نحوه مدل سازی مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و لوله یکی از پرکاربردترین مبدل های حرارتی در صنایع تبدیلی هستند (65 درصد بازار طبق کتاب طراحی حرارتی HS Lee) و معمولاً در پالایشگاه های نفت، نیروگاه های هسته ای و سایر فرآیندهای شیمیایی در مقیاس بزرگ یافت می شوند. علاوه بر این، آنها را می توان در بسیاری از موتورها یافت و برای خنک کردن مایع هیدرولیک و روغن استفاده می شود. پیکربندی‌های مختلفی برای این مبدل‌های حرارتی وجود دارد، اما مفهوم اصلی آنها را می‌توان از طریق مدل‌سازی چندین جزء کلیدی طراحی کرد. سپس این اجزا را می توان بسته به کاربرد خاص مبدل حرارتی تغییر داد و اجازه می دهد این طرح اساسی در زمینه های مختلف کاربردی مختلف مورد استفاده قرار گیرد. در اینجا، نحوه مدل‌سازی مبدل حرارتی پوسته و لوله را با استفاده از COMSOL Multiphysics در یک آموزش تصویری گام به گام به شما نشان خواهم داد.

ویدئو: نحوه مدل سازی مبدل حرارتی پوسته و لوله

ویدئوی زیر مراحل اولیه برای راه اندازی شبیه سازی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله را نشان می دهد، از جمله انتخاب یک مدل جریان توربولانس مناسب، تعیین مواد وابسته به دما و فشار، تنظیم شرایط مرزی ورودی و خروجی، تعریف رسانایی گرما با استفاده از ویژگی لایه بسیار رسانا و مراحل دیگر. علاوه بر این، این ویدئو نشان می‌دهد که چگونه این مدل ماژول انتقال حرارت و ماژول CFD را در یک شبیه‌سازی یکپارچه ترکیب می‌کند، جایی که ضریب انتقال حرارت کلی و افت فشار در لوله و پوسته تجزیه و تحلیل می‌شوند.

شبیه سازی طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله

مفهوم مورد استفاده برای طراحی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله با بررسی مدل کاری یک مبدل حرارتی مستقیم، جریان متقاطع، پوسته و لوله یک پاس بررسی می‌شود. هندسه چنین مدلی در زیر نشان داده شده است:

هندسه یک مبدل حرارتی پوسته و لوله پایه

در این مثال دو سیال از مبدل حرارتی عبور داده می شود. سیال اول، در این مورد آب، از لوله ها عبور می کند، در حالی که سیال دوم، هوا، در داخل پوسته مبدل حرارتی اما در خارج از لوله ها گردش می کند. هر دوی این سیالات هنگام ورود به مبدل حرارتی دمای شروع متفاوتی دارند، اما پس از گردش در پوسته و لوله‌ها، سیالات به دمای تعادل نزدیک‌تر می‌شوند.

مدل را دانلود کنید

می توانید مدل مبدل حرارتی پوسته و لوله را از گالری مدل دانلود کنید و از مدل پیش پردازش شده برای ادامه مراحل توضیح داده شده در ویدیو استفاده کنید.

رونویسی ویدیو

مبدل حرارتی Shell and Tube اغلب در پالایشگاه ها و همچنین سایر کارخانه های در مقیاس بزرگ یافت می شود. چندین تنوع طراحی و شرایط عملیاتی وجود دارد که بر عملکرد بهینه چنین دستگاه هایی تأثیر می گذارد. برای هدف این مثال، ما یک مبدل حرارتی مستقیم، جریان متقاطع، یک لوله یک گذر، با جریان آب از سمت لوله و جریان هوا از سمت پوسته را تجزیه و تحلیل خواهیم کرد. ما مواد مبدل حرارتی را به عنوان فلز ساختاری تعریف می کنیم و یک مدل آشفتگی k-epsilon برای جریان هوا و آب در نظر می گیریم.

در این مثال برای صرفه جویی در زمان از قسمت پارامترها، هندسه و تعریف صریح می گذریم. اگر مایل به اطلاعات بیشتر در مورد آن موضوعات هستید، لطفاً به آموزش مبدل حرارتی موجود در گالری مدل بروید.

برای وارد کردن مدل مبدل حرارتی از پیش پردازش شده، روی View کلیک کنید و سپس Model Library را باز کنید. در کتابخانه مدل به Heat Transfer Module، سپس Heat Exchangers بروید و «هندسه مبدل حرارتی پوسته و لوله را باز کنید. mph” فایل. پس از باز شدن فایل، ما آماده شروع تعریف پارامترهای فیزیک و تجزیه و تحلیل هستیم.

ابتدا برای تعریف متریال، روی Materials کلیک راست کرده و مرورگر Material را باز کنید. در زیر تب Built In، Air را انتخاب کنید و مواد را به مدل اضافه کنید. به همین ترتیب، Material Browser را باز کنید و آب مایع را به مدل اضافه کنید. با استفاده از لیست انتخاب و انتخاب حوزه آب، ماده آب را تعریف کنید. یک بار دیگر، با باز کردن مرورگر مواد و اضافه کردن Structural steel، ماده سوم را اضافه کنید. دیوارهای مبدل حرارتی را با انتخاب مرز از لیست موجودات هندسی و سپس انتخاب دیوارها از لیست انتخاب ها به عنوان فولاد تعریف کنید.

برای تعیین مرزهای جریان مدل، شرایط ورودی و خروجی را برای جریان آب و هوا اضافه می کنیم. روی Non-Isothermal flow کلیک راست کنید، سپس به تب جریان آشفته بروید و یک شرط مرزی Inlet اضافه کنید. از لیست انتخاب مرز، آب ورودی را انتخاب کنید. در قسمت velocity U0 سرعت آب را به صورت u_water وارد کنید. اکنون روی Inlet 1 کلیک راست کرده و نام آن را به آب ورودی تغییر دهید. به طور مشابه، با کلیک راست بر روی جریان غیر همدما و رفتن به جریان آشفته k-epsilon و اضافه کردن یک خروجی شرط مرزی، یک خروجی اضافه کنید. از لیست انتخاب مرز، آب خروجی و از لیست شرایط مرزی، تنش معمولی را انتخاب کنید. این بدان معناست که تنش کل در جهت مماس به مرز و همچنین مرجع فشار روی صفر تنظیم شده است و به سیال اجازه می دهد بدون هیچ امپدانسی جریان یابد. اکنون نام Outlet 1 را به عنوان Outlet water تغییر دهید. روی Non-Isothermal flow کلیک راست کرده و ورودی آشفته k-epsilon دیگر اضافه کنید. از لیست انتخاب ها، هوای ورودی را انتخاب کنید و در قسمت Velocity سرعت هوا را U0 به u_air تغییر دهید. سپس نام ورودی 2 را به عنوان هوای ورودی تغییر دهید. دوباره روی Non-Isothermal flow کلیک راست کرده و یک خروجی آشفته k-epsilon اضافه کنید. از لیست انتخاب، هوای خروجی و استرس عادی را به عنوان شرایط مرزی انتخاب کنید. نام Outlet 2 را به عنوان Outlet air تغییر دهید.

شرایط تقارن را با کلیک راست بر روی جریان غیر همدما و رفتن به قسمت Turbulent Flow، k-epsilon و انتخاب Symmetry flow به جریان اضافه می کنیم. از لیست Boundaries Selection، Symmetry را انتخاب کنید. روی Non-Isothermal flow کلیک راست کنید و در قسمت Turbulent Flow، k-epsilon را انتخاب کنید Interior wall. از لیست انتخاب، دیوارها را به عنوان مرزهای داخلی انتخاب کنید.

برای تعریف شرایط انتقال حرارت، دما را در ورودی ها و جریان خروجی را در خروجی ها تعریف می کنیم. مشابه جریان، ما نیز باید شرایط تقارن را برای انتقال حرارت تعریف کنیم. علاوه بر این، ما از ویژگی لایه بسیار رسانا برای در نظر گرفتن رسانش گرما از طریق پوسته استفاده خواهیم کرد. روی Non-Isothermal flow کلیک راست کنید، به Heat transfer بروید و یک مرز دما اضافه کنید. از لیست Boundary Selections، آب ورودی را انتخاب کنید. در قسمت دما، T_water را تایپ کنید، سپس نام Temperature 1 را به Temperature water تغییر دهید. روی Non-Isothermal flow کلیک راست کرده و در قسمت Heat transfer، یک Outflow اضافه کنید. از Boundary Selections، لیست Outlet water را انتخاب کنید، سپس نام Outflow 1 را به عنوان Outflow آب تغییر دهید.

