بهبود مبادله‌کن‌های حرارتی پوسته ