بررسی جریان معکوس مارپیچ در مبدل های حرارتی

 انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی به نام مبدل حرارتی صورت میگیرد. در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می  آورد تا تبادل گرما میان دو سیال برقرار شود. معمولاً مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایینتر و یا هر دو، مورداستفاده قرار میگیرند[۳].

کاربرد مبدل های حرارتی بسیار وسیع میباشد و در صنایع مختلف ازجمله نیروگاه های تولید برق، پالایشگاه ها، صنایع غذایی، داروسازی، صنایع پتروشیمی، شیمیایی، الکترونیک، مهندسی محیط زیست،کاربرد های فضایی، سردخانه ها و سیستم های گرمایش و سرمایش ساختمان ها و به طور کلی هرجا که مساله تبادل انرژی مطرح باشد مورداستفاده قرار میگیرد. بهبود درمکانیزم های انتقال حرارت همواره یکی از مهم ترین چالش ها در تجهیزات صنعتی و مهندسی بوده است. پژوهشگران همواره بدنبال راهی برای دستیابی به بازده بیشتر، به منظور بهبود مکانیزم انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی میباشند.

یکی از کارآمدترین روشهای بهبود انتقال حرارت غیرفعال، استفاده از نوار پیچشی در داخل کانال میباشد که نیاز به انرژی خارجی نداشته و با ایجاد جریان چرخشی سیال، انتقال حرارت را بهبود میبخشد. از طرفی اختلاط جریان برای بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، از جمله صنایع شیمیایی ، صنایع دارویی ، صنایع کاغذ ، فرآوری مواد غذایی ، تصفیه فاضلاب و برنامه های انتقال حرارت و جرم بسیار مهم است[۴]. در لوله های منحنی ، جریان های ثانویه به دلیل نیروهای گریز از مرکز نامتعادل اعمال شده بر جریان ایجاد می شوند. بنابراین ، آنها معمولاً به عنوان میکسرهای استاتیک و مبدلهای حرارتی در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. رژیم جریانی که در مقایسه با رژیم آشفته دارای افت فشار کم است. همچنین در مقایسه با استفاده از همزن یا میکسرهای استاتیک، حداقل نیاز به نگهداری دارند (فاقد قطعات متحرک یا مانع است).

مطالعات بسیاری در زمینه استفاده از نوار پیچشی برای بهبود انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی انجام شده است. در سال های اخیر در جهت بهبود انتقال حرارت و بهبود اختلاط در جریان روش های متعددی پیشنهاد شده است که یکی از این پیشنهادات که دارای عملکرد ملطوبی می باشد استفاده از لوله های مارپیچ Coiled flow reverser و Coiled flow inverter  می باشد. استفاده از این روش منجر به بهبود اختلاط و همچنین افزایش انتقال حرارت در لوله های مارپیچ می شود. مدل های مختلفی از CFR و CFI پیشنهاد شده است که هر کدام از این روش ها دارای مزایا و معایبی می باشند که شناسایی و تجزه و تحلیل هر یک از این فرایندها کمک می کند که بتوانیم فرایند اختلاط و انتقال حرارت را در دستگاه های صنعتی بهبود دهیم[۵].

از این رو بررسی و تعیین روش های مختلف در جهت بهینه کردن و بهبود انتقال حرارت در مبدل های حرارتی با استفاده از روش CFR و CFI از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. لذا در این تحقیق سعی در بررسی روش های بهبود انتقال حرارت و اختلاط جریان در CFR و CFI را داریم.

۲-۲- مروری بر تحقیقات گذشته

در این بخش به بررسی تحقیقات صورت گرفته در زمینه ی انتقال جریان در لوله های مارپیچ از جمله لوله های CFI و CFR پرداخته می شود.در زمینه ی بررسی مزایای استفاده از لوله های مارپیچ تحقیقات فراوانی صورت گرفته است.