با کلیک راست بر روی جریان غیر همدما، مرز دمای دیگری را اضافه کنید. از لیست انتخاب مرز، هوای ورودی را انتخاب کنید و در قسمت دما، T_air را تایپ کنید. دما 2 را به دمای هوا تغییر نام دهید. همچنین با کلیک راست روی Non-Isothermal flow یک مرز خروجی دیگر اضافه کنید. مرز را به Outlet air تغییر دهید، سپس Outflow 2 را به عنوان Outflow air تغییر دهید.

اکنون با کلیک راست بر روی جریان غیر همدما، یک خاصیت تقارن را به معادلات انتقال حرارت اضافه کنید و در قسمت انتقال حرارت، Symmetry, heat را انتخاب کنید. از لیست Boundary Selection Symmetry را انتخاب کنید. روی Non-Isothermal flow کلیک راست کرده و به Heat Transfer رفته و شرط مرزی Highly Conductive Layer را انتخاب کنید. از لیست Selections، Walls را انتخاب کنید و ضخامت لایه را به 5 میلی متر تغییر دهید.

اکنون اپراتورهای کوپلینگ مدل سازی را برای ارزیابی ضریب انتقال حرارت معادل تعریف می کنیم. روی Definitions کلیک راست کرده و به مدل couplings رفته و میانگین را انتخاب کنید. موجودیت هندسی را به مرز تغییر دهید و از لیست مرزی، آب ورودی را انتخاب کنید. روی میانگین 1 کلیک راست کرده و نام آن را به میانگین 1 تغییر دهید: آب ورودی. به همین ترتیب، با کلیک راست بر روی Definitions یک عملگر متوسط ​​دیگر اضافه کنید. مرز را به عنوان موجودیت هندسی انتخاب کنید و از لیست انتخاب ها هوای ورودی را انتخاب کنید. میانگین 2 را به میانگین 2 تغییر دهید: هوای ورودی. اکنون روی تعریف کلیک راست کرده، به مدل couplings رفته و Integration را انتخاب کنید. Boundary را به عنوان موجودیت هندسی انتخاب کنید و Water-air walls را به عنوان Boundary انتخاب کنید. تغییر نام ادغام 1 به عنوان یکپارچه سازی 1: دیوارهای آب-هوا.

با توجه به پیچیدگی این مدل، زمان محاسبه بسته به اندازه مش تعریف شده توسط کاربر می تواند بسیار متفاوت باشد. ایجاد تعادل بین دقت و هزینه محاسباتی به منظور اطمینان از دقیق ترین راه حل در زمان مناسب بسیار مهم است. برای هدف این مثال، ما یک مش بسیار درشت القا شده از فیزیک اصلاح شده را تعریف می کنیم تا در عین حال دقیق، راه حلی نسبتاً سریع به دست آوریم.

در پنجره تنظیمات مش، اندازه عنصر را به بسیار درشت تغییر دهید، سپس روی Mesh 1 کلیک راست کرده و edit physics induced sequence را انتخاب کنید. روی Free tetrahedral 1 کلیک کنید، سپس در قسمت scale geometry قسمت مقیاس x-direction را روی 0.5 قرار دهید. سپس در زیر گره Boundary Layer 1 Boundary Layer properties 1 را انتخاب کنید و تعداد مرزها را 3 تعریف کنید، سپس روی build all کلیک کنید. هنگامی که مش ساخته شد، آماده محاسبه مطالعه 1 هستید.

لطفاً توجه داشته باشید که محاسبه مدل با یک رایانه متوسط ​​حاوی 12 گیگابایت حافظه آزاد حدود 3 ساعت طول می کشد. بسته به قدرت محاسباتی دستگاه شما، این زمان ممکن است متفاوت باشد.

هنگامی که نتایج محاسبه شد، گره وضوح دیوار را گسترش دهید و روی سطح 1 کلیک کنید. در بخش بیان، روی جایگزین عبارت کلیک کنید، سپس جریان غیر همدما، Upside را انتخاب کنید و Wall lift off را انتخاب کنید. روی نمودار کلیک کنید تا دیواره بالابر لوله ها را ببینید. از این نمودار می توانید ببینید که بحرانی ترین مناطق از نظر وضوح مش در کجا قرار دارند. به طور معمول، بلند کردن دیوار قابل قبول باید زیر 10٪ از شعاع لوله باقی بماند. در این نمودار می توانید ببینید که بیشتر دیواره های بالابر زیر 10 درصد باقی می مانند که باعث می شود این وضوح مش به اندازه کافی برای هدف این مثال اصلاح شود.

