بخشی از مقاله
چکیده
مبدل ها وسایلی هستند که در صنعت برای انتقال حرارت بین دو سیال بکار می روند. از آنجایی که بسیاری از سیالات در صنایع شیمیایی، نفتی و صنایع غذایی،سیالات غیر نیوتنی می باشند،ارزیابی عملکرد این مبدل ها در انتقال حرارت بین سیالات غیرنیوتنی ازاهمیت به سزایی برخوردار است. در مطالعه حاضر که به صورت عددی و با نرم افزار فلوئنت صورت گرفته است،جریان سیال نیوتنی وغیرنیوتنی مدل توانی در مبدل دو لوله ای شبیه سازی شده و میزان گرمای منتقل شده بین دو جریان گرم و سرد برای شاخص های توانی مختلف سیال غیرنیوتنی محاسبه شده است.در نهایت کارایی مبدل های دو لوله ای جریان های همسو و غیرهمسو در انتقال حرارت سیالات غیرنیوتنی مورد ارزیابی قرار خواهدگرفت. در انتها نتایج کانتورها و نمودارهای توزیع دما وسرعت ،توزیع عدد ناسلت وسایر پارامترهای مربوطه برای حالات مختلف ارائه خواهد شد.
واژگان کلیدی:مبدل های حرارتی دو لوله ای،سیالات نیوتنی،سیالات غیرنیوتنی،روش عددی
.1مقدمه:
مبدل های حرارتیتقریباً پرکاربرترین عضو در فرآیندهای شیمیایی اند و می توان آن ها 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 می کنند. این عملیات می تواند بین مایع- مایع ، گاز- گاز و یا گاز- مایع انجام شود.مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو مورد استفاده قرار می گیرند. مبدل های حرارتی در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده می شوند . این کاربردهای شامل نیروگاه ها ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع ساخت و تولید ، صنایع فرآیندی ، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز ، گرمایش ، تهویه مطبوع ، سیستم های تبرید و کاربردهای فضایی میباشند.
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور، اواپراتور، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارند.ساده ترین نوع مبدل ها،مبدل های دو لوله ای هستند که در آنها جریان سیال سرد و گرم از دو لوله هم مرکز عبور میکند و این دو جریان می توانند با هم جهت یا غیر هم جهت باشند.از آنجایی که بسیاری از سیالات در صنایع شیمیایی، نفتی و صنایع غذایی،سیالات غیر نیوتنی می باشند،ارزیابی عملکرد این مبدل ها در انتقال حرارت بین سیالات غیرنیوتنی از اهمیت به سزایی برخوردار است.
در مطالعه حاضر که به صورت عددی و با نرم افزار Fluentصورت میگیرد،ابتدا جریان آرام و پایای سیال نیوتنی و غیر نیوتنی مدل توانی در یک لوله صاف و سپس در بین دو استوانه هم محور مورد ارزیابی قرار میگیرد و نتایج آن با نتایج تحلیلی مقایسه میشود.سپس جریان سیال نیوتنی و غیرنیوتنی مدل توانی در مبدل دو لوله ای شبیه سازی شده و میزان گرمای منتقل شده بین دو جریان گرم و سرد برای شاخص های توانی مختلف سیال غیرنیوتنی محاسبه میشود.در نهایت کارایی مبدل های دو لوله ای جریان های همسو و غیرهمسو در انتقال حرارت سیالات غیرنیوتنی مورد ارزیابی قرار میگیرد.در نهایت نتایج کانتورها و نمودارهای توزیع دما و سرعت ،توزیع عدد ناسلت و...برای حالات مختلف ارائه خواهد شد.