اگرچه مطالعات متعددی قبلاً برای بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر روی مزایای استفاده از لوله های مارپیچی در مورد انتقال گرما و جرم انجام شده بود[۶-۹] ، اما به ندرت توصیف مخلوط مایعات قابل اختلاط در چنین دستگاهی ، که اساس فرایندهای انتقال است. در تحقیقی که توسط کومار و همکاران[۱۰] بر روی جریان مارپیچ صورت گرفت با تعیین زمان اقامت ، تأثیر عدد رینولدز ، تعداد اشمیت و نسبت انحنای δ بر عملکرد اختلاط هندسه های مختلف پیچ خورده را به صورت آزمایشی و عددی بررسی کردند.

در این معادلات، u میانگین سرعت در لوله ، ρ چگالی سیال ، η ویسکوزیته دینامیکی ، نسبت انحنای δ به عنوان نسبت قطر لوله d به قطر سیم پیچ D تعریف می شود ، Dab نفوذ جرم است از مایع اول به مایع دوم می باشد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که اختلاط در لوله های مارپیچ با افزایش عدد رینولدز افزایش می یابد، در حالی که عدد اشمیت فقط در اعداد رینولدز پایین تر از ۲۰ نقش دارد. در تحقیقی که توسط منصور و همکاران صورت گرفت یک بررسی سیستماتیک از پارامترهای تاثیر گذار بر روی لوله های مارپیچ ، از جمله شماره دین De = Re⋅δ√، به صورت عددی انجام شد. بر طبق این تحقیق همچنین مشخص شد که تأثیر Sc تنها برای تعداد بسیار کم رینولدز (Re <40) ، جایی که اختلاط برای Sc پایین تر ، یعنی افزایش انتشار بهتر است، مهم است. برای Re≥ ۴۰ ، جریان ثانویه به اندازه کافی قوی است و تنها با همرفت جریان ، جایی که اثر عدد اشمیت ناچیز می شود ، اختلاط غالب است. جریان معکوس

همچنین نشان داده شد که افزایش نسبت انحنای δ منجر به جریان ثانویه قوی تر و اختلاط بهتر می شود ، که در اعداد کم رینولدز بارزتر است. علاوه بر این ، نشان داده شد که افزایش دور سیم پیچ به طور کلی در مورد اختلاط منفی است و باید حداقل باشد. با این حال ، در اعداد رینولدز پایین (جریانهای ثانویه بسیار ضعیف) ، یک گام بالاتر باعث افزایش اختلاط به دلیل افزایش پیچش (پیچش جریان) می شود. بر طبق تحقیقات برخی از نویسندگان [۱۱-۱۴] نشان داده شده است که دو مقدار مطلوب از اعداد رینولدز وجود دارد که منجر به بالاترین میزان اختلاط در لوله های مارپیچ در حدود ۳۵-۵۰ و ۶۵۰-۱۰۰۰ رینولدز می شود. همچنین نتایج نشان می دهد که افت فشار در یک لوله مارپیچ به طور کلی در مقایسه با یک لوله مستقیم با همان طول طول بیشتر است. بر این اساس ، اولین عدد بهینه رینولدز معمولاً باید ترجیح داده شود زیرا افت فشار در مقایسه با مقدار بهینه دوم به طور قابل توجهی کمتر است.
در ادبیات ، ساختارهای پیچیده دیگری نیز برای بهبود اختلاط به کار گرفته شده است ، از تغییرات ساده مشخصات مقطع، از طریق تغییرات قابل توجهی در جهت جریان صورت گرفته است. علاوه بر این ، انواع پیچیده تری مانند لوله های مارپیچی موج دار معرفی شدند. علاوه بر این ، پیکربندی های پیچیده و پیچیده تر که چندین ساختار را ترکیب می کند نیز استفاده شده است[۱۵-۱۶]. با این وجود ، بیشتر این تنظیمات شامل افزایش قابل توجه افت فشار است و از اجرای عملی آنها جلوگیری می کند.

