تحلیل CFD در طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل‌ حرارتی پوسته و لوله یکی از ضروری ترین تجهیزات در حوزه وسیعی از کاربرد ها در صنایع مختلف است که نقش اساسی در انتقال حرارت بین دو سیال ایفا می‌کند. یکی از چالش‌های مهم در طراحی انواع مبدل‌ حرارتی، دستیابی به راندمان بالا و کاهش هزینه‌ها و مصرف انرژی است. استفاده از روش‌های شبیه‌سازی مانند CFD در این زمینه می‌تواند در تحلیل دقیق‌تر و بهینه‌سازی عملکرد این تجهیزات بسیار موثر باشد. در واقع تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به‌عنوان یک ابزار پیشرفته در طراحی و بهینه‌سازی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله ، به طراحان کمک می‌کند تا انتقال حرارت و جریان سیال را در این سیستم‌ها با دقت بالا شبیه‌سازی کنند.

در این مطلب تمامی تصاویر شبیه سازی شده در نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) می باشد.

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

مبدل‌های حرارتی تجهیزاتی هستند که در حوزه وسیعی از کاربردها از سیستم های تهویه مطبوع (HVAC) گرفته تا فرآیندهای شیمیایی، از تأسیسات تولید برق گرفته تا بسیاری از بخش‌ها در تولیدات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همانطور که از نام آن پیداست، مبدل حرارتی به انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر بدون اختلاط دو سیال کمک می کند.

در میان بسیاری از انواع مبدل های حرارتی، نوع پوسته و لوله به دلیل ساختار ساده تر، نرخ تبادل حرارت بالا و استحکام بالا، بسیار مورد توجه است. این مبدل شامل یک پوسته است که دسته ای از لوله ها(تیوب باندل) را در خود جای داده است و شامل دو کلاهک(هدر) می باشد که ابتدا و انتهای پوسته را می‌پوشاند.

همچنین مطالعه کنید: مبدل حرارتی ، مبدل حرارتی پوسته و لوله ، انواع مبدل پوسته و لوله ، اجزا مبدل حرارتی پوسته و لوله ، نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله

تحلیل CFD در طراحی مبدل‌ حرارتی پوسته و لوله

تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به‌طور کلی یک ابزار عددی است که برای شبیه‌سازی جریان سیال، انتقال حرارت و انتقال جرم در سیستم‌های پیچیده مانند مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله استفاده می‌شود. در طراحی مبدل‌های حرارتی، روش‌شناسی CFD شامل مجموعه‌ای از مراحل پیچیده است که به‌طور گام‌به‌گام انجام می‌شود. این مراحل شامل مدل‌سازی هندسی، شبکه‌بندی، تعریف شرایط مرزی، حل معادلات و تحلیل نتایج است. در ادامه هرکدام از این مراحل با جزئیات و به‌طور علمی توضیح داده شده است.

1- مدل سازی هندسی مبدل حرارتی

مدل‌سازی هندسی اولین مرحله در تحلیل CFD است که در آن هندسه سیستم مورد بررسی، یعنی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، طراحی می‌شود. هندسه مدل باید به‌طور دقیق ویژگی‌های سیستم واقعی را شامل شود؛ مانند تعداد لوله‌ها، قطر لوله‌ها، طول مبدل، هندسه پوسته و نحوه اتصال لوله‌ها به پوسته. در این مرحله باید توجه داشت که مدل هندسی باید ساده‌سازی‌های لازم را داشته باشد تا برای شبیه‌سازی مناسب باشد و در عین حال به مدل واقعی بسیار نزدیک باشد.

در برخی از مبدل‌های پیچیده، ممکن است به جای مدل‌سازی کامل سیستم، از مدل‌های کاهش‌یافته (Reduced Models) استفاده شود که در آن‌ها برخی از پارامترهای غیرضروری یا پیچیدگی‌ها حذف می‌شوند تا سرعت محاسبات افزایش یابد.

2- شبکه‌بندی (Meshing)

شبکه‌بندی یکی از مراحل حیاتی در تحلیل CFD است که در آن هندسه مدل به تعداد زیادی سلول‌های کوچک تقسیم می‌شود. این شبکه‌ها به‌عنوان ابزاری برای حل معادلات دیفرانسیل جزئی که توصیف‌کننده رفتار جریان سیال و انتقال حرارت هستند، عمل می‌کنند.

کیفیت شبکه‌بندی تأثیر زیادی بر دقت نتایج شبیه‌سازی دارد.

شبکه‌بندی معمولاً به دو نوع تقسیم می‌شود:

1- شبکه ساختاریافته (Structured Mesh): این نوع شبکه‌ها برای هندسه‌های ساده‌تر مانند لوله‌ها مناسب هستند. در این نوع شبکه، سلول‌ها به‌صورت منظم و مربعی (یا مستطیلی) مرتب می‌شوند.

2- شبکه غیرساختاریافته (Unstructured Mesh): این نوع شبکه‌ها برای هندسه‌های پیچیده‌تر مانند مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله که شامل منحنی‌ها و سطوح پیچیده هستند، استفاده می‌شوند.

