در مبدل های حرارتی نوع جریان تاثیر قابل توجهی بر راندمان انتقال حرارت سیستم خواهد گذاشت. در این مقاله به بررسی تاثیر آرایش جریان بر مبدل های حرارتی می پردازیم.
جریان آرام:
جریان آرام به یک الگوی جریان صاف و منظم اطلاق می شود که در آن ذرات سیال در لایه های موازی با حداقل اختلاط بین لایه ها حرکت می کنند. در جریان آرام، سرعت سیال نسبتاً کم است و ذرات سیال در مسیرهای مشخصی به نام خطوط جریان حرکت می کنند. جریان آرام زمانی اتفاق می‌افتد که سرعت سیال زیر یک آستانه مشخص بوده و ویسکوزیته سیال نسبتاً بالا باشد. در این آرایش جریان به دلیل اختلاط کم و حرکت لایه ای گرما به لایه های نزدیک به سطح مبدل نسبت به لایه های خارجی تر بهتر منتقل شده. به همین دلیل توزیع دما در جریان آرام ناهمگن بوده و راندمان انتقال حرارت پایین می آید.
جریان آشفته:
جریان آشفته در مبدل حرارتی به نوعی از جریان سیال اطلاق می شود که با حرکت آشفته و نامنظم ذرات سیال مشخص می شود. برخلاف جریان آرام، در جریان متلاطم اختلاط لایه‌های سیال، افزایش نرخ انتقال حرارت و افزایش سرعت سیال را داریم. جریان آشفته راندمان حرارتی بالاتری را به همراه دارد به همین دلیل در طراحی و اجرای مبدل های حرارتی باید تمهیداتی صورت گیرد تا جریان داخل مبدل آشفته شود. در زیر به چند مورد از روش های اشفته کردن جریان می پردازیم که قابل اجرا در مبدل حرارتی روغن، مبدل حرارتی آب و روغن، خنک کن روغن هیدرولیک و … هستند.
چگونه جریان داخل مبدل حرارتی را آشفته کنیم؟
- سرعت جریان: احتمال وقوع تلاطم در سرعت های بالاتر سیال بیشتر است. افزایش سرعت جریان می تواند باعث ایجاد تلاطم و افزایش انتقال حرارت شود. با این حال، سرعت جریان باید در محدوه طراحی سیستم باشد زیرا افزایش بیش از حد سرعت باعث افت فشار و فرسلیش تجهیزات خواهد شد.
- عدد رینولدز: عدد رینولدز (Re) یک پارامتر بدون بعد است که رژیم جریان را تعیین می کند. در یک طراحی و سیال معین هرچه عدد رینولدز بالاتر باشد جریان آشفته تر خواهد بود. برای دستیابی به جریان آشفته، می توان با تغییر سرعت جریان سیال و ابعاد لوله، مبدل حرارتی را با عدد رینولدز بالاتری طراحی کرد.
- بافل ها: بافل ها صفحات نگه دارنده لوله داخل مبدل حرارتی هستند. این صفحات علاوه بر نگه داشتن لوله ها در آشفته کردن جریان داخل مبدل نیز تاثیر قابل توجهی دارند. بافل ها معمولا در مبدل های حرارتی برای افزایش راندمان انتقال حرارت و کنترل جریان سیالات استفاده می شوند. در زمینه جریان سیال متلاطم در یک مبدل حرارتی، بافل ها نقش مهمی در افزایش تلاطم و بهبود نرخ انتقال حرارت دارند. بافل ها به گونه ای طراحی شده اند که جریان آرام سیال را مختل کرده و تلاطم ایجاد کنند. جریان آشفته با افزایش تماس بین سیال و سطوح انتقال حرارت، راندمان انتقال حرارت را بهبود می بخشد. بافل ها باعث تغییر جهت سیال و ایجاد الگوهای چرخشی یا گردابی می شوند که منجر به افزایش اختلاط و عملکرد حرارتی بهتر می شود. جریان آشفته ناشی از بافل باعث افزایش اختلاط سیال در مبدل حرارتی می شود. این آشفتگی باعث توزیع یکنواخت سیال در سطوح انتقال حرارت می شود، از به وجود آمدن مناطق راکد یا dead zone جلوگیری می کند. اختلاط بیشتر باعث تماس بیشتر و مداوم سیال تازه با سطوح انتقال حرارت خواهد شد و امکان انتقال گرما بیشتر را فراهم می کند. بافل ها همچنین می توانند به جلوگیری از رسوب و پوسته پوسته شدن در مبدل های حرارتی کمک کنند. جریان آشفته ناشی از بافل ها به حداقل رساندن رسوب ذرات و پوسته پوسته شدن روی سطوح انتقال حرارت کمک می کند. بافل ها با ترویج حرکت مداوم سیال و کاهش مناطق راکد، از تجمع رسوبات جلوگیری می کنند که می توانند بازده انتقال حرارت را در طول زمان کاهش دهند. توجه به این نکته مهم است که طراحی و پیکربندی بافل ها می تواند به طور قابل توجهی بر عملکرد یک مبدل حرارتی تأثیر بگذارد. ، شکل، فاصله و جهت بافل ها باید بر اساس الزامات خاص وکاربرد مبدل حرارتی برای دستیابی به جریان آشفته و افزایش انتقال حرارت به دقت در بررسی شود.
- سطوح ناهموار: ایجاد زبری یا برآمدگی در سطح داخلی لوله های مبدل حرارتی یا پوسته می تواند آشفتگی را افزایش دهد. سطوح ناهموار را می توان با استفاده از مواد آجدار یا با استفاده از توربولاتورهایی مانند نوارهای پیچ خورده یا سیم پیچ ها در مبدل حرارتی اجرا کرد.
- هندسه لوله: هندسه لوله ها بر الگوی جریان تأثیر می گذارد و می تواند آشفتگی را افزایش دهد. به عنوان مثال، استفاده از لوله های مارپیچ یا موجدار آشفتگی را در سیال داخل مبدل افزایش داده و به طبع آن انتقال حرارت را نیز افزایش می دهد.
- خواص سیال: خواص سیال مورد استفاده در مبدل حرارتی می تواند بر رژیم جریان تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، سیالات با ویسکوزیته یا چگالی بالا بیشتر مستعد به وجود اوردن جریان آشفته هستند. تطبیق خواص سیال مانند دما یا فشار نیز تاثیر زیادی بر رژیم جریان خواهد گذاشت.
جریان آشفته داخل مبدل افت فشار را به دنبال خواهدداشت و پمپ بار بیشتری را متحمل خواهد شد به همین دلیل آشفته کردن جریان باید در محدوده خاصی صورت گیرد. در طراحی یک مبدل حرارتی باید تعادلی بین انتقال حرارت بهینه و به حداقل رساندن هزینه های عملیاتی وجود داشته باشد. به طور کلی، دستیابی به جریان آشفته در یک مبدل حرارتی شامل بهینه سازی پارامترهایی مانند سرعت جریان، عدد رینولدز، هندسه لوله، و ترکیب ویژگی هایی است که باعث اختلاط و اختلال در الگوی جریان می شود. تجزیه و تحلیل دقیق و طراحی مهندسی مناسب برای اطمینان از عملکرد و کارایی مطلوب مبدل حرارتی در ارتقاء جریان آشفته ضروری است.
جهت دریافت اطلاعات بیشتر با مشاورام ما در شرکت ویرا تجهیز صنعت در ارتباط باشید.
