تحلیل عددی جریان سیال و انتقال حرارت و تعیین مشخصات بهینه بافل‌های متخلخل در مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله

STUDENT

DEGREE

YEAR

Increasing heat transfer in thermal equipment, including heat exchangers, is a topic that has been considered in recent years and extensive studies have been done on it. Today, many efforts are being made to increase the heat transfer rate in thermal systems. The use of porous media is one of the effective methods that have been considered in recent years to improving heat transfer in thermal systems. The porous medium increases heat transfer and pressure losses. In this study, the shell and tube heat exchanger with porous baffle has been investigated. The use of porous baffles in shell and tube heat exchangers is a new aspect of the work, which has not been investigated so far. To do so, the analysis of flow and heat transfer has been carried out using numerical simulations with fluent software. The investigated baffle is considered as single segmental. The flow is turbulent in both the tubes and the shell. The Darcy-Brinkman-Forchheimer model for the momentum equation of flow in a porous medium, and the one-equation model or local temperature equilibrium is considered for the energy equation. All thermodynamic properties of the solid phase and the fluid are independent of temperature. The porous material is assumed to be homogeneous and isotropic. In the present project, the effect of porous media parameters and porous baffles optimization are investigated. A performance evaluation criterion has been used to optimize geometry and porous baffles specifications. First, the effect of porosity percentage on porous baffles has been investigated. The results showed that by reducing the porosity of the baffle, the heat transfer rate increases. It was also observed that, by decreasing the porosity of the baffle, the performance evaluation criterion is increased. The effect of Darcy number or permeability on the performance evaluation criterion of heat exchanger has been examined. The results showed that by decreasing the permeability of the baffle, fromto , heat transfer is reduced; however by further decreasing the permeability from to the heat transfer enhances due to the increased mixing in the flow. Also, the heat transfer in the region of the baffles, increases, since by reducing permeability, the interaction between the fluid and the porous medium increases. It was also observed that by increasing the flow rate of the fluid through the shell, the heat transfer augments, but the pressure drop will also increase significantly. In order to optimize the heat exchanger with porous baffles, the effect of different baffle cuts and baffle spacings has been studied. The results showed that the heat exchanger with porous baffle with porosity of 0.7 and permeability of, with 15% baffle cut and baffle spacing of 133.35 mm, has the highest performance evaluation criterion. Keywords: heat transfer, pressure drop, Shell and tube heat exchanger, porous material, porous baffle, performance evaluation criterion

