معرفی مبدل حرارتی لوله مارپیچ یا Spiral tube heat exchanger
طراحی و ساخت مارپیچ
مبدل حرارتی
در این مقاله، عملکرد و کاربردهای مبدل حرارتی صفحه مارپیچی نشان داده شده است. همچنین معادله حاکم بر پدیده های انتقال حرارت در چنین مبدل های حرارتی مورد بحث قرار گرفته است.
با توجه به معادلات حاکم، مدلی در اندازه LAB از این نوع مبدل حرارتی طراحی
و ساخته شده است. از ورق های آهن گالوانیزه به عنوان سطوح انتقال حرارت استفاده شد. دو گالوانیزه
ورق های آهنی دور یک هسته مرکزی و در نتیجه دو کانال جدا از هم به هم می پیچیدند
ساخته شد. همچنین شبیه سازی پیش طراحی مبدل حرارتی با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام شد
برای پیش بینی عملکرد مبدل حرارتی ابتدا هندسه با استفاده از Gambit ساخته شده است.
محیط نرم افزار سپس مدل از طریق فلوئنت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. به دلیل رسوب کمتر، راحت تر
تمیز کردن و ضریب انتقال حرارت بالا، مبدل حرارتی مارپیچی جایگزین خوبی برای دیگری است
انواع مبدل های حرارتی، به خصوص زمانی که قرار است جریان های رسوبی زیاد یا چسبناکی بالایی داشته باشند.
مایعات میزان رسوب پایین مبدل حرارتی، نیاز به تمیز کردن و در نتیجه خروج را کاهش می دهد
خدمات کاهش خواهد یافت. در مبدل حرارتی ساخته شده، عدد ناسلت با افزایش می یابد
سرعت جریان جرمی افزایش می یابد. میانگین عدد ناسلت حدود 100 است که بسیار خوب است.
(مبدل حرارتی، مارپیچی، مدلسازی عددی، طراحی، ساخت)
1. مقدمه
مبدل های حرارتی تقریباً پرکاربردترین قطعات در فرآیندهای شیمیایی هستند و تقریباً در تمام واحدهای صنعتی دیده می شوند. اینها ابزارهایی هستند که امکان انتقال حرارت بین دو یا چند سیال را فراهم می کنند. حرارت
انتقال را می توان در ترتیبات مایع-مایع، مایع-گاز و گاز-گاز انجام داد. مبدل های حرارتی به ترتیب استفاده می شوند
برای خنک کردن مایع داغ یا گرم کردن مایع سرد یا هر دو با هم. مبدل های حرارتی در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شوند.
کاتیون ها مانند نیروگاه ها، پالایشگاه ها، صنایع پتروشیمی، صنایع فرآیندی، صنایع غذایی و دارویی،
گرمایش و تهویه مطبوع. مبدلهای حرارتی مارپیچ کاربرد ویژه‌ای در مدیریت سیالات با ویسکوز بالا دارند.
جریان های با محتوای جامد بالا و جریان های جامد- مایع دو فازی.
تمیز کردن پس از رسوب گیری یکی از گران ترین مسائل مربوط به مبدل های حرارتی است که منجر به هدر رفتن آن می شود
زمان و پول به عنوان مثال، هزینه های رسوب در صنایع ایالات متحده به 5 میلیارد دلار در سال می رسد.
از بین انواع مبدل های حرارتی که برای سرمایش و گرمایش سیالات در صنایع استفاده می شود، اسپیرال است
مبدل حرارتی صفحه ای (SPHE) جایگاه ویژه ای دارد. یک SPHE از دو صفحه تشکیل شده است که
دور یک میله مرکزی نورد شده و بنابراین دو کانال متحدالمرکز مجزا ساخته شده است.
انتهای کانال ها از طریق جوشکاری مهر و موم می شوند. دو امکان برای آب بندی کناره های حرارت وجود دارد
مبدل: استفاده از پیچ و مهره و واشر برای بستن ورق های پوششی به مبدل حرارتی یا جوش دادن پوشش
ورق ها به مبدل حرارتی هر دو مزایا و معایب خاص خود را دارند. برای مورد پیچ و مهره و
واشرها می توان مبدل حرارتی را راحت تر باز کرد و تعمیر و نگهداری را با راحتی بیشتری انجام داد. اما مهر و موم است
پارامترهای پیچیده تر و کاری به پارامترهای واشر محدود می شود. از یک طرف، جوشکاری احتمالات پارامترهای کاری را گسترش می دهد. از طرف دیگر، تعمیر و نگهداری را دشوارتر می کند. به هر حال ما
تصمیم به استفاده از روش جوشکاری گرفته ایم.
