مبدل حرارتی لوله ای

مبدل حرارتی لوله-لوله (TTHE) یک مبدل حرارتی دو جداره با تهویه کم هزینه است که با اجتناب از اختلاط مایعات مبادله کننده حرارت، قابلیت اطمینان را افزایش می دهد. به طور بالقوه می توان از آن برای بازیابی حرارت از مدار خنک کننده موتور، خنک کننده روغن، گرمایش زدایی در تبرید و تهویه مطبوع، صنایع لبنی و داروسازی، صنایع شیمیایی، پالایشگاه و غیره استفاده کرد. کاربردها، کندانسور و اواپراتور در پمپ های حرارتی، خنک کننده روغن روان کننده برای توربین های گاز کشتی، خنک سازی شیر و کاربرد پاستوریزه. این مقاله یک مطالعه تجربی بر روی طرح‌بندی‌های مختلف TTHE برای انتقال حرارت آب به آب ارائه می‌کند. نتایج تئوری و تجربی در مورد این نوع پیکربندی مبدل حرارتی را نمی توان در ادبیات قرار داد. ضریب انتقال حرارت کلی و قدرت پمپاژ به طور تجربی برای طول لوله ثابت و مساحت سطح طرح‌بندی‌های سرپانتین با تعداد خم‌های مختلف تعیین شد و نتایج با لوله مستقیم TTHE مقایسه شد. در مورد مورد بررسی، طرح سرپانتین TTHE با هفت خم عملکرد بهینه را نشان داده است، با ضریب انتقال حرارت کلی 17٪ بیشتر از لوله مستقیم TTHE. دو مورد از پنج طرح سرپانتین TTHE عملکرد انتقال حرارت ضعیفی نسبت به لوله مستقیم TTHE نشان داده‌اند. نتایج تجربی همچنین نشان می‌دهد که یک بهینه قطعی برای تعدادی از خم‌ها در طرح سرپانتین TTHE وجود دارد. یک مدل تحلیلی برای پیش‌بینی عملکرد ترمو-هیدرولیک چیدمان مستقیم توسعه یافته و به صورت تجربی تأیید شده است.

مقدمه
مبدل حرارتی لوله-لوله (TTHE) یک مبدل حرارتی لوله‌ای دو جداره است که در آن دو یا چند لوله در کنار هم قرار می‌گیرند و با استفاده از مواد پیوند حرارتی (TBM) برای انتقال موثر گرما به یکدیگر متصل می‌شوند. استفاده از خم ها و طول های مستقیم در مبدل حرارتی لوله-لوله منجر به افزایش قابل توجهی در انتقال حرارت به دلیل جریان های ثانویه القا شده در خم ها می شود. جریان های ثانویه القا شده در خم منجر به افزایش انتقال حرارت در خم و همچنین در طول مستقیم در پایین دست خم بدون افزایش قابل توجهی در افت فشار می شود.

دین اولین بار اشاره کرد که وقوع یک جریان ثانویه در زوایای قائم به جریان اصلی به دلیل نیروی گریز از مرکز است. شرایط جریان تحریف شده توسط جریان ثانویه القایی در فاصله پایین دستی بیش از 50dt·i برای تک فاز و 70dt·i برای دو فاز باقی می ماند. چن و همکاران همبستگی تجربی پیشنهادی برای لوله‌های موجدار نوع U با قطر کوچک و جدایی کوتاه بین خم‌های متوالی (l/dt·i = 1.93-7). همبستگی آنها تطابق خوبی با داده های تجربی نشان می دهد. با این حال، برون یابی همبستگی با محدوده عملیاتی گسترده تر نیاز به بررسی بیشتر برای بررسی کاربرد آنها دارد. اخیراً چن و همکاران. یک همبستگی جدید برای ضریب اصطکاک پیشنهاد کرده‌اند که برای جداسازی وسیع‌تر بین خم‌های متوالی (l/dt·i = 0-30) قابل استفاده است، اما برای محدوده محدود Re (50-10000) معتبر است.

