تحليل گرمايي و هيدروليکي مبدلهاي گرمايي فشرده صفحهاي
با پرههاي موجدار

هانيه قنبر خرقانينژاد
تهران، دانشگاه آزاد اسلامي واحد علوم و تحقيقات، دانشکده فني و مهندسي، گروه مهندسي شيمي

محمدرضا جعفرينصر*+ تهران، پژوهشگاه صنعت نفت

چكيده:مقاله حاضر به تحليل گرمايي و هيدروليکي مبدلهاي گرمايي فشردهي صفحهاي با پرههاي موجدار ميپردازد. اين بررسي نشان ميدهد كه چگونه عملکرد يک مبدل گرمايي فشرده به شدت به نوع و پارامترهاي هندسي سطوح انتقال گرما وابسته است و ميتواند در قالب ضريبهاي گرمايي كلبورن و هيدروليکي فنينگ ارايه شود .
بههمين رو، ابتدا اثرهاي 4 پارامتر هندسي ارتفاع پره، فاصلهبندي بين پره، دامنه و طول موج پرههاي موجدار در قالب پارامترهاي هندسي بدونبعد)  ، و ( بر روي اين ضريبها در بازه گستردهاي از عدد رينولدز )00111Re011( بررسي شد. سپس به منظور افزايش انتقال گرما و با هدف بهبود بازده مبدل به واسطهي تغيير در هندسه، دو نوع پره موجدار با ديوارههاي ناپيوستهي )افستدار( S و C شکل مورد مطالعه قرار گرفت .
نتيجههاي اين بررسي نشان ميدهد كه افزايش پارامتر هندسي بدون بعد  و كاهش دو پارامتر  و  سبب افزايش ضريبهاي كلبورن و اصطکاک فنينگ ميشود. همچنين يک شاخص مناسب براي سنجش عملکرد مبدلهاي با پرههاي موجدار ناپيوستهي S و C شکل در مقايسه با پرههاي موجدار پيوسته )بدون افست( ارايه ميشود. استفاده از اين شاخص نشان ميدهد، حجم مبدلها با پرههاي موجدار ناپيوسته بهمراتب كمتر از مبدلهايي است كه با پرههاي موجدار پيوسته طراحي ميشوند.

واژههاي كليدي: مبدلهاي گرمايي فشرده، تحليل گرمايي و هيدروليکي، ضريب كلبورن، ضريب اصطکاک فنينگ، پرههاي موجدار.

KEY WORDS: Compact heat exchangers, Thermo-hydraulic analysis, Colburn factor, Fanning
friction factor, Wavy fins.

مقدمه
مبدلهاي گرمايي صفحهاي پرهدار نوعي از مبدلهاي گرمايي كه نقش صفحههاي تفکيک كننده را بازي ميكنند، عبور كرده و فشرده محسوب ميشوند كه در آنهاجريان سرد و گرم از ميان تبادل گرما مينمايند. اين مبدلها از جنسهاي گوناگوني چون بلوكي از لايههاي متناوب از پرههاي موجدار و جداكنندههاي تخت آلومينيوم، استنلس استيل، نيکل، مس و… با توجه به فشار و دما

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
77
عملياتي ساخته ميشوند و به طور گستردهاي در صنايع نفت وگاز، اتومبيل و فضايي به كارگرفته ميشوند. اين مبدلها به دليلفشردگيشان )يعني نسبت سطح به حجم بالاي انتقال گرما( و عملکرد گرمايي دلخواه منجر به كاهش حجم، وزن، ساختار جانبي و سرانجام نياز به انرژي و هزينه كمتري ميشوند]1[. سطوح پرهدار يا توسعهيافته به طور گستردهاي در مبدلهاي گرمايي فشرده براي بهبود انتقال گرما و كاهش اندازه اين مبدلها استفاده ميشوند.
اغلب پرههاي اصلاح شده از نظر هندسي افزون بر افزايش دانسيتهي مساحت سطح مبدل، ضريب انتقال گرماي جابهجايي را نيز افزايش ميدهند. هستههاي فشردهي بهبود يافته شامل پرههاي صاف)1(، پرههاي موجدار)2(، پرههاي سوراخدار)3(، پرههاي نواري خارج از محور)4( و پرههاي كنگرهاي)5( هستند. از ميان اين پرهها، پرههاي موجدار به دليل سادگي در ساخت، داراي پتانسيل بالاتري براي بهبود عملکرد گرمايي ـ هيدروليکي و به دليل سادگي بهكارگيري داراي جذابيت ويژهاي ميباشند]2[.
در زير، تعدادي از مطالعههاي اخير گزارش شده در مورد بررسيهاي عددي و تجربي صورت گرفته روي ضريبهاي j و f براي پرههاي به كاربرده شده در مبدلهاي گرمايي فشرده مرور ميشوند.
لندن و )شاه6( )1968 ميلادي( عملکرد هستهي پرهي نواري با استفاده از چهار پارامتر هندسي بدون بعد را مورد بررسي قرار دادند كه چهار پارامتر هندسي عبارت است از: ضخامت بدون بعد پره )*(، نسبت تصوير گذرگاه جريان)7( )نسبت پهنا به ارتفاع گذرگاه( در يک گام پره )*(، مساحت سطح پره به مساحت سطح كلي در سمت پرهدار) f

