بخشی از مقاله
خلاصه
حداقل نمودن هزینه یکی از پارامترهای اساسی در طراحی مبدل حرارتی است. در این تحقیق با استفاده از الگوریتم ژنتیک یک مبدل حرارتی پوسته و لوله پرهدار طراحی و بهینهسازی اقتصادی میشود. هزینهی هر مبدل حرارتی شامل دو قسمت هزینه اولیه - سطح حرارتی - و هزینه کارکرد - توان مصرفی برای غلبه بر افت فشار - است.
شش پارامتر به عنوان متغیرهای بهینهسازی در نظر گرفته شدهاند که عبارتند از: تعداد لولهها، طول لولهها، قطر لولهها، آرایش لولهها، نسبت گام لولهها و ضخامت پره. جهت تعیین افت فشار از روش ساده شده بل دلاور استفاده شده است.
در این روش نسبت برش دیوارکها %20 در نظر گرفته میشود. این تحقیق روشی کارآمد بر اساس الگوریتم ژنتیک جهت بهینهسازی اقتصادی مبدل حرارتی پوسته و لوله پرهدار ارائه میدهد.
.1 مقدمه
مبدلهای حرارتی پوسته و لوله از رایجترین مبدلهای مورد استفاده در صنعت میباشند. بنابراین حداقل نمودن هزینه یک مبدل حرارتی جهت صرفهجویی اقتصادی اهمیت بسیاری دارد. حدادی و همکاران [1] در تحقیقی با استفاده از تکنیک ICA به ارائه طراحی جدیدی از مبدلهای پوسته و لوله بر اساس نگاه اقتصادی پرداختند. در این تحقیق هدف به حداقل رساندن هزینه نهایی تجهیزات بود. طول لوله، قطر خارجی لوله، اندازه گام و فاصله دیوارکها پارامترهایی هستند که در این بهینهسازی مورد استفاده قرار گرفتند.
در این تحقیق ملاحظه شد که با استفاده از تکنیک ارائه شده هزینهها در تمام موارد مورد بررسی کاهش یافت. کاهش سرمایه ثابت هزینه شده به میزان % 6/1 و همچنین کاهش هزینه نهایی به میزان 53 % از نتایج مهم بدست آمده در این تحقیق در استفاده از تکنیک ICA در بهینهسازی طراحی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله است.
نعمتی و همکاران [2] تأثیر فاصله دیوارکها بر روی عملکرد مبدلهای حرارتی پوسته و لوله با دیوارک حلزونی را مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق ملاحظه شد که با کاهش فاصله دیوارکها گرادیان فشار افزایش مییابد. به عبارت دیگر اگر افت فشار اصلیترین پارامتر طراحی لحاظ شود زیاد شدن فاصله دیوارکها میتواند به میزان قابل ملاحظهای افت فشار و هزینه پمپ را کاهش دهد. در یک نرخ جریان جرمی یکسان و شرایط کاری مشابه، افزایش فاصله دیوارکها به کاهش ضریب انتقال حرارت منجر خواهد شد.
در یک گرادیان فشار یکسان، افزایش فاصله دیوارکها به ضریب انتقال حرارت بالاتر منجر خواهد شد. راجاسخار* و همکاران [3] در تحقیق خود به طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله با استفاده از نرمافزار CATIA پرداختند. لوله مدل شده از دو جنس برنج و مس انتخاب شد. آنالیز حرارتی مبدل حرارتی پوسته و لوله با استفاده از نرمافزار انسیس صورت گرفت.
نتایج تحقیق نشان داد بیشینه و کمینه دما برای لوله مسی به ترتیب 316 و 310 درجه سانتیگراد حاصل شد. بیشینه و کمینه دما برای لوله برنجی به ترتیب 318 و 308 درجه سانتیگراد استخراج شد و نهایتا این نتیجه حاصل شد که اگر لوله از جنس مس باشد انتقال حرارت بیشتری نسبت به زمانی که از جنس برنج باشد تبادل میشود.
موسس و همکاران [4] به بررسی اثر تغییرات جانمایی لوله بر عملکرد مبدلهای حرارتی پوسته و لوله پرداختند. در این پژوهش سه آرایش مثلثی 30 - درجه - ، مثلثی چرخشی 60 - درجه - و ترکیبی مورد مطالعه قرار گرفت. با حل معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی نتایج نشان داد که بیشترین انتقال حرارت و افت فشار در جریان متقاطع رخ میدهد.
همچنین ملاحظه شد که در یک افت فشار یکسان در سمت پوسته، آرایش 30 درجه بالاترین ضریب انتقال حرارت و آرایش 60 درجه کمترین ضریب انتقال حرارت را دارد. از مقایسه آرایش 30 درجه با دو آرایش دیگر میتوان گفت که میانگین انحراف ضریب انتقال حرارت نسبت به آرایشهای 60 درجه و ترکیبی به ترتیب % 11/2 و % 8/3 است. در حالیکه مقادیر افت فشار به ترتیب 16% و % 18/8 است.
گوا و همکاران 5] و [6 با مقایسهی بین هدایت الکتریکی و گرمایی و برقراری یک تناظر یک به یک بین مفاهیم گرمایی و الکتریکی، مفهوم جدیدی را تحت عنوان انترنزی معرفی کردند که توانایی انتقال حرارت یک جسم را توصیف میکند. بر اساس انترنزی، کارایی انتقال حرارت تعریف میشود و با توجه به کارایی، طراحی بهینهی مبدلهای حرارتی مورد بحث قرار میگیرد. همچنین دریافتند که در فرآیندهای برگشتناپذیر، انترنزی تلف میشود و توانایی انتقال گرما کاهش مییابد
به عبارتی دیگر تلفات انترنزی بیشتر، دلالت بر درجهی بالاتری از برگشتناپذیری در فرآیندهای انتقال حرارت دارد. بنابراین میتواند به عنوان یک معیار برای ارزیابی عملکرد مبدلهایحرارتی به کار برده شود.
.2 افت فشار و توان پمپ کردن
افت فشار سمت لوله ∆ از شامل افت فشار ناشی از اصطکاک سیال در قسمت مستقیم لوله ∆ ، افت فشار ناشی از ورود و خروج از لوله ∆ و افت فشار در نازل ∆ است:
در روابط فوق t ، و s به ترتیب دبی جرمی سمت پوسته، دبی جرمی نازل و تعداد پوستههای متصل شده در سریها است. همچنین ضریبی است که به افت فشارهای کوچک سمت لوله اختصاص داده شده است و از جدول زیر تعیین میشود:
افت فشار سمت پوسته با استفاده از روش ساده شده دلاور استخراج میشود که شامل افت فشار اصطکاکی و افت فشار در نازل است. روش محاسبه افت فشار در نازل مشابه روابط سمت لوله است.
