توضیحات
پروژه شبیه سازی مبدل حرارتی لوله پره دار(فین) در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT
مبدل حرارتی(Heat exchanger):
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 جابه جا می شود. هرچند که این تعریف از جامعیت کافی برخوردار است، با این وجود موارد خاصی از مبدل های حرارتی وجود دارند که در این تعریف نمی گنجند. از جمله این موارد دستگاه های تبادل حرارتی هستند که در سفینه های فضایی و یا هر وسیله ای که در خلا 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 سروکار دارند 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. کوچک ترین آن ها کم تر از یک وات برای مصارف الکترونیکی فوق هادی ها، هدایت موشکهایی که به وسیله منبع حرارتی کنترل می شوند و بزرگ ترین آن ها ظرفیت حرارتی بزرگ تر از ۱۰۰۰ مگاوات در نیروگاه های بزرگ به عنوان دیگ بخار، کندانسور یا برج خنک کن به کار می روند. مبدلهای حرارتی با جریان متقاطع در اغلب کاربرد های صنعتی مانند تولید بخار در دیگ های بخار و یا در گرمایش و سرمایش هوا در درون یک دستگاه تهویه مطبوع و یا انتقال حرارت از گازهای دیگر کاربرد وسیعی دارند. نمونه ای از مبدل ها وجود دارد که در آن یک گاز با جریان اجباری از روی لوله ها می گذرد، در حالی که سیال دیگر با دمای متفاوت که برای گرمایش و یا سرمایش به کار برده می شود، درون لوله ها جریان دارد. در این مبدل های حرارتی جریان سیالی که از روی لوله ها می گذرد را، جریان مخلوط می نامند، زیرا می تواند در حین تبادل حرارت آزادانه به اطراف حرکت کند، این در حالی است که سیال دیگر در مجاری لوله ای جداگانه در حین تبادل حرارت جریان می یابد، به طوری که در طی فرایند انتقال حرارت نمی تواند با خودش مخلوط شود، این نوع از جریان را نامخلوط گویند. این که سیال در مبدل به صورت مخلوط جریان داشته باشد یا نامخلوط بر میزان انتقال حرارت کل مبدل حرارتی و افت فشار جریان عبوری اثر می گذارد.
انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی صورت می گیرد. در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال برقرار شود. این عملیات می تواند بین مایع- مایع، گاز – گاز و یا گاز مایع انجام شود. معمولاً مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود. مبدل های حرارتی از نظر میزان سطح انتقال حرارت (سطح واسط به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند. در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از ۷۰۰ متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل حرارتی را فشرده می گویند. مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق، پالایشگاه ها، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی، صنایع ذوب فلز و … به صورت گسترده به کار می روند. مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار، مولد بخار، کندانسور، اواپراتور، تبخیر کننده ها، برج خنک کن، پیش گرمکن فن کویل، خنک کن و گرم کن روغن، رادیاتورهای کوره ها و … کاربرد فراوان دارند.
مبدل های لوله ای پره دار(fin & tube heat exchanger):
این مبدل ها شامل آرایه ای از لوله ها با پره هایی که در سمت بیرونی ثابت شده اند ، می باشد. پره های سمت خارجی لوله ها ممکن است عمود بر محور لوله ها، اریب یا مارپیچ نسبت به محور، یا طولی (محوری) و در امتداد محور لوله باشند. پره های طولی معمولا در مبدل های دو لوله ای یا پوسته و لوله ای که دارای بافل نیستند استفاده می شوند. در مبدل های لوله ای پره دار عمومأ لوله هایی با مقاطع گرد، مستطیلی یا بیضوی استفاده می شوند. پره ها با لحیم کاری ، جوش برنجی ، جوشکاری، اکستروژن ، جا زدن مکانیکی ، پیچاندن کششی و غیره به لوله وصل می شوند. این مبدل ها بطور متداول در سیستم های گرمایش ، تهویه ، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. سطوح داخلی در سمت لوله ها عموما در چگالنده ها و تبخیر کننده های سیستم های تبرید استفاده می گردند.چگالنده های خنک شونده با هوا و دیگ بخار بازیافت ، مبدل های حرارتی لوله ای پره دار هستند که شامل یک دسته افقی از لوله ها است که هوا یا گاز از میان لوله ها و متقاطع با آن ها در سمت خارجی دمیده می شود و چگالش یا جوشش ، در سمت داخل لوله ها اتفاق می افتد.
