بخشی از مقاله
چکیده
هدف از ارائه این مقاله دستیابی به بیشترین بازیافت حرارتی در مبدل هاي حرارتی صفحه اي- فین دار با آرایش جریان موازي - همسو - با در نظر گرفتن حجم و مساحت انتقال حرارت ثابت در یک اختلاف فشار معین براي هر جریان است. این مقاله روشی را براي انتخاب سطوح و طراحی مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار که در آن بیشترین افت فشار مجاز در یک حجم و سطح انتقال حرارت ثابت مورد استفاده قرار بگیرد، ارائه می کند. در این مقاله از بین مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار متعددي با داشتن اختلاف در نوع فین، هندسه فین و ابعاد مبدل حرارتی - طول، عرض و ارتفاع - مبدل هایی را انتخاب می کنیم که شرط حجم و سطح انتقال حرارت ثابت را ارضاء می کند.
با اعمال شرایط در نظر گرفته شده و مدل سازي حرارتی و هیدرولیکی دماهاي خروجی هر جریان را در هر مبدل حرارتی می توان به دست آورد. مبدل حرارتی که داراي بیشترین دماي خروجی جریان سرد باشد را به عنوان بهترین مبدل حرارتی از دیدگاه بازیافت حرارتی انتخاب می کنیم. در این تحقیق از یک پیش گرم کن متداول یک نیروگاه توربین گاز که از نوع مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار است، به عنوان مطالعه موردي براي اعمال روش ارائه شده استفاده شده است.
-1 مقدمه
از مبدلهاي حرارتی صفحهاي فیندار درصنایع مختلف به خصوص صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهی ،تبرید وغیره استفاده فراوان میگردد. ازمزیتهاي اصلی استفاده ازاین نوع مبدلهاي حرارتی، فشرده بودن آنها، وزن پایین وحجم اشغال شده کم میتوان نام برد. این نوع مبدلهاي حرارتی ازدستهاي ازصفحات تشکیل شده که روي یکدیگر چیده شده وبین آنها فین قرارداده میشود. یکی از پارامترهاي تاثیر گذار در نرخ انتقال حرارت و افت فشاردر مبدلهاي حرارتی، انتخاب صحیح این فینها میباشد.
انواع مختلفی از فینها با هندسه و خواص متفاوت دراین نوع مبدلهاي حرارتی استفاده میشود. طراحی مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار دو جریانی تقریبا در دسترس بوده و روش هاي مختلفی براي طراحی و تحلیل آن ها توسط محققین ارائه شده است - رك شاه، - 1999، - کیز و لندن، - 1984، - نیکنام و حجابی نجف آباد، - 2012 و - رك شاه، . - 2003گستره وسیعی از انواع فین ها نظیر فین هاي صفحه اي، کنگره اي، موجی، نواري و غیره در این نوع مبدل هاي حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد. برخی از محققین روش هایی را براي انتخاب سطوح حرارتی این نوع مبدل هاي حرارتی ارائه نموده اند. - کوول،
- 1990 یک روش کلی براي مقایسه انواع سطح انتقال حرارت ارائه نموده است. - کمپل و روشنف، - 1992 روشی براي انتخاب سطح بهینه جهت بدست آوردن کمترین حجم براي اینگونه مبدل هاي حرارتی ارائه کرده است. آن ها یک بازیاب حرارتی توربین گاز را به عنوان مطالعه موردي بررسی کرده اند. رهیافتی بر مبناي مفهوم شاخص عملکرد حجمی براي انتخاب سطح در مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار توسط - پیکون نونز و همکاران، - 1999 ارائه شده است شاخص عملکرد حجمی مذکور بیانگر کوچکتر بودن حجم مبدل حرارتی است. انتخاب سطح و استفاده از بیشترین افت فشار مجاز مبناي کار این محققین بوده است.
همچنین روش ها، الگوریتم ها و توابع هدف گوناگونی براي بهینه سازي این گونه مبدل هاي حرارتی توسط محققین ارائه شده است. - زارع و همکاران، - 2013 از روش بهینه سازي زنبور عسل براي بهینه سازي مبدلهاي حرارتی صفحه اي فین دار استفاده نمود. - ژي و همکاران، - 2008، - میشرا و همکاران، - 2009 و - میشرا و داس، - 2009 از روش ژنتیک آلگوریتم براي بهینه سازي مبدلهاي حرارتی صفحه فین دار استفاده کردند.تابع هدف آن ها به ترتیب کمینه سازي هزینه کلی سالیانه، کمینه سازي آنتروپی تولیدي و هزینه کلی سالیانه و در نهایت کمینه سازي هزینه نهایی ترمو- اکونومیک است.
