بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به طراحی و بهینهسازی اقتصادی مبدلحرارتی پوستهولوله با استفاده از الگوریتم ژنتیک و با نگرش صنعتی بر اساس استاندارد تما1 پرداخته شدهاست. جهت محاسبه دقیقتر ضریب انتقالحرارت و افتفشار سمت پوسته و اعمال پارامترهای مکانیکی تأثیرگذار در طراحی حرارتی از روابط بل - دلاوار2 استفاده شدهاست. هزینه کلی مبدل شامل هزینه اولیه و هزینه عملیاتی آن به عنوان تابع هدف درنظرگرفته شده و مبدلهای قابل ساخت و تامینکننده شرایط فرآیندی، مورد بررسی قرارگرفته و کمهزینهترین آنها انتخاب شدهاست. در نظر است مبدل موردنظر جهت استفاده در واحد کاهش گرانروی پالایشگاه نفت بندرعباس جهت بازیافت انرژی بین دو جریان سیال سرد و گرم مورد استفاده قرار گیرد.
1. مقدمه
مبدلهای حرارتیتقریباً پرکاربردترین عضو در فرآیندهای شیمیاییاند و میتوان آنها را در بیشتر واحدهای صنعتی ملاحظه کرد. آنها وسایلی هستند که امکان انتقال انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف را فراهم میکنند. این عملیات میتواند بین مایع- مایع، گاز- گاز و یا گاز- مایع انجام شود. مبدلهای حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایینتر و یا هر دو مورد استفاده قرارمیگیرند.
صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش هزینهها همواره دغدغهای مهم و اساسی در طراحیهای صنعتی به شمار میرود. صنایع بسیاری در طراحی انواع مبدلهای حرارتی فعالیت دارند و هم چنین، دروس متعددی در دانشگاهها با نامهای گوناگون در طراحی مبدلهای حرارتی ارائه میگردد. محاسبات مربوط به مبدلها کاری طولانی و گاهی خسته کننده است. طراحی یک مبدل برای یک عملیات به خصوص نیاز به حدسهای زیادی دارد که با استفاده از آنها و طبق استانداردها میتوان اندازههای یک مبدل مناسب را پیدا کرد. با وجود همه این پیچیدگیهای طراحی انتخاب به صرفهترین گزینه - با درنظر گرفتن هزینه ساخت مبدل و همچنین هزینه عملیاتی آن - در طراحی امری بسیار پیچیده و غیرقابل دسترس میباشد.
تاکنون تحقیقات بسیاری در زمینه طراحی و بهینهسازی مبدلهای حرارتی پوستهولوله انجام گرفته است. در بسیاری از پژوهشهای انجام شده از روابط طراحی کرن استفاده شده است .[1-4] اخیرا نیز برخی محققان از روابط بل - دلاوار جهت طراحی مبدل استفاده نمودهاند .[5-6] همچنین در سالهای اخیر استفاده از الگوریتمهای تکاملی جهت بهینهسازی مبدلهای حرارتی پوستهولوله مورد توجه محققان قرار گرفته است. فسنقری و همکاران [7] جهت طراحی بهینه مبدل حرارتی پوستهولوله از "الگوریتم جستوجوی هارمونی"1 استفاده نمودند.
پاتل و رآو [8] با استفاده از "تکنیک بهینهسازی ازدحام ذرات"2 به طراحی بهینه یک مبدل حرارتی پوستهولوله پرداختند. ساهین و همکاران [9] موضوع طراحی بهینه مبدل حرارتی پوستهولوله را با بهکاربردن "الگوریتم کلونی زنبور عسل مصنوعی"3 بررسی کردند. امین حدادی و علی نظری [10] با استفاده از "الگوریتم جغرافیای زیستی"4 بهینهسازی مبدل حرارتی پوستهولوله را انجام دادند. همچنین استفاده از "الگوریتم ژنتیک" جهت بهینهسازی مبدل حرارتی پوستهولوله مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است .[5-6-11]
در این مقاله علاوه بر روش کرن5 ، روابط بل - دلاوار که کاملترین روابط حاکم جهت مدلسازی جریان سمت پوسته میباشد مورد استفاده قرارگرفتهاست. همچنین با دخیل کردن متغیرهای مکانیکی در کنار متغیرهای طراحی حرارتی و هیدرولیکی به انتخاب کمهزینهترین مبدل حرارتی پوستهولوله با استفاده از الگوریتم ژنتیک پرداخته شدهاست. محدوده سایر متغیرها بر اساس استاندارد تما انتخاب شده و برخلاف سایر تحقیقات انجام شده خروجی برنامه کاملا کاربردی و مبدل پیشنهادی قابل ساخت میباشد. کدنویسی برنامه به کمک نرمافزار متلب انجام شدهاست. همچنین نتایج حاصله از روش بل با روش کرن مقایسه، و اثر اعمال متغیرهای مکانیکی در هزینه مبدل مشخص گردیده است. در آخر به بحث و بررسی نتایج پرداخته-ایم.
2. روابط حاکم
در این مقاله ضریب انتقالحرارت و افتفشار سمت پوسته در مبدل حرارتی پوستهولوله به روش بل - دلاوار مدلسازی شدهاست. هرچند که روابط ارائه-شده توسط کرن نتایج قابل قبولی ارائه میکند و این روابط تا سالها در طراحی و ساخت مبدلهای پوستهولوله مورد استفاده قرار میگرفت اما ضعف بزرگ این روش نادیده گرفتن جریانهای کنارگذر6 و جریانهای نشتی7 سمت پوسته میباشد. این درحالیاست که مشاهدات تجربی نشان داده است که جریان سمت پوسته به پنج بخش مختلف تقسیم میشود. شکل - 1 - شماتیک الگوی واقعی پخش جریان سمت پوسته برای یک مبدل پوسته ولوله را نشان میدهد .[12]
همچنین روش کرن برخورد جریان سیال با لولهها را صددرصد عمودی درنظر میگیرد. همانگونه که در جدول - 1 - مشاهده میشود آزمایشهای انجامگرفته نشان میدهد که حداکثر جریان کاملا عمودی در یک جریان آرام برابر %50 جریان کل میباشد. بنابراین روش کرن هرچند ممکن است نتایج قابل قبولی ارائه دهد، اما به ماهیت حداقل %50 جریان توجه نمیکند .[13] همچنین نتایج آزمایشها نشان داده است که استفاده از نوارهای آب-بندی1 جهت حذف جریان نشتی بین بافل و پوسته باعث افزایش 12.9 تا 14.1 درصدی بازدهی مبدل گردیده است .[14] بنابراین توجه به جریانهای برگشتی و کنارگذر سمت پوسته و اعمال اثر این جریانها در طراحی مبدل از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد.
