چگالش در کندانسور پوسته و لوله، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (چگالش)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی فرایند چگالش (condensation) درون یک کندانسور پوسته پوسته و لوله با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

فرآیند چگالش (condensation) به معنای تبدیل یک سیال از فاز گازی به فاز مایع است. این بدان معناست که وقتی بخار مایع به دمای اشباع (saturation temperature) می‌رسد، به مایع تبدیل می‌شود. گرمایی که باعث تغییر فاز بین مایع و گاز می‌شود، گرمای نهان (latent heat) نامیده می‌شود.

دمای اشباع برای وقوع فرآیند چگالش معادل 46 درجه سانتیگراد است، و ضریب فرکانس (frequency) این انتقال جرم معادل 0.1 تعریف شده است.

در این مدل‌سازی، چگالش در داخل کندانسور پوسته و لوله رخ می‌دهد. بنابراین، جریان آب خنک کننده از طریق لوله‌های کندانسور با دبی 5 کیلوگرم بر ثانیه و دمای 20 درجه سانتی‌گراد جریان می‌یابد. جریان بخار آب در داخل پوسته با سرعت 10 متر بر ثانیه و در دمای اشباع معادل 46 درجه سانتی‌گراد است.

بنابراین، بخار اشباع در اثر تماس با سطح بیرونی لوله‌های سرد داخلی، تحت فرآیند چگالش قرار می‌گیرد و دمای آن تا دمای کمتر از دمای اشباع کاهش می‌یابد. درنتیجه، آب مایع تولید می‌شود.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی شده است. این مدل مربوط به یک مبدل حرارتی کندانسور پوسته و لوله (shell and tube condenser) است که به صورت افقی طراحی شده است.

یک پوسته با دو بافل برای انتقال آب گرم طراحی شده است و چهار ردیف لوله در داخل پوسته برای انتقال آب سرد قرار داده شده است. به دلیل ساختار متقارن (symmetrical) مبدل حرارتی، مدل به صورت نیمه کشیده است تا هزینه محاسباتی کاهش بیابد.

سپس مش بندی مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شده است. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 342486 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

دراین شبیه سازی، جریان بخار آب اشباع شده در دمای اشباع به آب مایع تبدیل می‌شود. از آنجایی که دو فاز مختلف در فرآیند حل مسأله ایجاد می‌شود، لازم است یک جریان چندفازی تعریف شود.

برای این شبیه سازی، مدل چندفازی اختلاط (multiphase mixture model) استفاده می‌شود؛ زیرا دو فاز آب مایع و بخار آب کاملاً با هم مخلوط می‌شوند. همچنین برای تعریف چگالش، باید انتقال جرم (mass transfer) به صورت تبخیر-چگالش (evaporation-condensation) تعریف شود.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار، سرعت، دما، کسر حجمی (volume fraction) بخار آب، کسر حجمی آب مایع و نرخ انتقال جرم (mass transfer rate) بین آب و بخار یا تراکم به دست می‌آید.

پس از تماس با لوله‌های آب سرد و انتقال حرارت بین پوسته و لوله‌های سرد، کانتورها نشان می‌دهند که جریان بخار داغ دچار افت دما شده و دمای آن به زیر دمای اشباع می‌رسد.

درنتیجه، این فرآیند باعث وقوع تغییر فاز، چگالش بخار آب و تولید آب در کندانسور می‌شود.