- یو وهمکاران، - 2008 افت فشار و کمینه کردن وزن مبدلهاي حرارتی را به عنوان تابع هدف قرار داده و از روش بهینه سازي فازي براي این کار استفاده نموده اند. - صنایع و حاج عبداللهی، - 2009 از آلگوریتم NSCA -11 براي بدست آوردن بیشترین تاثیر پذیري و کمترین هزینه سالانه به عنوان دو تابع هدف استفاده نمودند. - نجفی و همکاران، - 2011 دو تابع هدف متفاوت یعنی نرخ انتقال حرارت و هزینه کلی سالیانه را در نظر گرفته و با استفاده از بهینه سازي دو هدفه به کمک ژنتیک آلگوریتم دسته جواب هاي بهینه را بدست آورده اند.
- حسینی راد و همکاران، - 1390 به روش دینامیک سیالات محاسباتی اثرات دامنه فین هاي موجی را بر میزان تغییرات ضریب انتقال حرارت و افت فشار جریان ها بررسی نموده اند. - دزفولی و محرابیان، - 1387 ضریب کلی انتقال حرارت را در مبدل هاي صفحه اي جریان مخالف محاسبه و تحلیل نموده اند. - صادقی و همکاران، - 1390 اثرات توزیع جریان بر رسوب گیري مبدل هاي حرارتی را به صورت عددي و با استفاده از صفحات مبدل هاي حرارتی با و بدون توزیع کننده هاي جریان مورد مطالعه قرار داده اند. - لیو، بی و ژو، - 2016 آن ها بهینه سازي نظري به توسعه یک مبدل حرارتی صفحه اي فین دار براي کند کننده هیدرولیک انجام دادند.
شبیه سازي CFD و بهینه سازي چند هدفه به منظور بهبود عملکرد مبدل حرارتی اصلی، که نمی تواند به نرم افزار مهندسی عملی اعمال شود را ترکیب کردند. - امین خان، لی، - 2016 یک روش بهینه سازي چند هدفه را ارائه کردند که ترکیبی از الگوریتم ژنتیک، تکامل دیفرانسیل و تطبیقی الگوریتم شبیه سازي آنالیزه می باشد. این روش براي تعمیم و بهبود استحکام الگوریتم ها و مبتنی بر سه جمعیت در نظر گرفته شده است.
- هاچستینر و همکاران، - 2016 بهینه سازي مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار - PFHEs - باتوجه به عنوان تابع هدف به حداقل رساندن واحدهاي تولید آنتروپی، توسط تطبیقی تکامل دیفرانسیل انجام دادند. - ون و همکاران، - 2015 پیکربندي فین هاي دندانه دار در مبدل حرارتی صفحه اي فین دار با الگوریتم ژنتیک همراه با روش سطح پاسخ کریجینگ بهینه شده است. - گوا، ژانگ، اسمیت، - 2014 چالش عمده در طراحی بهینه مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار چند جریانی تعداد زیادي از ترکیبات هندسه فین استاندارد انواع مختلفی از فین را انتخاب کردند، که جنبه هایی پیچیده براي یک شکل طرح در حال حاضر اضافه می کند.
- فرانکو و جیانینی، - 2005 تجزیه و تحلیل استفاده از نوع خاصی از مبدل حرارتی فشرده، - CHE - ، یک مبدل حرارتی صفحه اي فین دار - PFHE - ، مفهومی بر مبدل هاي حرارتی جریان متقابل است. این مقاله روش جدیدي براي انتخاب سطوح انتقال حرارت و طراحی مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار ارائه می شود. هدف این روش آن است که در یک مبدل حرارتی با حجم ثابت و مساحت انتقال حرارت ثابت، آن مبدل یا مبدل هاي صفحه اي فین داري که بیشترین بازیافت حرارت را با در نظر گرفتن بیشترین افت فشار مجاز ایجاد می کنند، بدست آورده شود.