افزایش انتقال حرارت در تجهیزات حرارتی، از جمله مبدل‌های حرارتی، موضوعی است که در سال‌های اخیر مورد توجه واقع شده و مطالعات گسترده‌ای روی آن انجام گرفته است. امروزه تلاش‌های فراوانی جهت افزایش نرخ انتقال حرارت در سامانه‌های حرارتی انجام می‌شود. استفاده از محیط متخلخل، یکی از روش‌های موثری است که در سالیان اخیر در زمینه بهبود انتقال حرارت در سامانه‌های حرارتی مورد توجه قرار گرفته است. محیط متخلخل به‌دلیل افزایش سطح تماس سیال و همچنین دارا بودن ضریب هدایت حرارتی بالاتر نسبت به سیال عامل، موجب افزایش انتقال حرارت می‌شود. البته باعث افزایش افت فشار نیز می‌شود. در این پژوهش مبدل حرارتی پوسته-لوله با بافل متخلخل مورد بررسی قرار گرفته است. بافل‌ها در مبدل حرارتی پوسته-لوله با تغییر جهت سیال، انتقال حرارت را افزایش می‌دهند. بافل متخلخل انتقال حرارت را در مبدل حرارتی پوسته-لوله کاهش می‌دهد، اما مزیت آن کاهش بیشتر افت فشار است. استفاده از بافل‌های متخلخل در مبدل حرارتی پوسته-لوله از جنبه‌های جدید کار می‌باشد، که تاکنون مورد بررسی و پژوهش قرار نگرفته است. برای این کار تحلیل جریان و انتقال حرارت، به کمک شبیه‌سازی عددی، توسط نرم‌افزار فلوئنت انجام شده است. بافل مورد بررسی، تک قطاعی در نظر گرفته شده است. سیال داخل لوله و پوسته، آب مایع با خواص ثابت می‌باشد. جریان در لوله‌ها و پوسته مغشوش است. مدل دارسی-بریکمن-فورچیمر برای معادله مومنتم جریان در محیط متخلخل و مدل تک معادله‌ای یا تعادل دمای موضعی، برای معادله‌ی انرژی در نظر گرفته شده است. تمام خواص ترمودینامیکی فاز جامد و سیال مستقل از دما می‌باشد. از مدل توربولانسی k-? realizable برای شبیه‌سازی جریان مغشوش استفاده شده است. ماده متخلخل همگن و ایزوتروپیک درنظر گرفته شده است. در پروژه حاضر به بررسی اثر پارامترهای محیط متخلخل و بهینه‌سازی بافل متخلخل پرداخته می‌شود. برای بهینه کردن هندسه و مشخصات بافل متخلخل، از معیار ارزیابی عملکرد استفاده شده است. ابتدا به بررسی اثر درصد تخلخل‌های متفاوتی از بافل متخلخل پرداخته شده است. نتایج نشان می‌دهد که با کاهش میزان تخلخل بافل، میزان انتقال حرارت افزایش می‌یابد. همچنین مشاهده شد، که با کاهش میزان تخلخل بافل، معیار ارزیابی عملکرد مبدل حرارتی افزایش می‌یابد. اثر عدد دارسی یا نفوذپذیری بر معیار ارزیابی عملکرد مبدل حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد، که با کاهش نفوذپذیری بافل، از 4- 10 تا 6- 10 مترمربع، به‌دلیل اختلاط کم جریان و به هم خوردگی کم لایه مرزی، انتقال حرارت کاهش می‌یابد. با کاهش نفوذپذیری از 6- 10 تا 10- 10 مترمربع، انتقال حرارت به‌دلیل افزایش اختلاط در جریان، افزایش می‌یابد. همچنین در بررسی جریان به صورت محلی، میزان انتقال حرارت جریان عبوری از بافل به‌دلیل افزایش اندرکنش بین بافل و سیال، افزایش چشمگیری دارد. مشاهده شد، با کاهش نفوذپذیری بافل از 4- 10 تا 6- 10 مترمربع، به‌دلیل افزایش افت فشار و کاهش انتقال حرارت، معیار ارزیابی عملکرد کاهش می‌یابد. با کاهش نفوذپذیری از 6- 10 تا 8- 10 مترمربع، به‌دلیل افزایش بیشتر درصد انتقال حرارت به افت فشار ایجاد شده، معیار ارزیابی عملکرد افزایش می‌یابد. در نفوذپذیری 10- 10 مترمربع، به‌دلیل افزایش بیشتر افت فشار ایجاد شده، معیار ارزیابی عملکرد کاهش چشمگیری دارد. همچنین مشاهده شد که با افزایش دبی جرمی سیال عبوری از سمت پوسته میزان انتقال حرارت افزایش یافته اما از طرفی افت فشار، افزایش چشمگیری خواهد داشت. برای بهینه‌سازی مبدل حرارتی با بافل متخلخل، اثر بافل‌کات‌های مختلف و فاصله‌ی مختلف بافل‌ها از یکدیگر در چند حالت، نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد مبدل حرارتی با بافل متخلخل در میزان تخلخل 7/0 و نفوذپذیری 4- 10 مترمربع، با بافل کات 15 درصد و فاصله‌ی بافل‌ها از یکدیگر به مقدار 35/133 میلی‌متر، بیشترین معیار ارزیابی عملکرد حرارتی را دارا می‌باشد. کلمات کلیدی: انتقال حرارت، افت فشار، مبدل حرارتی پوسته-لوله، ماده متخلخل، بافل متخلخل، معیار ارزیابی عملکرد.