شبیه سازی مبدل‌ های حرارتی در فلوئنت

کاربردهای فراوان مبدل حرارتی در صنایع مختلف برکسی پوشیده نیست؛ از مبدل های دولوله که در صنایع غذایی و تهویه مطبوع کاربرد دارند تا مبدل های پوسته و لوله در نیروگاه تولید برق، تبرید و داروسازی. شبیه سازی عددی مبدل‌ های حرارتی به کمک نرم افزارهای تجاری مانند فلوئنت از آن جهت حائز اهمیت است که امکان بررسی الگوی جریان و انتقال حرارت و از طرفی بهبود عملکرد این تجهیزات را فراهم می‌کند.

در دوره‌ی آموزشی ” شبیه سازی مبدل های حرارتی در انسیس فلوئنت” مراحل گام به گام شبیه سازی سه نوع مبدل پرکاربرد صنعت شامل: مبدل پوسته و لوله، مبدل دولوله (لوله‌ای) و مبدل صفحه‌ای در نرم افزار فلوئنت آموزش داده شده و نحوه محاسبه‌ی ضریب انتقال حرارت که یکی از مهم‌ترین و پرچالش‌ترین مراحل انجام شبیه سازی است، شرح و بررسی شده است.

سرفصل‌های این دوره به شرح زیر است:

۱) شبیه سازی مبدل حرارتی دولوله (لوله ای) مارپیچ در انسیس فلوئنت 

• آشنایی با مبدل حرارتی دولوله و کاربردهای آن در صنعت
• طراحی مدل هندسی مبدل در محیط طراحی مدل انسیس با نام ANSYS DesignModeler
• تولید شبکه سازمان یافته به کمک محیط پیش فرض تولید شبکه در انسیس با نام ANSYS Meshing
• تنظیمات مربوط به حل وشرایط مرزی مبدل حرارتی در فلوئنت و استخراج پارامترهای مورد نیاز به منظور محاسبه ضریب انتقال حرارت

۲) شبیه سازی مبدل حرارتی پوسته و لوله در انسیس فلوئنت

• آشنایی با مبدل پوسته و لوله به همراه کاربردهای آن در صنعت
• طراحی و تولید هندسه در محیط ANSYS SpaceClaim
• تولید شبکه در محیط ANSYS Meshing
• تنظیمات مربوط به حل و شرایط مرزی مبدل پوسته و لوله در فلوئنت و استخراج پارامترهای مورد نیاز جهت محاسبه ضریب انتقال حرارت مانند دمای بالک سیال در بخش‌های خروجی پوسته و لوله
• پس پردازش در CFD-Post و فلوئنت و ایجاد خروجی‌های حرفه‌ای

۳) شبیه سازی مبدل حرارتی صفحه‌ای بالش (پیلو پلیت) در انسیس فلوئنت

• آشنایی با مبدل های حرارتی صفحه‌ای و کاربرد روزافزون آن‌ها در صنعت
• آموزش گام به گام تولید هندسه در محیط نرم افزار Solidworks
• نحوه‌ی وارد کردن مدل هندسی طراحی شده به میزکار انسیس
• تولید شبکه‌ در حضور لایه مرزی در محیط نرم افزار انسیس مشینگ ANYS Meshing
• تنظیمات مربوط به حل و شرایط مرزی مبدل حرارتی صفحه‌ای در فلوئنت به همراه آموزش نحوه‌ی محاسبه ضریب انتقال حرارت، ضریب اصطکاک و افت فشار
• انجام پس پردازش در محیط CFD-Post

آشنایی مختصری با ساختار مبدل‌های حرارتی

مبدل های حرارتی پوسته و لوله
متداول‌ترین نوع مبدل‌های حرارتی در صنعت، مبدل‌های حرارتی پوسته‌ای و لوله‌ای که از یک لوله یا سری لوله‌های موازی (به عنوان مثال، دسته لوله) ساخته می‌شوند که در یک مخزن استوانه‌ای مهر و موم شده (یعنی پوسته) محصور شده‌اند. طراحی این دستگاه ها به گونه ای است که یک سیال از طریق لوله(های) کوچکتر جریان می یابد و سیال دیگر در اطراف خود و بین آن‌ها در داخل پوسته جریان می یابد. 