منظور از بیشترین بازیافت حرارتی در واقع این است که بیشترین دماي خروجی براي جریان سرد و کمترین دماي خروجی براي جریان گرم بدست آید. مبناي اولیه این روش همان حجم ثابت هسته مبدل حرارتی و نیز مساحت انتقال حرارت ثابت است. با استفاده از یک آلگوریتم خاص آن دسته از سطوح ثانویه - فین - که شروط ثابت بودن حجم مبدل و سطح انتقال حرارت را ارضاء می کند، بدست آورده شده می شوند. اعمال شرط استفاده از بیشترین افت فشار مجاز و استفاده از مدل سازي هیدرولیکی و هندسی در این نوع مبدل هاي حرارتی، موجبات بدست آوردن ابعاد هسته - طول، عرض و ارتفاع - مبدل حرارتی را فراهم می نماید.
فرض حجم ثابت یک فرض هندسی است که در مورد این نوع مبدل هاي حرارتی رایج است. از آن جایی که این نوع مبدل هاي حرارتی در زمره مبدل هاي فشرده است و در بسیاري از کاربردها حجم اشغال شده توسط آن ها حائز اهمیت است بنابراین در این تحقیق به منظور مقایسه بهتر، حجم مبدل ها ثابت در نظر گرفته شده است. ضمن آن که شروط ثابت بودن سطح انتقال حرارت و نیز افت فشار به ترتیب به معناي ثابت بودن هزینه سرمایه گذاري و عملیاتی و در نتیجه هزینه کلی سالیانه مبدل حرارتی است.
می توان با دانستن نوع، هندسه فین ها و نیز ابعاد مبدل حرارتی و به کمک مدل سازي حرارتی، دماي خروجی جریان هاي گرم و سرد را بدست آورد. آن مبدل حرارتی که داراي بیشترین دماي خروجی جریان سرد و کمترین دماي خروجی جریان گرم باشد، به عنوان مبدل حرارتی که داراي بیشترین بازیافت حرارتی است، در نظر گرفته می شود. نوع جریان در این مبدل هاي حرارتی، موازي - همسو - در نظر گرفته می شود.
در مواردي که مبدل هاي حرارتی داراي بازیافت حرارتی نزدیک به یکدیگر باشند، عواملی دیگر نظیر مساحت سطح پیشانی و طول جریان می تواند باعث انتخاب یک مبدل حرارتی گردد. براي بررسی و تحلیل این روش از یک پیش گرم کن متداول در نیروگاه هاي گازي به عنوان مطالعه موردي استفاده و نتایج آن نمایش داده می شود. استفاده و نتایج آن نمایش داده می شود.
-2 انتخاب سطح
نماي کلی یک مبدل حرارتی صفحه اي فین دار دو جریانی از نوع جریان موازي - همسو - در شکل1 آورده شده است. یکی از مهمترین پارامتر هاي طراحی در مبدل هاي حرارتی صفحه اي فین دار، نوع و هندسه فین است. انواع گسترده اي از فین ها را می توان در این نوع مبدل هاي حرارتی مورد استفاده قرار داد که هر کدام مزایا و معایبی دارد.
یکی از منابع بسیار موثق و معتبر در مورد ویژگی فین ها که بر مبناي داده هاي آزمایشگاهی تنظیم شده، - کیز و لندن، - 1984 است که با وجود گذشت بیش از دو دهه از ارائه آن، کماکان مرجع اصلی بسیاري از مقالات علمی است. همچنین تلاش هاي زیادي توسط محققین مختلف براي پیش بینی عددي ضرایب انتقال حرارت و اصطکاك در سطوح ثانویه انجام گرفته است که در اغلب موارد سازگاري مناسبی با داده هاي آزمایشگاهی ندارد.
همچنین روابط اصلاح شده زیادي نیز بر مبناي همین داده هاي آزمایشگاهی توسط محققین ارائه شده است که در صنایع مختلف به خصوص آن هایی که داراي حساسیت بالایی نیستند، کاربرد زیادي دارد. براي کاربردهاي حساس و خاص که نیاز به دقت بسیار بالایی دارد بهتر است از آزمایش هاي مستقیم براي بدست آوردن پارامتر هاي مربوط به فین ها استفاده کرد. در این مقاله از داده هاي - کیز و لندن، - 1984 در مورد فین ها، مشخصات و هندسه آن ها استفاده می شود.