اوحدی و همکاران مطالعه خود را در مورد تأثیر خمش بر افت فشار در یک مقطع مستقیم در پایین دست یک خم 180 درجه گزارش کرده اند. آنها حدود 9 درصد افت فشار بیشتری را در بخش پایین دست به دلیل خمیدگی پیدا کردند. مبدل حرارتی Hampson چند جریانی با لوله های جفت گزارش شده توسط Kao از نوع سیم پیچ مارپیچ برای سه سیال است. لوله های جفت شده با لحیم کاری قلع-سرب با رسانایی حرارتی حدود 10 درصد مس لحیم می شوند که ممکن است به دلیل رسانایی حرارتی کم در تبادل حرارت مایع-مایع موثر نباشد.

در بسیاری از تکنیک های افزایش انتقال حرارت، افزایش معمولاً با افزایش قابل توجهی در قدرت پمپاژ مورد نیاز برای غلبه بر افزایش افت فشار برای همان نرخ انتقال حرارت همراه است. اما در مورد TTHE با چیدمان سرپانتین جریان های ثانویه ناشی از خمیدگی اثر خود را در قسمت پایین دست یک خم ادامه می دهند. افزایش انتقال حرارت در بخش پایین دست در لبه جلو حداکثر است و در طول آن کاهش می یابد. نتایج تجربی و نظری در مورد انتقال حرارت تک فاز در پیکربندی مبدل حرارتی لوله-لوله را نمی توان در ادبیات قرار داد. این مقاله به طور تجربی عملکرد ترمو هیدرولیکی طرح سرپانتین TTHE را با تعداد خم های مختلف در انتقال حرارت آب به آب بررسی می کند. همچنین، مقایسه تجربی عملکرد ترمو هیدرولیک ماژول‌های TTHE طرح سرپانتین با لوله مستقیم TTHE انجام شده است. یک مدل تحلیلی برای پیش‌بینی عملکرد ترمو-هیدرولیک لوله مستقیم TTHE توسعه و تأیید شده است.

در این نوع مبدل حرارتی، انتخاب گسترده ای از تنظیمات برای انتخاب بسته به کاربرد مانند مایع-مایع، گاز-مایع، دو فاز و غیره وجود دارد.  پیکربندی 1-1 برای مواد لوله با هدایت حرارتی بالا، 2-1 برای کاربرد گاز-مایع و پیکربندی n-n برای مواد لوله با هدایت حرارتی پایین ترجیح داده می شود. در برخی از کاربردها، لوله‌های با قطرهای مختلف با هم جفت می‌شوند که به انعطاف‌پذیری بیشتری در بهینه‌سازی مبدل حرارتی با توجه به ضریب انتقال حرارت و افت فشار اجازه می‌دهد. پیکربندی 2-1 در TTHE برای بازیابی سوپرهیت از یک چیلر 60 TR برای یکی از هتل های بمبئی استفاده می شود.

برخی از ویژگی های TTHE که نسبت به مبدل های حرارتی لوله در لوله و پوسته و لوله برتری دارد عبارتند از:
1
امکان استفاده از مواد مختلف برای لوله های حامل سیال به منظور کاهش هزینه. کاهش مواد مصرفی با استفاده از دو لوله در کنار هم، به جای اینکه یکی در داخل دیگری مانند مبدلهای حرارتی لوله در لوله استفاده شود.

2
برای یک فشار طراحی خاص، ضخامت دیواره لوله بیرونی زیاد است که باعث افزایش وزن و در نتیجه هزینه مبدل حرارتی می شود. در TTHE، لوله ها در کنار هم قرار می گیرند. از این رو، قطر لوله جایگزین لوله بیرونی کوچک است. این امر باعث کاهش ضخامت، وزن و هزینه لوله ها می شود. این امر به همراه کاهش هزینه هدرها منجر به طراحی ارزان تر و قابل اعتمادتر با وجود وزن اضافی و هزینه کم به دلیل TBM می شود.