اکنون که مدل را تأیید کردیم، اجازه دهید توزیع دما را در امتداد تمام مرزهای دیوار تجزیه و تحلیل کنیم. در زیر گره Data Sets روی Surface 1 کلیک کنید. از لیست انتخاب، دیوارها را به عنوان مرز انتخاب کنید. در زیر نتایج، Temperature را باز کنید و روی Surface 1 کلیک کنید، سپس واحد دمای پیش فرض را به degC تغییر دهید. برای مشاهده توزیع دما در امتداد سطح جدید روی نمودار کلیک کنید.

به منظور ایجاد یک نمای ساده سه بعدی که سرعت و دما را نشان می دهد، راه حل به دست آمده توسط هندسه نیمه مبدل حرارتی اصلی را منعکس می کنیم. روی مجموعه داده ها کلیک راست کنید، به مجموعه داده های بیشتری بروید و یک Mirror 3D اضافه کنید. از لیست صفحه، zx-planes را به عنوان صفحه تقارن انتخاب کنید. روی نتایج کلیک راست کرده و یک گروه طرح سه بعدی اضافه کنید. از لیست مجموعه داده ها، Mirror 3D1 را انتخاب کنید. روی 3D Plot Group 4 کلیک راست کرده و یک خط ساده اضافه کنید. در قسمت ویرایش نقاط زیر قسمت streamline positioning، عدد 100 را تایپ کنید تا تعداد خطوط جریان در طرح مشخص شود. سپس نوع خط را به صورت لوله ای تعریف کنید تا رنگ آمیزی میدان سرعت بیشتر نمایان شود. روی Streamline 1 کلیک راست کرده و Color Expression را انتخاب کنید. از لیست جدول رنگ، Thermal را انتخاب کنید. روی 3D Plot Group 4 کلیک راست کرده و نام آن را به Velocity تغییر دهید.

این شکل جریان هوا و همچنین جریان آب از طریق مبدل حرارتی را نشان می دهد. ظرفیت های حرارتی بسیار متفاوت بین هوا و آب به وضوح در این نمودار به تصویر کشیده شده است، زیرا دمای هوا در هنگام عبور از مبدل حرارتی بسیار شدیدتر از دمای آب تغییر می کند.

اکنون بر روی مقادیر مشتق شده راست کلیک کرده و یک ارزیابی جهانی اضافه کنید. با استفاده از عملگرهای ادغام و جفت متوسط ​​تعریف شده قبلی، عبارت زیر را برای تعریف ضریب انتقال حرارت تایپ کنید. در اینجا می توانید عبارات کلی تعبیه شده در عبارات را مشاهده کنید: توان، مساحت، دمای داغ ورودی و دمای سرد ورودی. برای حل ضریب انتقال حرارت کلی مبدل حرارتی، روی ارزیابی کلیک کنید. بر روی Global Evaluations 1 کلیک راست کرده و نام آن را به Heat Transfer Coefficient تغییر دهید.

حال اجازه دهید میانگین فشار ورودی آب و همچنین فشار متوسط ​​هوای ورودی را تجزیه و تحلیل کنیم. روی مقادیر مشتق شده کلیک راست کنید و به میانگین بروید و سپس Surface average را انتخاب کنید. از لیست انتخاب، آب ورودی را انتخاب کنید و در قسمت عبارت p را وارد کنید، سپس روی دکمه ارزیابی کلیک کنید تا میانگین فشار آب ورودی را ببینید. این نتیجه معادل افت فشار آب در سراسر مبدل حرارتی است، زیرا فشار آب خروجی تقریباً صفر است. روی Surface Average 1 کلیک راست کرده و نام آن را به Inlet Pressure, Water تغییر دهید. بر روی مقدارهای مشتق شده کلیک راست کرده و یک Surface Average دیگر اضافه کنید. از لیست انتخاب مرز، هوای ورودی را انتخاب کنید و در قسمت عبارت عبارت P را تایپ کنید. اکنون روی دکمه ارزیابی کلیک کنید تا میانگین فشار هوای ورودی را ببینید. به طور مشابه، این مقدار معادل افت فشار هوا در سراسر مبدل حرارتی است.

این و مدل های مشابه را در گالری مدل ها در comsol.com/models بیابید