تحلیل گرمایی و هیدرولیکی مبدل‌های گرمایی‌ فشرده صفحه‌ای با پره‌های موج‌دار

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی

2 تهران، پژوهشگاه صنعت نفت

چکیده

مقاله حاضر به تحلیل گرمایی و هیدرولیکی مبدل‌های گرمایی‌ فشرده‌‌ی صفحه‌ای با پره‌های موج ‌دا رمی‌پردازد. این بررسی نشان می‌دهد که چگونه عملکرد یک مبدل گرمایی فشرده به شدت به نوع و پارامترهای هندسی سطوح انتقال گرما وابسته است و می‌تواند در قالب ضریب ‌های گرمایی کلبورن و هیدرولیکی فنینگ ارایه ‌شود. به‌ همین رو، ابتدا اثرهای 4 پارامتر هندسی ارتفاع پره، فاصله‌بندی بین پره، دامنه و طول موج پره‌های موج‌ دار در قالب پارامترهای هندسی بدون‌بعد (a، b و g) بر روی این ضریب‌ها در بازه گسترده ‌ای از عدد رینولدز (15000£Re£100) بررسی شد. سپس به منظور افزایش انتقال گرما و با هدف بهبود بازده مبدل‌ به واسطه‌ی تغییر در هندسه، دو نوع پره موج ‌دار با دیواره‌های ناپیوسته‌ی (افست‌دار) S و C شکل مورد مطالعه قرار گرفت. نتیجه‌ های این بررسی نشان می‌دهد که افزایش پارامتر هندسی بدون بعد  و کاهش دو پارامتر b و g سبب افزایش ضریب‌های کلبورن و اصطکاک فنینگ می‌شود. همچنین یک شاخص مناسب برای سنجش عملکرد مبدل‌های با پره‌ها‌‌ی موج‌دار ناپیوسته‌ی S و C شکل در مقایسه با پره‌ها‌ی موج‌دار پیوسته (بدون افست) ارایه م ی‌شود. استفاده از این شاخص نشان می‌دهد، حجم مبدل‌ها با پره‌‌های موج‌دار ناپیوسته به‌ مراتب کمتر از مبدل‌هایی است که با پره‌های موج‌دار پیوسته طراحی می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Sheik Ismail L., Velraj R., Studies on Fanning Friction (f) and Colburn (j) Factors of Offset and Wavy Fins Compact Plate Fin Heat Exchanger-A CFD Approach, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 56(12): 987-1005 (2009). 

[2] Zhang J., Kundu J., Manglik R.M., Effect of  Fin Waviness and Spacing on Lateral Vortex Structure and Laminar Heat Transfer in Wavy-Plate-Fin Cores, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47(8): 1719-1730 (2004).

[3] London A.L., Shah R.K., Offset Rectangular Plate-Fin Surfaces–Heat Transfer and Flow Friction Characteristics, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 90(3): 218–228 (1968).

[4] Patankar S.V., Liu C.H., Sparrow E.M., Fully Developed Flow and Heat Transfer in Ducts Having Streamwise-Periodic Variations of Cross- Sectional Area, Journal of Heat Transfer, 99(2): 180-186 (1977).

[5] Shah R.K., London A.L., "Laminar Flow Forced Convection in Ducts: A Source Book for Compact Heat Exchanger Analytical Data", Supplement 1 to Advances in Heat Transfer, Academic Press, New York (1978).

[6] Kays W.M., London A.L., "Compact Heat Exchangers", McGraw Hill (1984).

[7] Gough R.J., Al-Shemmeri T.T., Thermal and Friction Factor Data for Three Packed Block Construction Wavy Fin Surfaces, Journal of Power and Energy, 208(3): 225-229 (1994). 

[8] DeJong N.C., Zhang L.W., Jacobi A.M., Balachandar S., Tafti D.K., A Complementary Experimental and Numerical Study of the Flow and Heat Transfer in Offset Strip-Fin Heat Exchangers, Journal of Heat Transfer, 120(3): 690–698 (1998).

[9] Xi G., Shah R.K., Numerical Analysis of Offset Strip Fin Heat Transfer and Flow Friction Characteristics, In "Proc. Int. Conf. Computational Heat and Mass Transfer", Eastern Mediterranean University Printinghouse Gazimagusa, Cyprus, pp. 75-87 (1999). 

[10] Metwally H.M., Manglik R.M., Enhanced Heat Transfer due to Curvature-Induced Lateral Vortices in Laminar Flows in Sinusoidal Corrugated-Plate Channels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47(10): 2283-2292 (2004).

[11] Manglik R.M., Zhang J., Muley A., Low Reynolds Number Forced Convection in Three-Dimensional Wavy-Plate-Fin: Fin Density Effects, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48(8): 1439-1449 (2005).

[12] Junqi D., Jiangping C., Zhijiu C., Yimin Z., Wenfeng Z., Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for the Wavy Fin and Flat Tube Heat Exchangers, Applied Thermal Engineering, 27(11): 2066-2073 (2007).

[13] Sheik Ismail L., Ranganayakulu C., Shah R.K., Numerical Study of Flow Patterns of Compact Plate-Fin Heat Exchangers and Generation of Design Data for Offset and Wavy Fins, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(17): 3972-3983 (2009).

[14] Vyas S., Manglik R.M., Jog M.A., Visualization and Characterization of a Lateral Swirl Flow Structure in Sinusoidal Corrugated-Plate Channels, Journal of Flow Visualization and Image Processing, 17(4): 281–296 (2010).

[15] Khoshvaght Aliabadi M., Gholam Samani M., Hormozi F., Haghighi Asl A., 3D-CFD Simulation and Neural Network Model for the j and f Factors of the Wavy Fin-and-Flat Tube Heat Exchangers, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 28(3): 505-520 (2011).

[16] Tao Y., He Y., Qu Z., Tao W., Numerical Study on Performance and Fin Efficiency of Wavy Fin-and-Tube Heat Exchangers, Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, 11(3): 246-254 (2011).

[17] Huzayyin O.A., "Computational Modeling of Convective Heat Transfer in Compact and Enhanced Heat Exchangers", Doctoral dissertation, University of Cincinnati, (2011).

[18] جعفری‌نصر، محمدرضا؛ سعیدان، مهسا؛ طراحی بهینه و مدل­سازی مبدل‌های حرارتی قاب و صفحه‌ای، نشریه شیمی مهندسی شیمی ایران، (4)27: 79 تا 92 (1387).

[19] Cen Z.L., ZhaoJ.G.,  Shen B.X.,A Comparative Study of Omega RSM and RNG k–ε Model for the Numerical Simulation of a Hydrocyclone, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 33(3): 53-61 (2014).

[20] FLUENT User’s Guide, Fluent Incorporated Lebanon, NH, USA. (2004).