مبدل های حرارتی دو لوله
مبدل های حرارتی دو لوله ای، نوعی مبدل حرارتی پوسته و لوله، از ساده ترین طراحی و پیکربندی مبدل حرارتی استفاده می کنند که از دو یا چند لوله یا لوله استوانه ای متحدالمرکز (یک لوله بزرگتر و یک یا چند لوله کوچکتر) تشکیل شده است. طبق طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله، یک سیال از طریق لوله(های) کوچکتر و سیال دیگر در اطراف لوله(های) کوچکتر در لوله بزرگتر جریان می یابد. در طراحی مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای انعطاف‌پذیری وجود دارد، زیرا می‌توان آن‌ها را با ترتیبات جریان هم جهت یا مخالف طراحی کرد و به صورت مدولار در پیکربندی‌های سری، موازی یا سری-موازی در یک سیستم استفاده کرد. 

مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل های حرارتی صفحه ای  از چندین صفحه نازک و موجدار ساخته شده اند که در کنار هم قرار گرفته اند. هر جفت صفحه کانالی را ایجاد می کند که از طریق آن یک سیال می تواند جریان یابد و جفت ها روی هم چیده شده و متصل می شوند – از طریق پیچ و مهره، لحیم کاری، یا جوش – به طوری که یک مجرا بین جفت ها ایجاد می شود که سیال دیگر می تواند از طریق آن جریان یابد.

تقسیم بندی مبدل های حرارتی از منظر پیکربندی جریان

پیکربندی جریان، که به آن آرایش جریان مبدل حرارتی نیز گفته می‌شود، به جهت حرکت سیالات درون مبدل حرارتی نسبت به یکدیگر اشاره دارد. چهار پیکربندی اصلی برای جریان وجود دارد:

• جریان همسو
• جریان ناهمسو
• جریان متقاطع
• جریان ترکیبی (Hybrid Flow)

جریان همسو

مبدل‌های حرارتی جریان همسو که به آن مبدل‌های حرارتی جریان موازی نیز گفته می‌شود، دستگاه‌های مبادله‌ی حرارتی هستند که در آن سیالات به موازات و در جهت یکدیگر حرکت می‌کنند. اگرچه این پیکربندی معمولاً منجر به راندمان کمتری نسبت به آرایش جریان ناهمسو می‌شود، اما همچنین اجازه می‌دهد تا بیشترین یکنواختی حرارتی را در سراسر دیواره‌های مبدل حرارتی ایجاد کند.

جریان ناهمسو

مبدل ­های حرارتی جریان ناهمسو، که به عنوان مبدل­ های حرارتی جریان مخالف نیز شناخته می­‌شوند، به گونه‌­ای طراحی شده­‌اند که سیالات به صورت پاد موازی (یعنی موازی اما در جهت مخالف) با یکدیگر در داخل مبدل حرارتی حرکت کنند. این پیکربندی که معمولاً در بیشتر مبدل­‌های حرارتی استفده می­‌شود بالاترین راندمان را نشان می‌دهد؛ زیرا بیشترین مقدار انتقال حرارت را بین سیالات و در نتیجه، بیشترین تغییر در دما را امکان‌پذیر می‌سازد.

جریان متقاطع

در مبدل­ های حرارتی جریان متقاطع، سیالات به صورت عمود بر یکدیگر جریان می­‌یابند. بازده مبدل‌های حرارتی که از این پیکربندی جریان استفاده می‌کنند بیشتر از بازده جریان همسو و کمتر از بازده جریان ناهمسو می­‌باشد.

جریان ترکیبی (Hybrid Flow)

از این نوع مبدل­‌های حرارتی معمولاً زمانی استفاده می‌­شود که محدودیت­‌هایی مثل فضا، هزینه­‌، دما و فشار وجود داشته باشد. این نوع مبدل­‌های حرارتی می‌توانند از مسیرها و آرایش‌­های چندگانه (‏به عنوان مثال، هم جریان ناهمسو و هم جریان متقاطع)‏ در یک مبدل حرارتی منفرد استفاده کنند.

در شکل زیر انواع مبدل‌های حرارتی، از نظر الگوی جریان داخل مبدل، نمایش داده شده است.