مدل سازی مبدل حرارتی کویل

مبدل های حرارتی کویل ساده و آسان برای ساخت هستند. در اینجا، ما یک سیم پیچ محوری از مس را در نظر می گیریم که آب گرم را حمل می کند که هوای داخل یک مجرای دایره ای را گرم می کند. از آنجایی که هندسه در مورد خط مرکزی تقریباً ثابت است، مدل در صفحه متقارن محوری دو بعدی حل می شود. عبارات اضافی برای محاسبه افت دما بین چرخش سیم پیچ اضافه می شود که مدل سازی را بسیار ساده می کند.

یک مدل مبدل حرارتی کویل

مبدل حرارتی سیم پیچی که در نظر خواهیم گرفت در شکل زیر نشان داده شده است.

یک کویل مسی آب گرم را از طریق مجرای حامل هوای سرد حمل می کند.

لوله مسی به صورت مارپیچ پیچیده می شود تا بتوان آن را در امتداد محور یک مجرای هوا وارد کرد. هوای سرد از طریق مجرا حرکت می کند و آب گرم از طریق لوله پمپ می شود. الگوی جریان هوا و دمای هوا و لوله های مسی با استفاده از رابط انتقال حرارت مزدوج محاسبه می شود . از آنجایی که هندسه تقریباً متقارن است، می‌توانیم مدل‌سازی خود را با فرض اینکه هندسه و جریان هوا کاملاً متقارن هستند، ساده کنیم. بنابراین، می‌توانیم از رابط انتقال حرارت مزدوج متقارن دوبعدی استفاده کنیم . از آنجایی که سرعت هوا زیاد است، از مدل جریان آشفته استفاده می شود. در این مورد، مدل k-epsilon است.

ما می توانیم فرض کنیم که آبی که در داخل لوله جریان دارد یک جریان کاملا توسعه یافته است. همچنین می توانیم فرض کنیم که تغییرات دمایی آب به اندازه ای کوچک است که چگالی آن تغییر نمی کند، بنابراین سرعت متوسط ​​ثابت خواهد بود. بنابراین، ما اصلاً نیازی به مدل‌سازی جریان آب نداریم و در عوض می‌توانیم انتقال حرارت بین سیال و دیواره‌های لوله را از طریق یک همبستگی انتقال حرارت همرفتی اجباری مدل‌سازی کنیم.

شرایط مرزی شار حرارتی همرفتی از یک همبستگی عدد ناسلت برای همرفت داخلی اجباری برای محاسبه انتقال حرارت بین آب و لوله مسی استفاده می‌کند. این شرط مرزی در تمام مرزهای داخلی لوله های مسی اعمال می شود. به عنوان ورودی، ابعاد لوله، نوع سیال، سرعت سیال و دمای سیال را می گیرد. به استثنای دمای سیال، همه این مقادیر بین چرخش لوله ثابت می مانند.

مدل سازی افت دما بین پیچ ها

همانطور که آب گرم از طریق کویل های مسی پمپ می شود، خنک می شود. با این حال، از آنجایی که مدل متقارن است، هر چرخش سیم پیچ مستقل از سایرین است، مگر اینکه به صراحت اطلاعاتی را بین آنها ارسال کنیم. یعنی باید یک شرط مرزی Convective Heat Flux جداگانه در مرزهای داخلی هر پیچ سیم پیچ اعمال کنیم.

این سؤال را ایجاد می کند: چگونه افت دما را بین هر چرخش محاسبه کنیم و این اطلاعات را در مدل خود بگنجانیم؟

آب را در نظر بگیرید که از یک دور سیم پیچ مسی عبور می کند. گرمای از دست رفته توسط آب برابر با انتقال حرارت به لوله های مسی است. با فرض ثابت بودن خواص مواد و نادیده گرفتن تلفات ویسکوز، افت دمای آب عبوری از یک پیچ لوله عبارت است از:

جایی کهنرخ جریان جرمی است،گرمای ویژه آب است ومجموع گرمای از دست رفته توسط آب است که برابر است با انتگرال شار حرارتی به مس که در مرزهای داخلی سیم پیچ ادغام شده است. این انتگرال را می توان از طریق یکپارچه سازی کامپوننت کوپلینگ، که بر روی مرزهای سیم پیچ داخلی تعریف شده است، ارزیابی کرد.

جفت مولفه ادغام که بر روی یک مرز تعریف شده است. نکته: انتگرال در هندسه چرخشی محاسبه می شود.

با استفاده از این عملگرهای کوپلینگ، می توانیم مجموعه ای از متغیرهای تعریف شده توسط کاربر را برای افت دما تعریف کنیم:

DT1 = intop1(-nitf.nteflux/mdot0/Cp0)

این افت دما را در طول اولین پیچ لوله ارزیابی می کند. می‌توانیم برای هر دور لوله یک متغیر افت دما تعریف کنیم و برای هر دور به‌طور متوالی از آن‌ها استفاده کنیم.

دمای آب در پیچ ششم افت دما در پنج پیچ اول را در نظر می گیرد.

نمودار میدان جریان و دما (سمت چپ) و دما در امتداد یک خط از مرکز سیم پیچ ها (راست).

از آنجایی که این یک مدل متقارن محوری دو بعدی است، خیلی سریع حل می شود. می‌توانیم دما و میدان‌های جریان را بررسی کنیم و افت دما را در امتداد خطی به سمت پایین مرکز سیم‌پیچ‌ها ترسیم کنیم. ما می توانیم مشاهده کنیم که آب بین هر دور سیم پیچ خنک می شود و هوا گرم می شود.

این را می توان یک مبدل حرارتی با جریان موازی در نظر گرفت، زیرا سیالات سرد و گرم در یک جهت کلی جریان دارند. اگر بخواهیم این مدل را به پیکربندی جریان مخالف تغییر دهیم، می‌توانیم به سادگی شرایط ورودی و خروجی هوا را تغییر دهیم تا سیالات در جهت مخالف حرکت کنند.

به نظر شما این تکنیک برای چه نوع دیگری از تنظیمات مبدل حرارتی قابل استفاده است؟