(، طول بدون بعد پره )*L(. آنها به اين نتيجه رسيدند كه با افزايش مقدار پارامترهاي هندسي *، *f

 ، و كاهش *L، ضريبهاي j و f افزايش مييابند و به دليل شعاع هيدروليکي كوچک اين نوع پرهها، مشخصهي بدون بعد زبري به مقدار زيادي روي ضريب اصطکاک فنينگ اثر ميگذارد]3[. يکي از مشکلهاي بهدست آوردن ضريبهاي j و f برحسب عدد رينولدز به روش عددي، اثرهاي ورودي در داخل پره است. به منظور غلبه بر اين مشکل ،پاتانکار و )همکاران8( )1977 ميلادي(
)7( Aspect Ratio of Flow Passage
)8( Patankar et al.
)9( Kays & London
)01( Gough & Al-Shemmeri
)00( DoJong et al.
77
)02( Xi & Shah
مفهوم انتقال گرما و جريان به طور كامل توسعهيافته تناوبي را مطرح كردند. مفهوم اصولي و اساسي اين بود كه براي يک جريان با ويژگيهاي ثابت در يک مجرا با سطح مقطع ثابت، توزيع دما و سرعت در فاصلهي كافي از ورودي مستقل از مختصات جريان شوند ]4[.
لندن و شاه )1978 ميلادي( نتيجههاي تحليلي جريان آرام به صورت عدد ناسلت و ضريب اصطکاک فنينگ بر حسب عدد رينولدز را براي نسبتهاي گوناگون طول به عرض لولههاي هوا با شکل مستطيلي گزارش كردند]5[.
كيز و )لندن9( )1984 ميلادي( با استفاده از هوا به عنوان سيال عامل از پيشگامان در ارايهي دادههاي پرههاي موجي بودند. آنها تنها سه نوع از پرههاي موجي را مورد آزمايش قرار دادند. بعد از اين
گزارش ،پژوهش بسيار كمي در سطح كامل آزمايشگاهي انجام شد]6[. گاف و آل ـ شميري)11( )1994 ميلادي( سه نوع آرايش گوناگون از پرههاي موجي را داخل يک تونل بادي آزمايش كردند كه در آن، هندسههاي پرههاي آزمايش شده با پرههاي كيز و لندن همانند بودند ]7[.
دژانگ و )همکاران11( )1998 ميلادي( شبيهسازي عددي و تجربي براي بهدست آوردن رابطهاي براي ضريبهاي j و f انجام دادند و اختلافهاي بين كار تجربي و عددي را مشخص كردند. آنها نتيجه گرفتند كه فرض دوبعدي و ناديده گرفتن اثرهاي ورودي و خروجي ممکن است به اين اختلافها كمک كرده باشد .
همچنين نشان دادند كه در بازهي عددهاي رينولدز كم، ضريب كلبورن تخمين زده شده به واسطهي كار عددي به مقدار دو برابر از كار تجربي بزرگتر است، در حالي كه در بازهي عددهاي رينولدز بالا، تخمين ضريب كلبورن از حل عددي با دقت% 10 امکانپذير است]8[.
-426711138954