از این رو برای رفع این مشکل مدل های جدیدی ارائه شده است که می توان به مدل CFI و CFR اشاره کرد. ساکسنا و نیگام[۱۷] (Saxena and Nigam 1984) پیکربندی ساختاری را به نام اینورتر جریان پیچ خورده (CFI) معرفی کردند که در آن با خم شدن سیم پیچ ها جهت جریان معکوس می شود. به این ترتیب جهت جریان ثانویه جهت بهبود اختلاط تغییر می یابد. CFI را می توان با نصب خم ۹۰ درجه در فواصل طول منظم بین سیم پیچ و جذب آن ساخت ، همچنین به دلیل فشردگی هندسی می توان در کاربردهای صنعتی استفاده کرد. با این حال ، در صورت محدود بودن تعداد وارونگی ، عملکرد CFI قابل مقایسه با یک سیم پیچ ساده و مستقیم است .

بنابراین ، وارونگی جریان متعدد همیشه برای افزایش قابل توجه مخلوط مورد نیاز است. علاوه بر این ، جریان برای اطمینان از گردابهای کاملاً پیشرفته قبل از تغییر جهت جریان ، معمولاً پس از حداقل ۳-۴ دور چرخش معکوس می شود در نتیجه ، افزایش قابل توجه افت فشار در بیشتر موارد اجتناب ناپذیر است.

با این وجود ، اخیراً نشان داده شده است که می توان حتی با وارونگی جریان زودهنگام در منطقه ورودی ، مخلوط سازی را بهبود بخشید. بنابراین ، مسیر جریان یک لوله مستقیم مارپیچ باید قبل از رشد کامل جریان تغییر کند. بر این اساس ، می توان اختلاط را فقط با تعداد محدودی جهت مجدد جریان (به عنوان مثال دو مورد) بدون افزایش قابل توجه افت فشار کاهش داد. یک پیکربندی پیچیده به نامCFR توسط منصور و همکاران[۱۸] ارائه شد که با معکوس کردن جهت سیم پیچ پس از یک یا دو چرخش در جهت بهبود اختلاط جریان و افزایش انتقال حرارت کمک می کند. در این پیکربندی ، جهت جریان کاملاً معکوس می شود و یک منطقه در حال توسعه و جریان ثانویه پیچیده تر ایجاد می کند.

جهت دانلود فایل کلیک کنید

مخلوط کردن دو مایعات قابل اختلاط در CFR ، CFI و سیم پیچ مستقیم با توجه به شرایط مختلف جریان و دو شرایط ورودی ، یعنی یک رابط موازی و عمود بر محور سیم پیچ بین دو مایعات ، در این انتشار مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. ورودی نشان داده شد که عملکرد CFI و CFR در مقابل با لوله مستقیم دارای عملکرد بهتری می باشد. بعلاوه ، در تعداد بالای رینولدز (Re> 500) ، مخلوط کردن و انتقال گرما در CFR کارآمدتر از سیم پیچ مستقیم و CFI بود. با این وجود ، کل مطالعه توسط شبیه سازی های عددی و شرایط ورودی ساده انجام شده است ، که به طور تجربی نمی توان به آن دست یافت. از این رو در تحقیقی که توسط کواتس و همکاران[۱۹] صورت گرفت سعی در پیاده سازی روش ارائه شده در تحقیق منصوری داشته اند. در این تحقیق برای خصوصیات اختلاط آزمایشی از فلورسانس ناشی از لیزر استفاده می شود. هندسه های کلاف دار در دو طول مختلف ، با ۳ و ۶ سیم پیچ استفاده می شود. نیمی از مایع در حال عبور از طریق سیم پیچ ها توسط resorufin ردیاب فلورسنت مشخص شده است ، بنابراین اجازه می دهد تا برای ارزیابی محلی از غلظت و در نتیجه مخلوط کردن در سیم پیچ. نتایج تجربی توسط محاسبات نمونه CFD که توسط آزمایشات تأیید شده است.

