آموزش شبیه‌سازی انتقال حرارت درون یک مبدل پوسته و لوله دارای بافل مارپیچی

نقد و بررسی : آموزش شبیه‌سازی انتقال حرارت درون یک مبدل پوسته و لوله دارای بافل مارپیچی

تعریف مسأله

مسأله­‌ی حاضر به شبیه‌­سازی انتقال حرارت درون یک مبدل پوسته و لوله دارای بافل مارپیچی پرداخته است. مبدل حرارتی تجهیزی مخصوص انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم محسوب می‌­شود. دو مبدل حرارتی رایج در صنعت شامل مبدل­های صفحه‌­ای و مبدل­‌های پوسته و لوله می‌­باشد. مبدل­‌های پوسته و لوله از یک پوسته­‌ی خارجی استوانه‌­ای و مجموعه‌­ای از لوله­‌های داخلی درون آن تشکیل شده است. یکی از سیال‌­های سرد یا گرم از فضای بین لوله­‌ها و پوسته­‌ی خارجی عبور می‌­کند و سیال دیگر نیز از فضای داخلی لوله‌­های داخلی به صورت هم­جهت یا غیرهم­جهت با سیال دیگر حرکت می­‌کند. یکی از راه‌­های تقویت فرایند انتقال حرارت بین دو سیال، به‌­کارگیری بافل­‌هایی در مسیر جریان سیال در فضای داخلی پوسته می‌­باشد. استفاده از بافل­ها در مسیر حرکت سیال از یک سو، موجب ایجاد اغتشاش در جریان سیال عبوری درون پوسته و تماس بیشتر سیال با لوله‌­ها شده و درنتیجه انتقال حرارت تقویت می­‌شود؛ اما از سویی دیگر، موجب ایجاد افت فشار در سیال و همچنین رسوب سیال موجود در پوسته می­‌شود. بنابراین، استفاده از بافل­‌های مارپیچی موجب می­‌شود که علاوه بر تقویت انتقال حرارت بین دو سیال، میزان افت فشار و رسوب­‌گذاری درون مبدل کمتر گردد. در مدل حاضر، مبدل حرارتی شامل هفت لوله‌­ی داخلی و یک بافل مارپیچی در فضای داخلی پوسته است. جریان آب با دبی 0.5 کیلوگرم‌برثانیه و دمای 300 کلوین از ورودی پوسته وارد پوسته­‌ی مبدل می‌­شود و با لوله­‌هایی با دمای ثابت 450 کلوین تبادل حرارتی انجام می­‌دهد. درواقع، فرض شده است که جریان سرد از درون پوسته و جریان گرم از درون لوله­‌های داخلی عبور می­‌کند؛ اما برای سادگی مدل فرض شده است که دمای سیال گرم جاری درون لوله­‌ها در طول فرایند دارای مقدار ثابتی می­‌باشند که این دما معادل با 450 کلوین فرض شده است.

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه­‌بندی

مدل حاضر به صورت سه ­بعدی و با استفاده از نرم­‌افزار design modeler طراحی شده است. مدل مربوط به یک مبدل پوسته و لوله می‌­باشد که شامل یک پوسته­ خارجی و هفت لوله­‌ی داخلی درون آن می‌­باشد. قطر پوسته برابر 3 سانتی‌متر و طول آن برابر 60 سانتی‌متر می‌­باشد. درون فضای داخلی مبدل و بین پوسته و لوله، از یک بافل مارپیچی استفاده شده است. شکل زیر نمایی از هندسه­ ترسیمی را نشان می­‌دهد.

شبکه­‌بندی مدل با استفاده از نرم‌­افزار ansys meshing و به صورت بدون سازمان انجام گرفته است. در این شبکه­‌بندی، تعداد سلول­‌های تولیدی برابر 1629340 می­باشد و دقت سلول‌­ها در نواحی مجاور دیواره­‌ی لوله‌­ها بالاتر می‌­باشد. شکل زیر نمایی از شبکه‌­بندی را نشان می‌­دهد.

گام 2) مراحل شبیه­‌سازی

برای شبیه‌­سازی مسأله­ حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است:

• شبیه­‌سازی مسأله از نظر زمانی به صورت پایا (steady) صورت گرفته است؛ یعنی ترم زمانی در حل مسأله لحاظ نشده است.
• شبیه‌­سازی بر اساس دیدگاه مبتنی بر فشار (pressure-based) انجام گرفته است.
• شبیه‌­سازی به بررسی رفتار سیالاتی و انتقال حرارتی پرداخته است.
• اثر گرانش زمین بر روی جریان سیال معادل 9.81 متربرمجذورثانیه در راستای محور y رو به پایین در نظر گرفته شده است.

خلاصه‌­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

گام سوم) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو بعدی و سه ­بعدی مربوط به فشار، دما، و سرعت و همچنین خطوط جریان و بردارهای سرعت دو بعدی و سه­ بعدی به دست آمده‌­اند.