتقال گرما، میدان جریان را براي هر دو آرایش ردیفی و مثلثی به کار گرفتند. در ادامه کاندو و همکارانش [8]،[9]،[10]، بطور تجربی و عددي انتقال گرما و فشار را در جریان متقاطع بر روي لوله هاي تعبیه شده میان دو صفحه موازي را مورد مطالعه قرار دادند. از آنجا که حوزه بندي جریان در شرایط دو بعدي قادر به پیشگویی و تحلیل انتقال گرما میان پره و سیال نیست؛ بنابراین شبیه سازي مرتبط با آن اصولاً داراي محدودهایی است.
دادههاي تجربی، درباره ي مبدل هاي گرمایی لولهاي با پره مسطح در برخی از مقالات درج و تاکنون قابل دسترسی است. سابویا و اسپارو [11]،[12]،[13]، از روش نفتالین جهت اندازه گیري ضرایب محلی درمبدل با پرههاي صفحه اي یک ، دو و سه ردیفه استفاده کردند. ریچ14]و [15، آثار تراکم پره، فاصله بین پرهها و کمیت ردیف لولهاي را با ترتیب مثلثی با پره هاي مسطح براي مبدل هاي گرمایی لولهاي را مورد بررسی قرار داده است.
اکثر این روابط بهمنظور پیشگویی ضریب کلبورن - J - ، ضریب اصطلکاك - f - و عدد رینولدز براي پره هاي ساده و صاف روي لولههاي با ترتیب مثلثی توسط مک کویستون[16]، گري و وب[17]، گسترش یافته اند. اطلاعات تجربی قابل دسترس از سال 1994 به بعد درکتابی توسط مک کویستون و پارکر[18]، مورد بررسی قرار گرفته اند. به دلیل پیچیدگی جریان سه بعدي میان پره ها، محاسبات عددي و تحلیل هاي وابسته به آن بسیار دشوار می باشد. براي سادگی محاسبات، یاماشیتا و همکارانش [19]،[20]، یک مدل مبنا متشکل از یک جفت صفحات موازي و تعدادي سیلندر که به صورت عمودي از درون صفحات عبور کرده است، استفاده نمودند. به طوریکه پرههاي تخت و مسطح متصل به لولهها را شبیهسازي کردند.
باستاین و همکارانش[21]، یک مجرا با مقطع دایره اي را به عنوان قلمرو محاسباتی به کارگرفتند. آن ها چنین فرض کردندکه جریان در شرایط مرزي براي شبیه سازي دامنه جریان و گرما، آرایشات لوله اي ردیفی، کاملاً گسترش یافتهاند. اخیراً، انتقال گرماي آشفته و آرام در اطراف دسته هاي لوله، توسط زدراویچ و همکارانش[22] بررسی شده است. ایشان اولین تحلیلگرانی بودند که شرایط مرزي Dirchlet و Neumann را به ترتیب براي المان محاسبه اي در مرزهاي ورودي و خروجی مورد استفاده قرار دادند.