شي و )شاه12( )1999 ميلادي( محاسبههاي عددي سهبعدي و دوبعدي براي پرههاي نواري خارج از محور را در دو رژيم جريان آرام و گذرا براي بررسي اختلافهاي بين دادههاي تجربي و عددي انجام دادند و نتيجههاي عددي آنها به جز ناحيههاي داراي رينولدز بالا، با نتيجههاي تجربي همبستگي خوبي داشت]9[.
)0( Plain Fins
)2( Wavy Fins
)3( Perforated Fins
)4( Offset Strip Fins
)0( Louvered Fins
)6( London & Shah
ژانگ و )همکاران1( )2114 ميلادي( انتقال گرما و جريان آرام هوا)7/0Pr ( را به طور تناوبي توسعهيافته در داخل كانالهاي صفحهايموجدار سينوسي براي درجه گرماي يکنواخت ديواره مدل كردند .
نتيجههاي عددي را براي بازهي گستردهاي از رژيم جريان آرام و انواع گوناگون هندسهي مجرا) /05 A

 W /0125 2 و
268614349848

1220578286491

3S2A  /01( ارايه كردند. آنها نتيجه گرفتند كه بيشترين كارايي با داشتن هندسه با مشخصهي 2/1S2A1 بهدست ميآيد]2[.
متوال يو منگلي )ک2( )2114 ميلادي( راهحلهاي عددي را براي انتقال گرماي جابهجايي اجباري با ويژگيهاي ثابت و به صورت تناوبي توسعهيافته ،تکفازي و تراكمناپذير در رژيم جريان آرام داخل كانالهاي صفحهاي موجدار سينوسي براي ديوارههاي كانالي كه در گرماي يکنواخت نگه داشته شدند، بهدست آوردند. آنها ديدند كه گردابههاي عرضي در
ناحيههاي كمينه موج سينوسي توليد ميشود و اين چرخش
با افزايش مقدارهاي Pr،Re،4A

W رشد ميكند. همچنين مشخص كردند كه عملکرد بهينه پره) j

f ( براي اين نوع كانالها در بازهي /06 A

 W /03 4 بهدست ميآيد]11[.
منگليک و )همکاران3( )2115 ميلادي( مفهوم كاملي را از رفتار انتقال گرماي جابهجايي اجباري در درون كانالهاي صفحهاي با پرهي موجدار فراهم كردند و اثر دانسيته پره در ناحيه عدد رينولدز پايين و حالت يکنواخت را براي جريان هوا) 7/0Pr ( بررسي كردند.
موج توليد ميكند و فضاي پوشش داده شده توسط اين جريان ثانويه )همکاران11( )2111 ميلادي( مطالعههاي عددي به صورت سهبعدي و ولراج)5( )2119 ميلادي( يک پرهي نواري خارج از محور S شکل و C شکل به صورت دو بعدي و عددي بررسي كرد]17[.
994430493187

آنها ديدند كه سطح موجدار، جريان ثانويه را در ناحيههاي كمينه و 18 پرهي موجدار را براي بهدست آوردن رابطهاي براي ضريبهاي j و f مورد مطالعه قرار دادند]1[. شيخ اسماعيل و )همکاران6( )2119 ميلادي( با استفاده از نرمافزار CFD دو نوع مبدل گرمايي فشردهي صفحهاي پرهدار را براي تعيين اثرهاي توزيع بد جريان تحليل كردند .همچنين صفحههاي بافل مناسب براي قرار دادن در ورودي هسته براي بهبود در توزيع جريان طراحي كردند. آنها ثابت كردند كه غيريکنواختي جريان به دليل به كار گرفتن صفحههاي بافل به شدت كاهش مييابد. همچنين آنها دادههاي j و f را براي تعدادي از پرهها گزارش كردند]13[. وياس و )همکاران7( )2111 ميلادي( جريان چرخشي سيال در اعداد رينولدز پايين را در كانالهاي صفحهاي با پرهي موجدار سينوسي با استفاده از روش اندازهگيري سرعتسنجي دوپلري ليزري)8( )LVD( مورد بررسي قرار دادند و اثرهاي دو پارامتر هندسي A/L2 و S/2A را مشخص كردند .
آنها ديدند كه جريان چرخشي به طور چشمگيري با افزايش نرخ جريان و دو پارامتر هندسي A/L2 و S/2A تغيير ميكند ]14[.
خوشوقت و )همکاران9( )2111 ميلادي( شبيهسازي ديناميک سيالهاي محاسباتي به صورت سهبعدي و مدل شبکهي عصبي را براي تخمين ضريبهاي j و f براي مبدلهاي لولهاي تخت پرهدار در محدودهي 7000Re600 انجام دادند. آنها رابطههاي جديدي براي تخمين مقدارهاي ضريبهاي j و f به ترتيب با انحراف نسبي ميانگين مطلق 22/3 و 68/3 درصد پيشنهاد كردند]15[. تائو و
با افزايش عدد رينولدز و پارامتر هندسي S 2A افزايش مييابد .همچنين نتيجه گرفتند كه عملکرد گرمايي با شرط مرزي شار گرمايي ثابت نسبت به شرط مرزي دماي ديواره ثابت بالاتر است ]11[.

