مقاله93-اثر پارامتر های هندسی بر روی انتقال حرارت و افت فشار در طراحی مبدل های حرارتی لوله پره دار صفحه ای 50 ص

مقاله93-اثر پارامتر های هندسی بر روی انتقال حرارت و افت فشار در طراحی مبدل های حرارتی لوله پره دار صفحه ای 50 ص

چکیده :

مبدل حرارتي وسيله اي است كه انرژي را از سيالي به يك يا چند سيال ديگر كه داراي درجه حرارت هاي متفاوتي هستند منتقل مي كند ، لذا مبدل هاي حرارتي در تمام زمينه هاي صنعتي ،تجاري و حتي زندگي روزمره نيز كه به نحوي با تبادل انرژي سر و كار دارند مورد استفاده قرار مي گيرند . براي شناخت هر چه بهتر مبدل هاي حرارتي آن ها را در هشت گروه متفاوت دسته بندي مي كنيم .

مبدل هاي حرارتي با جريان متقاطع كه در اغلب كاربرد هاي صنعتي مانند توليد بخار در ديگ هاي بخار و يا گرمايش و سرمايش هوا و گاز هاي ديگر كاربرد دارند ، در اين دسته بندي جزء مبدل هاي حرارتي با جريان پيوسته سيال به صورت تماس غير مستقيم كه هم به صورت فشرده و هم غير فشرده ساخته شده و با ساختاري به شكل لوله اي و صفحه اي با آرايش جريان عمود بر هم بين دو سيال كه به صورت جابجائي با هم تبادل حرارت مي كنند ، جاي مي گيرند .

مبدل هاي حرارتي لوله – پره دار صفحه اي كه جزء اين نوع از مبدل هاي حرارتي هستند كمتر مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته اند ، هچنين در كتب درسي و دانشگاهي نيز كمتر به معرفي اين نوع مبدل هاي حرارتي مبادرت گرديده است ، لذا هدف از اين تحقيق معرفي بيشتر اين نوع از مبدل هاي حرارتي و بررسي اثر پارامتر هاي هندسي موثر در طراحي اين نوع مبدل هاي حرارتي مي باشد .

بنا براين در اين تحقيق با استفاده از نرم افزار فلوئنت كه يكي از نرم افزارهاي ديناميك سيالات است ، به بررسي اثر اين پارامترها در طراحي اين نوع از مبدل هاي حرارتي(CFD)محاسباتي پرداخته ايم و در نهايت نيز نتايج بدست آمده از تحقيق را با نتايج محاسبات تجربي در مبدل هاي حرارتي با جريان متقاطع بروي دسته لوله ها مقايسه شده است .

 

 

 

 

 

مقدمه :

مبدل حرارتی وسیله ای است که انرژی حرارتی را از سیالی به یک یا چند سیال دیگر که دارای درجه حرارت های متفاوتی هستند منتقل می کند . این تعریف به طور ضمنی بیان می کند که در یک مبدل حرارتی حداقل دو سیال وجود دارند که حرارت بین آن دو جابجا می شود . هرچند که این تعریف از جامعیت كافي برخوردار است معهذا موارد خاصی از مبدلهای حرارتی وجود دارند که در این تعریف نمی گنجند . از جمله این موارد دستگاههای تبادل حرارتی هستند که در سفینه های فضایی و یا هر وسیله ای که در خلاء کار می کند مورد استفاده قرار می گیرند .

مبدل های حرارتی در تمام زمینه های صنعتی ، تجاری و زندگی روزمره که به نحوی با تبادل انرژی سرو کا ردارند مورد استفاده قرار می گیرند . هر موجود زنده به طریقی به مبدل حرارتی مجهز است.

مبدل های حرارتی در اندازه های بسیار کوچک و بسیار بزرگ ساخته شده اند . کوچکترین آنها (کمتر از 1 وات) برای مصارف الكترونیکی فوق هادی ها، هدایت موشک هائی که بوسیله منبع حرارتی کنترل می شوند و بزرگ ترین آنها (ظرفیت حرارتی بزرگ از 1000 مگاوات) در نیروگاه های بزرگ به عنوان دیگ بخار ، کندانسور یا برج خنک کن به کار می روند .