هر یک از روندهای همزمان و متضاد جریان ها در دسترس است. تقریباً همیشه مایع داغ وارد می شود
مبدل حرارتی در مرکز قرار دارد و در حاشیه خاموش می شود. مایع سرد می تواند از مرکز و یا از داخل وارد شود
حاشیه، و بنابراین، این انتخاب به ترتیب منجر به جریان های همزمان یا مخالف خواهد شد. مشخص است
این ترتیب جریان مخالف عملکرد انتقال حرارت بهتری دارد.
فاصله بین سطوح انتقال حرارت می تواند
انتخاب شده از 5 تا 25 میلی متر برای بهینه سازی سرعت و رفتار انتقال حرارت باشد. معمولا ظرفیت گرمایی و گرما
سطح انتقال این نوع مبدل حرارتی تا 900 کیلووات و 500 متر مربع می باشد
، به ترتیب برای یک واحد. برای
ظرفیت های بالاتری که به ویژه برای صنایع سلولزی و کک، ترتیبات موازی و سری مورد نیاز است
می تواند به کار رود. SPHE می تواند تحت فشار تا 15 بار و دمای 450 درجه سانتیگراد کار کند.
یک مسیر عبوری جریان، شکل مارپیچی مسیر و وجود ناودانی در بین کانال ها منجر به
جریان های متلاطم حتی در سرعت های کمتر از حد انتظار. این و ماهیت مارپیچی جریان باعث برخورد دائمی ذرات سیال به سطوح انتقال حرارت می شود و بنابراین از رسوب گیری جلوگیری می کند. همانطور که رسوب افزایش می یابد، محلی
سرعت سیال افزایش می یابد و این سرعت بیشتر رسوب را از بین می برد. در اینجا لازم به ذکر است که برای
مبدل های حرارتی که بیش از یک گذر دارند، مانند مبدل حرارتی پوسته و لوله، زمانی که رسوب در یک گذر رخ می دهد، جریان از یک گذرگاه دیگر عبور می کند و سرعت در گذر اول کاهش می یابد و رسوب حتی رشد می کند.
در سال های گذشته تلاش هایی برای استفاده از مبدل های حرارتی اسپیرال و شبیه سازی جریان در آنها انجام شده است.
لوله های سیستم استخراج نفت توسط G. E. Kondhalkar و V. N. Kapatkat مورد مطالعه قرار گرفتند. آنها متوجه آن مارپیچ شدند
لوله می تواند برای کاهش هزینه ها استفاده شود. عملکرد حرارتی و افت فشار مبدلهای حرارتی مارپیچی توسط P. Naphon در نظر گرفته شده است. این کار میزان جریان جرمی سیالات سرد و گرم را نشان داد
جریان اثرات قابل توجهی بر عملکرد مبدل حرارتی داشت. P. M. Deshpande و S. Dawande تحصیل کردند
هیدرودینامیک لوله سیم پیچ مارپیچی افقی تلاش آنها منجر به این شد که ارتعاشات عرضی از
لوله های مارپیچ مخروطی تاثیر قابل توجهی بر فرکانس ارتعاش لوله ورودی دارند. M. S. Tandale و S. M.
جوشی یک مبدل حرارتی مارپیچ برای بازیابی گرمای هدر رفته از گاز تولید کننده طراحی کرد. آنها متوجه شدند که چندین
نیروها (ویسکوز، شناوری و گریز از مرکز) بر جریان در لوله های مارپیچی تأثیر گذاشتند [4]. تجزیه و تحلیل ریاضی از
ارتعاش عرضی لوله مارپیچ مخروطی توسط Y. Ke و همکاران انجام شد. آزمایشات نشان داد که تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت که با روش تجربی و با رویکرد تحلیلی محاسبه شده است.
حدود 12 درصد بود [5]. M. P. Nueza و همکاران رویکرد طراحی مبدلهای حرارتی مارپیچی را مطالعه کردند.
واضح است که سرعت انتقال حرارت مبدل حرارتی مارپیچی بیشتر از سایر انواع مبدل های حرارتی است. طراحی مبدل های حرارتی لوله مارپیچی توسط P. E. Minton مورد مطالعه قرار گرفت. این کار منجر به ایجاد روابط قابل استفاده برای طراحی مبدل های حرارتی شد. Y. Mori و W. Nakayama روی انتقال حرارت همرفتی اجباری کار کردند
لوله های منحنی برای اعداد دین بالا. میدان های جریان و دما به صورت تئوری و تجربی مورد مطالعه قرار گرفتند.