۲-۳- تأثیر متغیرهای مختلف جریان و پارامترهای هندسی در جریان معکوس مارپیچ

در این بخش به بررسی پارامترهای مختلف در لوله های مارپیج و جریان معکوس مارپیچ پرداخته می شود. عـدد ناسـلت جریـان آرام سـیالات در لولـه هـای خمیده چندین برابر بیشتر از لوله های معمولی میباشد . هاترون[۲۰] نخستین محققـی بـود کـه یـک روش عددی برای جریـان کـاملاً توسـعه یافتـه در لولـه هـای خمیده ارائه کرد. بعد از او اَستین و سـیدر [۲۱]نمایـه ی سرعت در ناحیه ی ورودی جریان به لوله را به صـورت تجربی بررسی کردند. آنها بیان داشتند که بـا افـزایش عدد دیـن طـول ناحیـه در حـال توسـعه نیـز افـزایش مییابد. جریان معکوس

مولین و همکاران [۲۲]با انجـام یـک مطالعـهی تجربی و عددی بر روی جریـان در لولـه هـای خمیـده بیان داشتند که جریان ثانویه تأثیر قابل توجهی در اعداد رینولدز کمتر از ۲۰ ندارد. چـن و ژانـگ[۲۳] تـأثیرات ترکیبی چرخش و انحنا را (نیروی گریـز از مرکـز) بـر روی الگوی جریـان، افـت فشـار، توزیـع دمـا و عـدد ناسلت لوله های مـارپیچی مـورد بررسـی قـرار دادنـد.

افزایش افت فشار جریان داخـل لولـه هـای خمیـده در مقایسه با افت فشار لوله های معمولی بـرای اولـین بـار توسط گریندلی و گیبسون مطرح گردید. تأثیر متغیرهای مختلف جریان و پارامترهای هندسی بر جریان در لوله های مارپیچ در ادبیات در نظر گرفته شده است. تأثیر عدد رینولدز ، عدد اشمیت و عدد دین در اختلاط در لوله های مارپیچ مورد بررسی قرار گرفته است و معادلات هر یک در زیر نشان داده شده است. جریان معکوس

فهرست مطالب جریان معکوس مارپیچ در مبدل

فصل ۱: کلیات تحقیق ۱
۱-۱- مقدمه ۲
۱-۲- بیان مسئله و اهمیت تحقیق ۲
۱-۳- اهداف تحقیق ۴

فصل ۲: جریان معکوس مارپیچ ۵

۲-۱- مقدمه ۶

۲-۲- مروری بر تحقیقات گذشته ۶
۲-۳- تأثیر متغیرهای مختلف جریان و پارامترهای هندسی در جریان معکوس مارپیچ ۹
۲-۴- پیکربندی های مختلف در جریان معکوس مارپیچ ۱۰
۲-۴-۲- مزایا و معایب CFI و CFR 19
۲-۵- مطالعه عددی اختلاط جریان و انتقال گرما در لوله های مارپیچ ۲۰
۲-۵-۱- تنظیمات هندسی لوله های مارپیچ ۲۱
۲-۵-۲- تاثیر لوله مارپیچ در انتقال حرارت ۲۸ جریان معکوس
۲-۶- انتقال حرارت در جریان معکوس مارپیچ ۳۰
۲-۷- بهبود اختلاط در لوله های مارپیچ به صورت تجربی ۳۴
۲-۷-۲- نحوه ی آزمایش تجربی ۳۸
۲-۷-۳- تجزیه و تحلیل نتایج تجربی ۴۰
۲-۸- ارائه ی مدل پیشنهادی ۴۵
منابع و مآخذ ۴۷
پیوست‌ها ۴۷