مبدل های پره – لوله زیرشاخه ای از طبقه بندی مبدل های حرارتی بر اساس ساختار فیزیکی آنها هستند که به علت انعطاف پذیری در طراحی، در صنعت بسیار مورد استفاده قرار گرفته اند. به عبارت دیگر انعطاف پذیری مبدل های لوله ای به این دلیل است که هندسه مرکزی در این مبدل ها با تغییر دادن قطر، طول و یا چینش لوله ها به راحتی قابل تغییر است. مبدل های پره -لوله ای عمدتا برای تبادل حرارت بین گاز و مایع، وقتی که دمای کاری یا اختلاف فشار بین دو سیال مبادله کننده حرارت زیاد باشد، طراحی می شوند. در مبدل های پره – لوله لوله می تواند گرد، مستطیلی و یا بیضوی باشد اما لوله های گرد رایج ترند. همچنین پره ها می توانند درون یا بیرون لوله و یا در هر دو سوی لوله بسته به کاربردشان وجود داشته باشند. سیال مایع درون لوله ها جریان داشته و سیال گازی که عمداتا هوا است به صورت متقاطع از میان پرهها جریان پیدا می کند. عموما این طور است که قسمت حاوی سیال مایع نیازی به پره ندارد با اینحال ممکن است که در صورت لزوم، پره ها در داخل و یا در هردو سمت لوله ها نیز استفاده شود. شکل زیر دو مثل متفاوت از مبدل های حرارتی را نشان می دهد.
شکل معرفی مولدهای پره – لوله: الف- مبدلی که در آن لوله ها به طور مجزا پره دارند. ب- مبدلی که در آن لوله ها همگی یک پره پیوسته دارند.
انواع مبدل های حرارتی لوله پره دار:
در مبدل های حرارتی لوله پره دار عموما لوله هایی با مقاطع گرد، مستطیلی یا بیضوی استفاده می شوند. پره های سمت خارجی لوله ها ممکن است عمود بر محور لوله های اریب یا مارپیچ نسبت به محور، یا طولی (محوری) و در امتداد محور لوله ها باشند.
کاربرد مبدل های حرارتی لوله پره دار:
این مبدل ها به طور متداول در سیستم های گرمایش، تهویه، تبرید و تهویه مطبوع استفاده میشوند. سطوح داخلی در سمت لوله ها عموما در چگالنده ها و تبخیر کننده های سیستمهای تبرید استفاده می گردند. چگالنده های خنک شونده با هوا و دیگ های بخار بازیافت، مبدل های حرارتی لوله پره دار هستند که شامل یک دسته افقی از لوله ها است که هوا یا گاز از میان لوله ها و متقاطع با آنها در سمت خارجی دمیده میشود و چگالش یا جوشش، در سمت داخل لوله ها اتفاق می افتد.
اجزاء مبدل های حرارتی لوله پره دار:
یک مبدل حرارتی لوله پره دار از دو جزء کلی زیر تشکیل می شود.
1-لوله ها
۲-پره ها.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی مبدل حرارتی لوله پره دار(فین) در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر ترسیم شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
حلگر:
حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل جریان آرام Laminar استفاده شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده هوا می باشد که خواص آن در شکل زیر نشان داده شده است.
جنس لوله و فین از آلومینیوم می باشد که خواص آن در شکل زیر نشان داده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
برای وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم حل پیوسته(coupled) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادله فشار از روش PRESTO و برای گسسته سازی مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