آنها فکر می کردند که جریان به دو بخش تقسیم می شود: یک جریان مرکزی اصلی و یک لایه مرزی نازک در نزدیکی
دیوارها . C. E. Kalb و J. D. Seader در مورد پدیده انتقال گرما و جرم برای جریان ویسکوز در منحنی بحث کردند.
لوله های دایره ای آنها تجزیه و تحلیل عددی را برای شار حرارتی دیوار یکنواخت انجام دادند، در حالی که دمای محیطی یکنواخت بود
فرض می شود، برای محدوده اعداد دین 1 – 1200 و محدوده اعداد پراندتل 0.005 – 1500 و انحنا
نسبت های 10-100 برای میدان های سرعت و دمای توسعه یافته. آنها دریافتند که پارامتر نسبت انحنا تاثیر کمی بر عدد ناسلت دارد، مهم نیست که عدد پراندتل چقدر باشد.
3. طراحی مبدل
طراحی مبدل های حرارتی در دو مرحله انجام می شود. ابتدا طراحی دینامیکی حرارتی و سیالات و سپس طراحی مکانیکی. طراحی دینامیکی حرارتی و سیال گام اصلی و اساسی برای طراحی مبدل حرارتی است. این
سطح انتقال حرارت و افت فشار مورد نیاز مبدل حرارتی را محاسبه می کند. هدف طراحی مکانیکی
این است که یک مبدل حرارتی بتواند شرایط کاری را تحمل کند. در واقع، این مرحله قرار است خواص فیزیکی و شکل مبدل حرارتی را تعیین کند.
3.1. طراحی حرارتی
در طول طراحی مبدل حرارتی اغلب از ضریب انتقال حرارت کلی استفاده می شود که سرعت انتقال حرارت را به هم متصل می کند
به اختلاف دمای سیستم در واقع، تمام مقاومت ها در برابر انتقال حرارت از جمله مقاومت
فیلم سیال سرد، ضخامت دیواره، فیلم سیال داغ و مقاومت در برابر رسوب در هر دو طرف در یک ضریب فشرده می شوند. در نهایت، رابطه انتقال حرارت به صورت رابطه است.
3.2. طراحی مکانیکی
مبدل های حرارتی صفحه مارپیچی با چرخاندن دو ورق بلند موازی در اطراف یک میله مرکزی برای ایجاد یک مارپیچ ساخته می شوند.
سپس لبه‌های آزاد کانال‌ها به یکدیگر جوش می‌شوند تا انتهای کانال‌ها را ببندند. فاصله بین
ورق های فلزی با استفاده از گل میخ هایی که به ورق ها جوش داده شده اند نگهداری می شوند. طول گل میخ ها می تواند از 5 تا 25 میلی متر متغیر باشد.
از این رو، با توجه به سرعت جریان جرمی، می توان فواصل مختلفی را بین ورق ها در طول طراحی انتخاب کرد. در هر کانال، مسیر سیال گرم یا سرد، جریان های ثانویه ایجاد می شود که منجر به اختلاط بهتر و
بنابراین سرعت انتقال حرارت افزایش یافته و رسوب کاهش می یابد.
فرآیند ساخت و ساز پیچیده باعث افزایش هزینه های ساخت اولیه می شود. مساحت سطح انتقال حرارت اینها
مبدل های حرارتی از 0.5 تا 500 متر مربع است
. حداکثر فشار کاری و دما اغلب به 15 بار محدود می شود
و به ترتیب 450 درجه سانتیگراد. استفاده از فناوری های جدید ممکن است حداکثر دما را تا
850 درجه سانتیگراد. با استفاده از معادلات موجود و با توجه به الزامات تجربی، یک مدل کوچک در اندازه LAB از مبدل حرارتی ساخته شد. از ورق های گالوانیزه-آهن استفاده شد.
این نوع ورق با توجه به در دسترس بودن، قیمت قابل قبول و خواص ترمودینامیکی خوب مورد استفاده قرار گرفت.
فاصله بین دو ورق برای یک کانال 15 میلی متر و برای کانال دیگر 25 میلی متر تعیین شد.
آزمایشات فشار هوا برای بررسی وجود نشتی انجام شد. این کار با پر کردن مبدل حرارتی انجام می شود
با هوای فشار سنج 2 بار. پس از 12 ساعت هیچ تغییری در فشار مشاهده نشد. بنابراین تصمیم گرفتیم
که مبدل حرارتی نشتی نداشته باشد.