برخی از مراجع

1. al modeling of polystyrene synthesis in coiled flow inverter.” Microfluidics and nanofluidics ۱۰٫۲ (۲۰۱۱): ۴۱۵-۴۲۳٫
2. Kockmann N (2020) Design and operation of a tubular reactor with narrow residence time distribution. Chem-Ing-Tech 92:685–۶۹۱٫ https://doi.org/10.1002/cite.202000028
3. Kurt SK, Gelhausen MG, Kockmann N (2015a) Axial dispersion and heat transfer in a milli/microstructured coiled flow inverter for narrow residence time distribution at laminar flow. Chem Eng Technol 38:1122–۱۱۳۰٫ https://doi.org/10.1002/ceat.201400515
4. Kurt SK, Nigam KDP, Kockmann N (2015b) Two-phase flow and mass transfer in helical capillary flow reactors with alternating bends. In: ASME 2015 International Technical Conference and Exhibition on Packaging and Integration of Electronic and Photonic Microsystems, InterPACK 2015, collocated with the ASME 2015 13th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels
5. Kushwaha N, Kumawat TC, Nigam KDP, Kumar V (2020) Heat transfer and fluid flow characteristics for Newtonian and non-Newtonian fluids in a tube-in-tube helical coil heat exchanger. Ind Eng Chem Res 59:3972–۳۹۸۴٫ https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b07044

6. Kurt, Safa Kutup, Marius Gerrit Gelhausen, and Norbert Kockmann. “Axial dispersion and heat transfer in a milli/microstructured coiled flow inverter for narrow residence time distribution at laminar flow.” Chemical Engineering & Technology ۳۸٫۷ (۲۰۱۵): ۱۱۲۲-۱۱۳۰٫

7. Ndiaye D (2017) Transient model of a refrigerant-to-water helically coiled tube-in-tube heat exchanger with corrugated inner tube. Appl Therm Eng 112:413–۴۲۳
8. Khot P, Mansour M, Thévenin D, Nigam KDP, Zähringer K (2019) Improving the mixing characteristics of coiled configurations by early flow inversion. Chem Eng Res Des 146:324–۳۳۵٫ https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.016
9. Mansour M, Khot P, Thévenin D, Nigam KDP, Zähringer K (2020) Optimal Reynolds number for liquid-liquid mixing in helical pipes. Chem Eng Sci 214:114522. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.09.046
10. Kováts, P., et al. “Mixing characterization in different helically coiled configurations by laser-induced fluorescence.” Experiments in Fluids ۶۱٫۹ (۲۰۲۰): ۱-۱۷٫
11. Gürsel, Iris Vural, et al. “Utilization of milli-scale coiled flow inverter in combination with phase separator for continuous flow liquid–liquid extraction processes.” Chemical Engineering Journal ۲۸۳ (۲۰۱۶): ۸۵۵-۸۶۸٫
12. Mansour M, Khot P, Kováts P, Thévenin D, Zähringer K, Janiga G (2020) Impact of computational domain discretization and gradient limiters on CFD results concerning liquid mixing in a helical pipe. Chem Eng J 383:123121. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123121
13. Mansour, Michael, Dominique Thévenin, and Katharina Zähringer. “Numerical study of flow mixing and heat transfer in helical pipes, coiled flow inverters and a novel coiled configuration.” Chemical Engineering Science ۲۲۱ (۲۰۲۰): ۱۱۵۶۹۰٫

14. Mansour M, Thévenin D, Nigam KDP, Zähringer K (2019) Generally-valid optimal Reynolds and Dean numbers for efficient liquid-liquid mixing in helical pipes. Chem Eng Sci 201:382–۳۸۵٫ https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.03.003

15. Mansour M, Janiga G, Nigam KDP, Thévenin D, Zähringer K (2018) Numerical study of heat transfer and thermal homogenization in a helical reactor. Chem Eng Sci 177:369 379. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.11.031
16. WO2020239570 – MIXING DEVICE WITH REVERSED COILED CONFIGURATION AND USE THEREOF (2020)
17. Mansour M, Liu Z, Janiga G, Nigam KDP, Sundmacher K, Thévenin D, Zähringer K (2017) Numerical study of liquid-liquid mixing in helical pipes. Chem Eng Sci 172:250–۲۶۱٫ https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.06.015
18. López-Guajardo E, Ortiz-Nadal E, Montesinos-Castellanos A, Nigam KDP (2017) Coiled flow inverter as a novel alternative for the intensification of a liquid-liquid reaction. Chem Eng Sci 169:179–۱۸۵٫ https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.01.016

جهت دانلود فایل کلیک کنید