امروزه مبدلهای صفحه ای برای گرم و سرد کردن جریان های مختلف کاربرد زیادی در صنایع شیمیایی، غذایی و دارویی دارند.چون بسیاری از سیالات استفاده شده در این صنایع خواص رئولوژیکی غیر نیوتنی دارند.به همین خاطر در این زمینه پژوهش های زیادی نیز انجام شده است که در ذیل به تعدادی از این پژوهش ها اشاره کوتاهی شده است:جعفری نصر و همکاران[1] به تحلیل جریان سیال غیر نیوتنی در مبدلهای قاب و صفحه ای به کمک دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته اند.در این تحقیق به کمک CFDدو بعدی رفتار جریان محلول کربوکسی متیل سلولز - - CMCدر غلظت های وزنی0,5تا2 درصد به عنوان سیال غیرنیوتنی پاورلاو در محدوده رینولدز10 تا 300 و دمای ثابت20درجه سانتیگراد در زوایای مختلف شورون مبدلهای صفحه ای تحلیل شده است.
در نهایت روابط عدد رینولدز و ضریب اصطکاک تعیین و تأثیر زاویه شورون و پارامترهای رئولوژیکی بر ضریب اصطکاک و رژیم جریان بررسی شده است. نتایج حاصل از محاسبات CFDبا اطلاعات تحلیلی مقایسه و همخوانی خوبی بین آنها دیده شد.بوتونگ لی و همکاران[2] به بررسی عددی انتقال گرمای سیالات قانون توانی در لوله با دمای ثابت دیواره پرداخته اند.در این بررسی نشان داده شده است که نتایج حاصله به شدت به مقدار شاخص رفتار جریان - - n وابسته است.پترسون و همکاران[3] به بررسی انتقال حرارت سیالات غیرنیوتنی در جریان آشفته و گذرا پرداخته اند.در این بررسی شباهت اساسی بین مکانیزم انتقال حرارت سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی بررسی شده است.
اسکودیر و همکاران[4] به بررسی جریان آرام توسعه یافته سیالات غیر نیوتنی رقیق شونده بین دو لوله هم محور پرداخته اند.در این بررسی با وجود اینکه از اثرات ویسکوالاستیک سیال چشم پوشی شده است،همخوانی خوبی بین داده های تجربی و تئوری مشاهده میشود.خلیلی و همکاران[5] به بررسی جریان آرام بین دو لوله هم محور در حالی که لوله داخلی چرخان است،پرداخته اند.ج.ا.ناصر[6] به بررسی و پیش بینی رفتار جریان آرام و آشفته سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی در ناحیه بین دو لوله هم محور پرداخته است. این بررسی برای دو نوع سیال،غیر نیوتنی - رقیق شونده - و سیال نیوتنی در شرایط جریان آرام و آشفته صورت گرفته است.
واردی و همکاران[7] به بررسی عددی جریان آرام وگذرای سیال ویسکوالاستیک از نوع گزیکس حول سیلندر دایروی پرداخته اند. در این پژوهش، جریان گذرای سیال ویسکوالاستیک در اطراف یک سیلندر دایروی مورد بررسی قرار میگیرد. روش عددی در نظر گرفته شده، روش حجم محدود از مرتبه ی دو است. برای بررسی جریان سیال ویسکوالاستیک حول سیلندر، از مدل گزیکس به عنوان معادله ی ساختاری سیال ویسکوالاستیک بهره گرفته شده است. این مدل غیرخطی از توانایی برجسته ای در توصیف ویسکوزیته در ناحیه ی توانی و همچنین اثر اختلاف تنشهای نرمال برخوردار است.
در این تحقیق، اثرات خاصیت الاستیک سیال ویسکوالاستیک بر فرکانس جریان وطول ناحیه ی جریان برگشتی ایجاد شده در پشت سیلندر قبل از رسیدن به رینولدز بحرانی، در قالب عدد بی بعد وایزنبرگ و همچنین اثر ازدیاد عدد رینولدز بر الگوی جریان سیال ویسکوالاستیک مورد بررسی قرار خواهد گرفت.همچنین با بررسی توزیع فشار حول سیلندر در سیال ویسکوالاستیک و مقایسه ی آن با جریان سیال نیوتنی، پدیده ی کاهش پسا در این گونه از سیالات مورد مطالعه قرار میگیرد.شایان ذکراست که نتایج حاصل از حل عددی سیال نیوتنی، با تحقیقات آزمایشگاهی و عددی پیشین مطابقت کامل دارد.اف.تی.پنهو و همکاران[8] به بررسی جریان سیالات غیرنیوتنی در لوله ها پرداخته اند.در این پژوهش سرعت محوری و تنش های عمودی برای سه نوع غلظت مختلف محلول سدیم کربومتیل سلولز و در محدوده رینولدز240 تا 111000 بررسی شده است.