3
توانایی TTHE در مدیریت سیالات با مواد فیبری، استخراج جزئی یا کامل یا وارد کردن سیالات در دمای متوسط، افزایش یا کاهش ظرفیت مبدل حرارتی با افزایش یا کاهش تعداد مجموعه‌های لوله، دسترسی خوب به همه لوله‌ها برای سهولت تعمیر، در صورت نشتی

راه اندازی آزمایشی

نمودار شماتیک تنظیمات آزمایشی برای انجام آزمایش‌های انتقال حرارت آب به آب بر روی ماژول‌های TTHE در شکل 3 نشان داده شده است. شامل بخش آزمایشی (ماژول TTHE پوشیده شده با عایق)، آبگرمکن برقی، دریچه‌ها، پمپ و ابزار دقیق برای اندازه گیری. راه اندازی آزمایشی از دو مدار سیال تشکیل شده است. مدار اول، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، حلقه بسته برای آب گرم است. آب گرم در آبگرمکن برقی تولید می شود که ظرفیتی در حدود 9 کیلو وات دارد. نرخ جریان

نتایج و بحث
نتایج افت فشار و انتقال حرارت برای چیدمان های آزمایش شده در انتقال حرارت آب به آب در شکل 4، شکل 5 نشان داده شده است.

توسعه مدل
یک روش NTU اثربخشی در مدل توسعه‌یافته برای پیش‌بینی عملکرد مبدل حرارتی لوله-لوله استفاده می‌شود. مدل حاضر توسعه یافته برای مبدل حرارتی لوله-لوله مستقیم دارای ویژگی های زیر است:
(آ)
چیدمان: مستقیم

(ب)
پیکربندی جریان: جریان مخالف یا جریان موازی.

(ج)
پارامترهای هندسی لوله ها: تعداد، قطر، ضخامت، مواد در دو طرف.

(د)
اتصال حرارتی لوله ها: مواد و اندازه آن (φ)، فاصله بین لوله های مجاور.

پارامترهای مناسب مانند طول باله، lfin

ضریب انتقال حرارت کلی
ضریب انتقال حرارت کلی با استفاده از عبارت زیر به دست می آیدRth·tbm مقاومت حرارتی مواد پیوند حرارتی است. ضخامت ماده پیوند حرارتی (اندازه گیری شده در جهت انتقال حرارت) از حداقل در ϕ = 0 تا حداکثر در مقدار محدود φ max متفاوت است. Rth·h و Rth·c به ترتیب مقاومت حرارتی بخشی از لوله ها در تماس با مواد پیوند حرارتی در سمت آب گرم و آب خنک کننده هستند.

اعتبار سنجی تجربی مدل
مدل حاضر توسعه یافته برای لوله مستقیم TTHE به صورت تجربی برای انتقال حرارت آب به آب با آزمایش یک ماژول معمولی TTHE لوله مستقیم تأیید شده است. تنظیمات آزمایشی مورد استفاده برای انجام آزمایش ها در بخش قبل توضیح داده شده است.

نتایج تجربی و شبیه‌سازی‌شده در مورد افت فشار و ضریب انتقال حرارت کلی برای لوله مستقیم TTHE در شکل 6، شکل 7 نشان داده شده است.

نتیجه گیری
پنج طرح مارپیچ مختلف TTHE به صورت تجربی برای اثر تغییر طول مستقیم بین خم ها بر عملکرد ترمو هیدرولیک ارزیابی شده است. لوله های مورد استفاده در هر پنج طرح سرپانتین TTHE 9.525 میلی متر OD و 43 میلی متر قطر خم هستند. حداکثر ضریب انتقال حرارت کلی برای طرح سرپانتین TTHE با هفت خم زمانی که عملکرد در همان قدرت پمپاژ مقایسه می شود، به دست می آید. همچنین ضریب انتقال حرارت کلی در طرح سرپانتین TTHE با هفت خم می باشد.