نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی مبدل حرارتی صفحه ای Chevron

مقدمه ­ای بر مبدل حرارتی

مبدل­ های حرارتی تجهیزاتی می­باشند که برای انتقال حرارت از یک سیال خنک ­کننده به یک سیال گرم مورد استفاده قرار می­گیرند. ترکیب سیالات مورد استفاده در مبدل­ ها به صورت مایع-مایع، گاز-گاز و مایع-گاز می­باشند. مبدل­های حرارتی دارای کاربرد­های صنعتی بسیار زیادی مثل نیروگاه­ ها، پالایشگاه ­ها، صنایع فرایندی، صنایع فضایی و ….. می­باشند. مجموعاً مبدل­ های حرارتی به دو دسته­ ی کلی شامل مبدل­ های نوع پوسته و لوله (shell and tube) و مبدل­ های نوع صفحه­ ای (plate) تقسیم می­شوند.

ساختمان مبدل­ های صفحه­ ای شامل یک سری صفحات نازک موازی می­باشد که هر یک از این صفحات دارای یک سری شیارهای با زاویه در دو جهت مختلف و چهار حفره برای ورودی­ ها و خروجی­ های مختلف می­باشند. جانمایی حفره­ های مخصوص آب سرد و آب گرم به صورت ضرب­دری می­باشد و شیارهایی در هر صفحه تعبیه شده است که با توجه به زاویه­­ قرارگیری بر روی صفحات موجب می­شوند که آب­های سرد و گرم به صورت یکی در میان در بین صفحات جاری شوند و این جریان­های سرد و گرم با یک­دیگر اختلاط پیدا نکنند. شکل 1 نمایی از ساختمان یک مبدل صفحه ­ای و طراحی داخلی صفحات آن را نشان می­دهد.

شکل 1 : شماتیکی از مبدل­ های حرارتی صفحه ­ای

شرح مسأله

مسأله­ ی حاضر مربوط به شبیه­ سازی یک مبدل حرارتی مشابه مبدل صفحه­ ای به نام chevron پرداخته است. در این مدل، آب به عنوان جریان سیال سرد و گرم در مبدل حرارتی عمل می­نماید. صفحات بین دو جریان و کلیه­ ی دیواره ­های مبدل از جنس آلومینیوم می­باشد که وظیفه ­ی انتقال حرارت بین جریان آب سرد و آب گرم را بر عهده دارد؛ به طوری که این صفحات، از یک طرف، با آب سرد در تماس می­باشد و از طرفی دیگر، با آب گرم در تماس می­باشد. هدف از مسأله ­ی حاضر، بررسی انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم از طریق صفحه­ ی قرار گرفته در بین آنها می­باشد.

برای شبیه­ سازی حاضر از چند فرض استفاده شده است:

• حل مسأله بر اساس دیدگاه pressure-based انجام گرفته است.
• شبیه ­سازی مذکور از نظر زمانی به صورت پایا می­باشد.
• اثر گرانش زمین بر روی مدل نادیده گرفته شده است.

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه­ بندی

هندسه­ ی مدل حاضر یه صورت سه ­بعدی و با استفاده از نرم ­افزار design modeler طراحی شده است. از آنجایی که مدل مذکور مربوط به مبدل حرارتی نوع صفحه­ ای می­باشد، از دو بخش اصلی شامل مسیرهای مربوط به جریان آب (به عنوان سیال گرم) و مسیرهای جریان هوا (به عنوان سیال سرد) تشکیل شده است. مرز بین این دو مسیر جریان توسط صفحات جدا کننده تعیین شده است. شکل 2 نماهایی از هندسه­ ی ترسیم شده را در دو فضای مخصوص عبور جریان آب و جریان هوا نشان می­دهد.

شکل 2 : شماتیکی از هندسه­ ی ترسیمی

شبکه ­بندی مدل حاضر توسط نرم ­افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه­ بندی به صورت با سازمان و غیریکنواخت انجام شده و تعداد سلول­ها معادل 638892 می­باشد. شکل 3 نمایی از شبکه­ بندی انجام گرفته را نشان می­دهد.

شکل 3 : شماتیکی از شبکه­ بندی

گام 2) مراحل شبیه­ سازی

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :

گام 3) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار، دما، سرعت و شار حرارتی حاصل شده است. شکل­ های 4 الی 9 نتایج حاصل را نشان می­دهد.