کاربرد مبدل حرارتی بسیار وسیع و در صنایع مختلفی از قبیل نیروگاه های تولید برق ، پالایشگاه ها ، صنایع ذوب فلز و شیشه سازی ، صنایع غذایی و دارو سازی ، کاغذ سازی ، صنایع پتروشیمی ، سردخانه ها و سیستم های گرمایش و سرمایش ساختمان ها ، صنایع میعان گازها ( مانند هوا ) وسائط نقلیه زمینی ، دریایی و فضایی و صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند . به طور کلی هرجا که مسئله تبدیل و تبادل انرژی مطرح باشد مبدل های حرارتی به نحوی کاربرد دارند . مبدل های حرارتی به صور مختلفی نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اوپراتور ، تبخیر کننده ، برج خنک کن ، پیش گرم کن هوا ، بازیاب ، خنک کن میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای ، فن کويل ، هواساز ، خنک کن روغن ، خنک کن و گرم کن مشتقات نفتی ، رادیاتور وسائط نقلیه ، گرم کن آب تغذیه و سوپر هیتر در نیروگاه های بخار، کوره و غیره و در صنایع فوق الذکر به کار می روند .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-1 دسته بندی مبدل های حرارتی

دسته بندی مبدل های حرارتی می تواند بر اساس پیوستگی یا تناوب جریان ، پدیده انتقال ، میزان فشردگی ، طريقه ساخت ، آرایش جریان ، تعداد سیالات ، مکانیزم انتقال حرارت و در جه حرارت کارکرد انجام پذیرد . این دسته بندی ها در شکل 1- 1 خلاصه شده است .

 

1- دسته بندي بر مبناي پيوستگي يا تناوب جريان

 

 

جريان متناوب سيال جريان پيوسته سيال

 

2- دسته بندي بر مبناي پديده انتقال

 

 

تماس غير مستقيم تماس مستقيم

 

بستر سيال ذخيره اي انتقال مستقيم

3- دسته بندي بر مبناي فشردگي

 

 

غير فشرده فشرده

/ ) 700< تراكم سطح بر واحد حجم ) (/ 700 > تراكم سطح بر واحد حجم )

شكل 1 – 1 دسته بندي مبدل هاي حرارتي

4- دسته بندي بر مبناي طريقه ساخت

 

 

صفحه اي سطوح گسترش يافته ( پره دار ) لوله اي بازياب

 

صفحه صفحه صفحه لاملا لوله صفحه لوله دو لوله اي لوله

مارپيجي شاسي كويل پره دار پره دار پوسته اي مارپيچي

 

5- دسته بندي بر مبناي آرايش جريان

 

 

چند مسيره تك مسيره

 

موازي موازي مخالف عمود بر هم مخالف موازي

مخالف عمود بر هم عمود بر هم

6- دسته بندي بر مبناي تعداد سيالات

 

 

چند سيال دو سيال يك سيال

 

ادامه شكل 1 – 1 دسته بندي مبدل هاي حرارتي

 

7- دسته بندي بر مبناي مكانيزم انتقال حرارت

 

 

تبادل تشعشعي يا جابجائي دو فازي جابجائي تك فازي در جابجائي تك فازي

توام با جابجائي در هر دو طرف يك طرف و دو فازي در هر دو طرف

در طرف ديگر

 

8- دسته بندي بر مبناي درجه حرارت كاركرد

 

 

درجه حرارت بالا درجه حرارت متوسط درجه حرارت پائين

ادامه شكل 1 – 1 دسته بندي مبدل هاي حرارتي

1 – 1- 1 دسته بندی بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان

جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی یا پیوسته است یا متناوب . در مبدل های حرارتی با جريان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند و سیال گرم دائم درمجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوطه به خود جریان دارند . دو مجرای جریان توسط یک جداره جامد مانند جدار لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند .

از طرفی دیگر در مبدل های حرارتی با جریان متناوب یا بازیاب ها[1] از یک مجموعه مجاری جریان برای هر دو سیال استفاده می شود . مجموعه مجاری جریان ، هسته مبدل را تشکیل می دهند که دو سیال به تناوب از آن عبور میکنند . تمام یا بخشی از هسته مبدل مدتی در معرض جریان سیال گرم قرار دارد که در این مدت انرژی را از سیال گرفته در خود ذخیره می نماید . سپس مدتی در مسیر جریان سیال سرد قرار گرفته و انرژی ذخیره شده رابه آن پس می دهد . این دوره تناوب مرتباً تکرارمی شود .

به عنوان مثال در كوره هائي كه در صنايع شيشه سازي يا شيميائي بكار مي روند از پيش گرم كن هاي ساكن هوا با جريان متناوب استفاده مي گردد . شكل شماتيك يكي از اين پيش گرم كن ها كه به كوره كوپر[2] معروف است و همراه با كوره بلند در صنعت فولاد سازي به كار مي رود در شكل 1- 2 نشان داده شده است . چنانچه در شكل ملاحضه مي شود اين كوره از دو قسمت تشكيل شده است .