4. شبیه سازی
برای بررسی قابلیت استفاده مبدل حرارتی با استفاده از نرم افزار Gambit یک مدل هندسی از آن ساخته شد و سپس
با استفاده از نرم افزار فلوئنت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. جدول 2 پارامترهای جریان استفاده شده در فلوئنت را نشان می دهد.
برای بررسی استقلال شبکه از 3 شبکه شامل 16000، 32000 و 48000 گره استفاده شد. با در نظر گرفتن نتایج، شبکه با 32000 گره انتخاب شد. در شبکه سازی، شبکه را در نزدیکی مناطق بسیار متغیر مانند ورودی ها و دیوارها مورد تاکید قرار دادیم. شرایط مرزی زیر مورد استفاده قرار گرفت: عدم لغزش روی دیوارها، دمای محیط 306 کلوین در نظر گرفته شد. ضریب انتقال حرارت هوا 2 تعیین شد
W 5
m k
h = ⋅ . برای دیوارهای داخلی داشتیم: T k hT r
∂ − =∆
∂ . برای خروجی سرد و گرم، فشار اتمسفر در نظر گرفته شد. جدول
3 برخی از نتایج فلوئنت را مرور می کند.
توزیع دما در سطوح با فواصل 0.1، 0.2، 0.3 و 0.4 متر از ورودی گرما
در تحلیل بدترین حالت جریان همزمان در نظر گرفته شده است.
سیال گرم هنگام عبور از مبدل حرارتی خنک می شود و سیال سرد
قبل از خروج از مبدل حرارتی گرم می شود. با عبور سیال داغ از مبدل حرارتی به ازای هر 0.1 متر پیشروی دمای آن حدود 1 درجه سانتیگراد کاهش می یابد و این مقدار به مقدار اضافه می شود.
این نمودار نشان می دهد که برای هر سرعت، عدد ناسلت سیال سرد بیشتر از سیال گرم است. همچنین، برای
هر دو سیال، اعداد ناسلت با افزایش سرعت افزایش می‌یابد. این اثر نتیجه افزایش حرارت است
ضریب انتقال بر اساس سرعت در این تصویر تمام خواص دو سیال یکسان است اما دما.
بنابراین، اگر دمای سیال سرد افزایش یابد و به دمای سیال گرم نزدیک شود، عدد ناسلت آن کاهش می یابد.
علاوه بر این، اختلاط جریان و مسیر حرکت ذرات در مبدل حرارتی مورد مطالعه قرار گرفت.
5. نتیجه گیری
در این کار، یک مبدل حرارتی صفحه مارپیچی در اندازه LAB ساخته شد. از آهن گالوانیزه به دلیل خوبی که داشت استفاده می شد.
خواص ترمودینامیکی، در دسترس بودن و قیمت قابل قبول. با استفاده از تست فشار هوا نشتی مشخص نشد.
این مقاله به بررسی توزیع دما و عدد ناسلت از طریق نرم افزار Gambit و Fluent می پردازد.
انتقال حرارت از سیال گرم به سیال سرد در امتداد مبدل حرارتی انجام شد. مبدل حرارتی ساخته شده
رفتار انتقال حرارت خوبی را در هر دو کانال نشان می دهد که می تواند از رسانه های نرم افزار تفسیر شود. انتقال حرارت
در امتداد مبدل حرارتی بسیار خوب خواهد بود. جریان سیال کاملاً متلاطم خواهد شد. شکل خاص
مبدل حرارتی و جریان های ثانویه منجر به حرکت تصادفی ذرات سیال در تمام جهات می شود.
که حرکات محوری، شعاعی و چرخشی با هم وجود دارند که سیال را به خوبی مخلوط می کنند و جریان را متلاطم می کنند. قدر عدد ناسلت در ورودی‌ها به دلیل اختلاف دما بیشتر است
با حرکت سیالات از طریق مبدل حرارتی به سمت نقاط خروجی و با کاهش اختلاف دما کاهش می یابد. این به اتفاق نظر در مورد فیزیک انتقال حرارت است. از آنجایی که شبیه سازی عملکرد مبدل حرارتی امکان پذیر است، می توان بهینه سازی مبدل حرارتی را مطالعه کرد. سرعت، ناسلت و دما
پیش بینی های توزیع با شرایط پیش بینی شده مطابقت دارد. با توجه به تمام مواد ذکر شده در بالا، استفاده از این نوع مبدل حرارتی مقرون به صرفه بوده و با توجه به سایر مزایای آن استفاده از آن توصیه می شود.