مارتینز و همکاران[9] به بررسی بهبود انتقال حرارت جریان آرام وآشفته سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی داخل لوله با استفاده از وارد کردن کویل مارپیچ به داخل لوله پرداخته اند.در این پژوهش محلول%1سدیم کربیومتیل سلولز و محدوده رینولدز10 تا1300 و عدد پرانتل150تا1900بررسی شده است.و محلول پروپیلن گلیکون به عنوان سیال نیوتنی مورد بررسی قرار گرفته است.رای و همکاران[10] به بررسی عددی و تجربی تاثیر نانوسیال ها در عملکرد مبدل های صفحه ای فشرده پرداخته اند.در این پژوهش از سه نوع نانوسیال برای بررسی پد یده ذکر شده،بهره گرفته شده است.در این بررسی مشخص شد که هر سه نوع نانوسیال مورد استفاده باعث افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی،کاهش در نرخ جریان حجمی وکاهش نیاز به قدرت پمپاژ برای همان مقدار انتقال حرارت میشوند.
-2 روش های حل عددی:
تحلیل های عددی انجام شده در تحقیق حاضر تماما در نرم افزار Fluent6,3 انجام شده است. برای تنظیمات گسسته سازی با توجه به شبکه منظم ایجاد شده برای هندسه از روش Green-Gauss Cell Based استفاده شده است.همچنین در شبیه سازی هندسه با توجه به سرعت کم جریان روش حل pressure-based منظور گردیده است. برای افزایش دقت محاسبات برای تمامی معادلات مربوط به پیوستگی، مومنتوم، انرژی و پارامترهای آشفتگی دقت مرتبه دوم Second Order Upwind اعمال شده است.در تحلیل هندسه ها چون تعیین دما و عدد ناسلت مد نظر است،گزینه Energyنیز باید فعال باشد.همچنین برای مشخص کردن سیالات غیر نیوتنی باید از قسمتMateria Defineباید سیال را خودمان تعریف کنیم.برای این کارازقسمتViscosityگزینه Non-newtonian-power-Lawرو انتخاب کرده و مشخصات سیال غیرنیوتنی مورد نظر را وارد میکنیم.این مشخصات عبارتند از: 0 و وmوnودمای مرجع. همچنین قابل ذکر است که سایر مشخصات فیزیکی دو نوع سیال غیرنیوتنی مانند آب انتخاب شده است.در تحلیل های مربوط به سیالات نیوتنی از آب مایع یا هوا به عنوان سیال نیوتنی استفاده شده است.
-2-2 هندسه مورد بررسی:
ابتدا برای اعتبارسنجی نتایج دو هندسه ساده را بررسی کرده و نتایج حاصله را با نتایج تحلیلی موجود در منابع مقایسه میکنیم.ابتدا جریان آرام درون لوله صاف را برای دو نوع سیال نیوتنی - هوا - و غیرنیوتنی - - m=3,n=0,5 بررسی و پروفیل سرعت و ضریب اصطکاک دیواره را بدست آورده و با نتایج تحلیلی موجود،مقایسه میکنیم.سپس جریان آرام بین دو لوله هم محور را برای دو نوع سیال نیوتنی - آب - و سیال غیرنیوتنی - - m=3,n=0,5 شبیه سازی نموده و پروفیل سرعت را بدست آورده و با نتایج تحلیلی موجود در منابع مقایسه میکنیم و در نهایت به بررسی مبدل های حرارتی خواهیم پرداخت.
-3-2شبکه بندی و شرایط مرزی:
برای شبکه بندی هندسه مورد نظر از نرم افزار Gambit 2,2,30 استفاده شده است.در مش بندی همه هندسه های مورد نظر از مش مربعی منظم با اندازه0,000001بهره گرفته شده است.