)0( Zhang et al. )7( Vyas et al.
)2( Metwally & Manglik )8( Laser Doppler Velocimetry )3( Manglik et al. )9( Khoshvaght et al. )4( Junqi et al. )01( Tao et al.
)0( Sheik Ismail & Velraj )00( Huzayyin
)6( Sheik Ismail et al.
79
جانکي و )همکاران4( )2117 ميلادي( به صورت تجربي عملکرد گرمايي- هيدروليکي مبدلهاي گرمايي لولهاي تخت با پرهي موجدار در 11 مدل گوناگون را بررسي كردند. آنها اثرهاي تمام پارامترهاي هندسي به جز دامنهي موج را مورد مطالعه قرار دادند و رابطههايي براي ضريب كلبورن و ضريب اصطکاک فنينگ ارايه كردند]12[. شيخ اسماعيل براي بررسي عملکرد مبدلهاي گرمايي لولهاي با پرهي موجدار را انجام دادند. آنها اثرهاي پارامترهاي هندسي بر روي ويژگيهاي جريان سيال و انتقال گرما را در طرف هوا بررسي كردند. آنها نتيجه گرفتند كه افزايش عدد رينولدز، ضخامت، زاويهي پرهي موجدار و كاهش گام عرضي لوله عملکرد انتقال گرما را بهبود ميبخشد. اما افتفشار را نيز افزايش ميدهد. همچنين بهتر است كه زاويهي موجي بين 11 تا 21 درجه و گام پره بين mm 2/1 و mm 2 قرار گيرد ]16[.
هوزي )ن11( )2111( پرههاي ذوزنقهاي و پرههاي موجدار
جعفرينصر و سعيدان )1387( به منظور محاسبهي سطح انتقالگرماي بهينهتر براي مبدلهاي گرمايي قاب و صفحهاي از رويهيطراحي سريع)1( استفاده كردند كه استفاده از اين روش نقش عمدهاي در كاهش هزينههاي سرمايهگذاري داشته است .
همچنين توزيع دمايي را در اين مبدلها مورد بررسي قرار دادند و تغييرهاي دما را در صفحههاي متفاوت مبدل و نيز تغييرها در طول هر صفحه آن را تعيين كردند]18[.
بر پايهي بررسيهاي صورت گرفته در اين مقالهها ،
مورد بررسي قرار گرفت. با بررسي اين مقالهها روشن است كه مدلسازي رژيم جريان آشفته در داخل پرههاي موجدار بسيار كم مورد مطالعه قرار گرفته است كه در اين مقاله هم براي پره موجدار سينوسي با ديوارههاي پيوسته و هم دو نوع پره موجدار با ديوارههاي ناپيوسته C شکل و S شکل به طور كامل مورد مطالعه قرار گرفت. خطهاي جريان و چگونگي توزيع دما براي هر سه پره به طور كامل تحليل شد. شبيهسازي ديناميک سيالهاي محاسباتي به صورت سهبعدي توسط نرمافزار انسيس فلوئنت ويرايش 15
مبدلهاي گرمايي صفحهاي پرهدار با پره موجدار نيازمند به مطالعه بيشتري براي توسعهي مدل تئوري معتبر ميباشند .
همچنين مطالعههاي بسيار كمي بر روي اصلاح هندسه اين نوع پرهها براي بهبود عملکرد گرمايي و هيدروليکي صورت گرفته است .
از اينرو ،اين مقاله به تحليل مبدل گرمايي صفحهاي پرهدار كه داراي پرهي موجدار سينوسي است، ميپردازد. تحليل گرمايي و هيدروليکي براي يک مبدل گرمايي فشرده به شدت به عملکرد سطوح انتقال گرما وابسته است كه به صورت ضريبهاي كلبورن و اصطکاک فنينگ بر حسب عدد رينولدز بيان ميشوند. در اين مطالعه ابتدا اثر 4 پارامتر هندسي ارتفاع پره، فاصلهبندي بين پره ،دامنه و طول موج پرههاي موجدار سينوسي در قالب پارامترهاي هندسي بدون بعد ) و  و ( روي ضريبهاي j و f در بازهي گستردهاي از عدد رينولدز) 15000 Re 100( تحليل شد. سپس به منظور بهبود هندسهي اين نوع پرهها و افزايش انتقال گرما، دو پرهي موجدار سينوسي با ديوارههاي ناپيوسته )افستدار( C شکل و S شکل مورد مطالعه قرار گرفت. براي دو پرهي موجدار C شکل و S شکل نيز اثر پارامترهاي هندسي روي ضريبهاي j و f مورد بررسي قرار گرفت و براي انجام اين تحليل، هر يک از پرهها 18 بار با ابعاد هندسي گوناگون رسم شدند. مطالعههاي بسيار كمي با اين ابعاد هندسي گوناگون روي پرههاي موجدار صورت گرفته است. پرههاي موجدار C شکل و S شکل در حقيقت تركيب دو پرهي موجدار و پره با ديوارههاي ناپيوسته و كوتاهتر هستند كه عملکرد گرمايي بهتري را ايجاد مينمايند و با استفاده از يک شاخص مناسب بهبود عملکرد اين دو پرهي موجدار ناپيوسته نسبت به پرهي موجدار پيوسته نشان داده ميشود. براي انجام اين تحليل، از هوا به عنوان سيال عامل استفاده شد. جريان هوا هم در رژيم جريان آرام و هم در رژيم آشفته تحت شرايط دماي ثابت ديوارهي پره) Tw(