ستون سمت راست خود بازياب است كه شامل مواد متخلخل سراميكي بوده و ستون سمت چپ اتاق احتراق مي باشد . وقتي كه كوره گرم كار مي كند هوا وسوخت از سمت چپ و پائين اتاق وارد شده و گاز هاي داغ از بالاي بازياب ( ستون سمت راست ) وارد شده و از پائين خارج مي شوند . پس از مدتي درجه حرارت مواد سراميكي داخل بازياب به حد كافي بالا مي رود آنگاه ورود سوخت و هوا به اطاق احتراق قطع مي شود و هواي محيط از سمت راست و پائين كوره وارد بازياب مي گردد . پس از عبور از بازياب درجه حرارت آن بالا رفته و از سمت چپ خارج شده و وارد كوره بلند مي شود .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1- 2 يك بازياب ساكن كه در كنار كوره بلند مورد استفاده قرار مي گيرد .

در مبدل حرارتی با جریان متناوب ساکن غالباً لازمست جریان همیشگی دو سیال برقرار باشد . در این صورت حداقل دو هسته بازیاب موردنیاز است که درهر لحظه در یکی سیال گرم و در دیگری سیال سرد جاری باشد . درزمان های تناوب تعیین شده به وسیله شیرهای اتوماتیک جای دو سیال عوض می شود . این نوع مبدل در شکل زیر نشان داده شده است . بازیاب شکل 1-3 در میعان هوا به کا رگرفته می شود که در آن سیال گرم (هوا) و سیال سرد (ازت) به طور متناوب در دو هسته مبدل جریان می یابند .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1-3 مبدل حرارتي با جريان متناوب ( بازياب ) كه در ميعان هوا مورد استفاده قرار مي گيرد .

1-1- 2 دسته بندی بر مبنای پدیده انتقال

تبادل انرژی بین دو سیال یا به صورت تماس مستقیم و یا به صورت تماس غیر مستقیم صورت می گیرد .

در نوع تماس مستقیم حرارت بین دو سیال که با یکدیگر تماس مستقیم دارند منتقل می شود . معمولاً یکی از دو سیال گاز و دیگری مایعی است با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی از یکدیگر قابل تفکیک هستند . برج خنك کن نوع مرطوب که در شکل 1-4 نشان داده شده است از این نوع مبدل حرارتی می باشد . کاربرد دیگر آن کندانسور فواره ای است که در آن پاشش آب به داخل بخار آب یا سایر سیالات باعث تقطیر آن بخار می گردد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1- 4 يك نوع برج خنك كن مرطوب با جريان مكشي هوا

 

در یک مبدل حرارتی نوع تماس غیر مستقیم حرارت ابتدا از سیال گرم به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر ( مثلاً سطح جداره لوله ) منتقل شده و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد . به این نوع مبدل حرارتی ، مبدل حرارتی سطحی نیز گفته می شود که خود به سه دسته زير تقسيم مي شود :

1- انتقال مستقیم

2- ذخیره انرژی

3- بستر سیال

در مبدل حرارتی نوع انتقال مستقیم دو سیال به وسیله یک جداره جامد ( جداره لوله یا یک ورق ) از هم مجزا شده اند . تمام مبدلهای حرارتی با جریان پیوسته از این نوع هستند . هیچ قطعه متحرکی در مبدل های حرارتی وجود نداشته و با آب بندی های مناسب از اختلاط دو سیال جلوگیری می شود .

مبدل های حرارتی که برا اساس ذخیره انرژی کار می کنند همان بازیاب ها هستند که دربخش قبل مورد بحث قرار گرفتند .

در شکل 1- 5 یک مبدل حرارتی با بتسر سیال[3] نشان داده شده است . جریان یک گاز از یک بستر ذرات جامد ( ماسه، ذغال سنگ ، ذرات آلومینا ، کاتالیزور و… ) باعث سیالی شدن این بستر خواهد شد . در حالت سیالی شده ذرات جامد در داخل گاز به طور یکنواخت مخلوط و پراکنده خواهد شد . اگر سرعت رو به بالای گاز کم باشد ذرات در روی بستر باقی مانده و پراکنده نخواهند شد . از طرفی اگر سرعت گاز زیاد باشد ذرات را با خودش به خارج مبدل حرارتی حمل خواهد نمود . فقط در یک سرعت مناسب است که نیروی دراگ رو به بالا روی ذرات کمی بیشتر از وزن آنها بوده و این ذرات به صورت معلق و پراکنده د رگاز خواهند ماند .

گرچه ضریب انتقال حرارت بین یک گاز در جریان و یک سطح جامد بین w/mc°30 تا w/mc°100 مي باشد اما اين ضريب براي يك بستر سيال تا w/mc°700 نیز می رسد .

مبدل های حرارتی بستر سیالی در تبدیل پودر ذغال سنگ به گاز ، بازیابی انرژی حرارتی خشک کن ، راکتور های شیمیای و غیره به کا ربرده می شوند .

 

 

 

 

 

شكل 1- 5 يك بستر سيالي شده

در شكل 1- 6 (الف) نيز يك مبدل حرارتي بستر سيالي نشان داده شده كه وظيفه آن خنك كردن ذرات آلومينا است . ذرات از سمت چپ وارد پوسته مبدل شده كه درآنجا با جريان رو به بالاي هوا يك بستر سيالي تشكيل مي شود و از طرفي آب سرد داخل لوله مارپيچ جريان دارد . در اثر تبادل حرارت آب و هوا گرم شده ذرات آلومينا خنك مي شوند . سيال اصلي خنك كن آب است ولي هوا هم كه براي سيالي كردن بستر بكار مي رود خود نقش يك خنك كن ثانويه را ايفا مي كند .

يك راكتور شيميائي با بستر سيالي نيز در شكل 1- 6 (ب) نشان داده شده است . چون راكتور بايستي در دماي يكنواخت و زياد عمل كند از بستر سيالي استفاده شده است .

شكل 1- 6 (ب) يك راكتور شيميائي با بستر سيال شكل 1- 6 (الف) مبدل حرارتي بستر سيال

1-1- 3 دسته بندی بر مبنای فشردگی سطح

به سطح تماس بین یک سیال و یک جامد که با هم تبادل حرارت می کنند ، سطح تبادل حرارت گفته می شود . آن قسمت از سطح که برای تفکیک دو سیال نیز به کارمی رود ( سطح لوله یا ورق های اصلی یک مبدل حرارتی ) سطح اصلی نامیده می شود .

برای افزایش نرخ تبادل حرارت بین سیال معمولاً پره هایی روی سطح اصلی نصب می شود که به سطح گسترده یا ثانویه معروف است . البته خود پره ها هم گاهی اوقات مجاری جريان متعددی به وجود می آورند . هدف از بکارگیری سطوح گسترده یا پره ها افزایش نرخ تبادل حرارت است و معمولاً در طرف گاز یا بخار فشار ضعیف که ضریب انتقال حرارت جابجا ئی آنها کوچک است مورد استفاه قرار مي گیرند و با افزایش تمرکز و تعداد پره ها روی سطح اصلی به مقدار سطح تبادل حرارت بر واحد حجم مبدل حرارتی افزوده می گردد .

به طور اختیاری مبدل حرارتی که تمرکز سطح یا نسبت سطح تبادل حرارت به حجم آن 700 بیشتر باشد مبدل حرارتی فشرده گفته می شود .

بعضی از ویژگی های مربوط به مبدل های حرارتی فشرده عبارتند ا ز :

1- معمولاً حداقل یک سیال گا ز است .

2- سیالات بایستی تمیز و غیر خورنده باشند زیرا مجاری جریان خیلی کوچك و سطوح گسترده نیز از ورق های نازک تشکیل می شوند . لذا آلودگی گاز باعث بسته شدن مجاری جریان و خورنده بودن سیال نیز سبب سوراخ شدن سطح مبدل می گردد .

3- معمولاً توان پمپاژ به اندازه انتقال حرارت حائز اهمیت است زیرا کوچک بودن مجاری جریان ، افت فشار زیادی را ایجاب می کند .

4- درجه حرارت و فشار کارکرد محدود است .

روش های ساخت مبدل های حرارتی فشره بستگی به درجه حرارت و فشار کارکرد دارد . متداول ترين مبدل هاي حرارتي مادون سرد نوع سطوح تخت پره دار هستند كه در شكل 1- 7 نشان داده شده است . اين نوع مبدل ها از ورق هاي آلومينيومي تشكيل شده اند كه بين ورق ها توسط ورق هاي موج دار ديگر پر شده است .

 

 

1- Stationary Regenerator

2- Cowper Stove

1- Fluidization