در شبکه‌بندی، انتخاب اندازه سلول‌ها (Cell Size) نیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. سلول‌های کوچک‌تر دقت بالاتری را فراهم می‌آورند، اما همانطور که انتظار می رود، نیاز به زمان محاسباتی بیشتری دارند.

3- شرایط مرزی (Boundary Conditions)

یکی از چالش‌های مهم در تحلیل CFD، تعیین شرایط مرزی مناسب است. شرایط مرزی، ویژگی‌های جریان سیال در مرزهای مدل را تعریف می‌کند. این شرایط در حل معادلات حاکم تأثیر زیادی دارند. برای مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، مهم‌ترین شرایط مرزی شامل موارد زیر هستند:

سرعت ورودی (Inlet Velocity): سرعت جریان سیال ورودی به مبدل حرارتی باید مشخص شود. این سرعت تأثیر زیادی بر افت فشار و کارایی سیستم دارد.

دمای ورودی (Inlet Temperature): دمای سیال ورودی نیز یکی از پارامترهای اساسی است که تعیین‌کننده فرآیند انتقال حرارت در مبدل است.

شرایط خروجی (Outlet Conditions): دمای خروجی و فشار سیال در نقطه خروجی از مبدل نیز باید به‌طور دقیق تعیین شود.

شرایط دیواره‌ها (Wall Conditions): شرایط سطح لوله‌ها و پوسته که شامل مقاومت حرارتی یا عایق بودن آن‌ها است.

این شرایط به‌طور معمول یا به‌صورت عددی (مثلاً دما یا سرعت ثابت) و یا به‌صورت تابعی از موقعیت (مانند تغییر دما و سرعت در طول زمان) تعریف می‌شوند.

4- حل معادلات حاکم بر رفتار جریان سیال در مبدل حرارتی

در این مرحله، معادلات حاکم که توصیف‌کننده رفتار جریان سیال و انتقال حرارت هستند، به‌صورت عددی حل می‌شوند. معادلات حاکم در تحلیل CFD شامل معادلات ناویر-استوکس (برای جریان سیال) و معادله انرژی (برای انتقال حرارت) هستند. این معادلات معمولاً به‌صورت عددی و با استفاده از روش‌هایی مانند روش حجم محدود (Finite Volume Method) یا روش تفاضل محدود (Finite Difference Method) حل می‌شوند.

معادله ناویر-استوکس که جریان سیال را توصیف می‌کند به‌صورت زیر است:

که در آن:

𝜌 چگالی سیال است.

𝑢 سرعت جریان سیال است.

𝑃 فشار سیال است.

𝜇 ویسکوزیته سیال است.

𝑓 نیروی خارجی اعمال‌شده به سیال است.

معادله انرژی که انتقال حرارت را در سیستم شبیه‌سازی می‌کند به‌صورت زیر است:

که در آن:

𝑇 دمای سیال است.

𝛼 ضریب نفوذ حرارت است.

T²∇ گرادیان دما در فضا است.

این معادلات به‌صورت عددی توسط نرم‌افزارهای CFD مانند ANSYS Fluent یا COMSOL حل می‌شوند. بسته به پیچیدگی هندسه و شرایط مرزی، این محاسبات می‌توانند زمان‌بر و نیازمند منابع محاسباتی بالایی باشند.

5- تحلیل نتایج

پس از حل معادلات حاکم، نتایج شبیه‌سازی باید به‌دقت تحلیل شوند. نتایج معمولاً به‌صورت پروفیل‌های دما، سرعت جریان سیال، توزیع فشار و راندمان انتقال حرارت ارائه می‌شوند. این نتایج می‌توانند شامل:

پروفیل‌های دما (Temperature Profiles): این پروفیل‌ها، توزیع دما در نقاط مختلف مبدل را نشان می‌دهند.

نمودار افت فشار (Pressure Drop Curves): این نمودارها نشان‌دهنده تغییرات فشار در طول مسیر جریان سیال در مبدل هستند.

بردارهای سرعت در سیال ها(Velocity vectors): این نمودارها نشان دهنده تغییرات سرعت در طول مسیر جریان سیال در مبدل هستند.

تحلیل راندمان انتقال حرارت (Heat Transfer Efficiency): بررسی میزان کارایی انتقال حرارت در شرایط مختلف طراحی.

به طور کلی در مرحله تحلیل نتایج، بهینه‌سازی‌هایی مانند تغییر هندسه مبدل، انتخاب مواد جدید، یا تغییر سرعت جریان سیال می‌تواند انجام شود تا به بهترین عملکرد ممکن دست یافت.

سخن پایانی:

نتایج نشان می دهد مدل عددی را می توان با استفاده از نتایج به دست آمده از محاسبات بر اساس فرمول های انتقال حرارت، جداول و نمودارها اعتبار سنجی کرد. این به سیستم هایی که با مبدل های حرارتی کار می کنند این فرصت را می دهد تا سیستم های خود را با استفاده از CFD طراحی کنند، تحلیل CFD امکان اصلاح مدل را در صورت نیاز، قبل از تولید نمونه اولیه و تست آن فراهم می کند.

شما میتوانید با اطمینان از انجام تمام مراحل شبیه سازی و تحلیل سیستم خود، جهت مشاوره و ساخت مبدل حرارتی با متخصصین یاران قطعه توس خراسان(یارا مبدل) تماس حاصل فرمایید.