78
براي انجام اين مدلسازي استفاده شد.

شبيه سازي عددي ناحيه محاسباتي
مبدل گرمايي مورد مطالعه، مبدل گرمايي صفحهاي پرهدار با پرههاي موجدار سينوسي پيوسته و پرههاي موجدار سينوسي ناپيوسته
S شکل و C شکل ميباشد. پرههاي موجدار با ديوارههاي ناپيوسته S شکل و C شکل دو نمونهي بهبوديافته از پرههاي موجدار با ديوارههاي پيوسته هستند.
اين دو شکل از پرههاي ناپيوسته، انتقال گرما را به واسطهي به هم زدن جريان و ايجاد اختلاط اضافي افزايش ميدهند و همچنين با شکستن پيوسته و پشتسر هم لايه مرزي گرمايي ،ميانگين بالاتري از ضريب انتقال گرماي سطح را ايجاد ميكنند.
پرهي S شکل در نقطههاي بيشينه و كمينه و پرهي C شکل در نقطههاي عطف، منقطع ميشود. به منظور تحليل گرمايي و هيدروليکي اين سه نوع پره، هر يک از آنها به ميزان يک تناوب برش داده ميشوند.
2835411933242

2303156933242

1489943929248

شکلهاي 1، 2 و 3 ويژگيهاي هندسي پرهها را نمايش ميدهند كه هر سه پره داراي ارتفاع H، فاصلهبندي بين پره s، طول موج تناوبيLP و دامنهي A هستند كه اثر اين پارامترها روي ضريبهاي j و f در قالب پارامترهاي هندسي بدون بعد 2A s ، H s و 2L Ap بررسي ميشوند .براي بررسي اين اثر، هر كدام از پرههاي موجدار با ديوارههاي پيوسته و ناپيوسته ،18 بار جداگانه كشيده و مش زده ميشوند .پارامترهاي هندسي بدون بعد براي اين 18 هندسه در جدول 1 آورده شده است.
اين اندازههاي هندسي از مرجع [1] استخراج شده است .
در 6 هندسهي اول )پرههاي شمارهي 1 تا 6( به منظور بررسي اثر  روي ضريبهاي j و  ،f و  ثابت نگه داشته ميشوند ، در 6 هندسهي دوم )پرههاي شماره 7 تا 12( براي بررسي اثر
-42671-84848

)0( Rapid Design Algorithm

شيمي

شکل 1ـ پره موجدار. الف( تصوير دوبعدی، ب( تصوير سه بعدی و ج( ناحيه محاسباتي.
71

)
الف
(

)

الف

(

s

s

)ب(

A



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید