انتقال حرارت مزدوج مبدل حرارتی لوله پره‌دار بیضوی در مقابل فین دایره ای، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه انتقال حرارت مزدوج مبدل حرارتی لوله پره‌دار بیضوی در مقابل فین دایره ای

در این پروژه، به بررسی انتقال حرارت مزدوج مبدل حرارتی لوله پره دار بیضوی در مقابل فین دایره ای با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) پرداخته ایم و تاثیر تغییر مقطع (با مساحت ثابت) را بر میزان بهبود شار حرارتی عبوری از مبدل حرارتی لوله پره دار مقایسه کردیم.

دو مقطع دایره ای و بیضوی با سطح مقطع برابر برای مقطع سیال داخلی بررسی شدند. یک ردیف از این نوع مبدل حرارتی لوله پره‌دار برای کاهش هزینه‌های محاسباتی مدل‌سازی شد. سیال داغ ورودی نفت خام با دمای 200 درجه سانتیگراد و سرعت 0.3 متر بر ثانیه بود. سیال هوا با دمای 25 درجه سانتی گراد و سرعت 2 متر بر ثانیه برای مقطع جریان خارجی استفاده شد.

استفاده از مبدل های حرارتی در صنعت نفت و گاز و نیروگاه ها رواج دارد. از مبدل های حرارتی لوله پره دار برای خنک کردن نفت خام نمک زدایی شده استفاده می شود. این مبدل های حرارتی با افزایش سطح موثر به دلیل پره های بالا و ایجاد تلاطم بیشتر در جریان، انتقال حرارت را بهبود می بخشند. پره ها زمانی استفاده می شوند که سیال عامل در تماس با آن قسمت دارای ضریب انتقال حرارت کمتری باشد. 

هندسه این پروژه با نرم افزار ANSYS Design Modeler طراحی شد و مشخصات هندسی آن شامل لوله ای به قطر 10 و ضخامت 1 و طول 100 سانتی متر و فین های مربعی با ضعل 10 سانتی متر می باشد. برای مورد بیضوی، طول قطر بزرگ 10 و قطر کوچک 2.5 سانتی متر بود. ضخامت فین ها 0.5 سانتی متر و در فاصله 20 سانتی متر از یکدیگر بودند که در مجموع 10 فین می شود.

مش بندی این هندسه را با نرم افزار ANSYS Meshing انجام دادیم. نوع مش بدون ساختار بوده و از لایه مرزی در آن استفاده شده است. تعداد سلول های محاسباتی حدودا 5 میلیون می باشد.

روش های استفاده شده

معادله انرژی به منظور محاسبه توزیعات دمایی فعال می باشد. با توجه به تراکم ناپذیری از جریان از حلگر مبتنی بر فشار (Pressure-based Solver) استفاده کرده ایم و همچنین از مدل توربولانسی k-epsilon realizable  به منظور شبیه سازی آشفتگی های جریان استفاده شده است.

نتایج شبیه سازی انتقال حرارت مزدوج مبدل حرارتی

در این بخش، با بررسی شار حرارتی عبوری از دیواره لوله پره‌دار برای سطوح مقطع دایره‌ای و بیضوی، مشاهده شد که تغییر مقطع از دایره‌ای به بیضوی، شار حرارتی عبوری از مبدل حرارتی را افزایش می‌دهد (شکل زیر)

شار حرارتی حالت فین دایره ای:

شار حرارتی حالت بیضوی:

دلایل اصلی این بهبود در انتقال حرارت افزایش تماس سطحی موثر با جریان هوا به دلیل سطح مقطع بیضوی و افزایش شدت تلاطم جریان هنگام استفاده از مقطع بیضوی است.

type	Total surface heat flux (W/m2)
Circular section	764.91
Elliptical section	911.39

همچنین با مشاهده کانتور دما بر روی دیواره مبدل حرارتی مشخص شد که توزیع دمای بالاتری برای قسمت بیضی در فین ها ایجاد شده است.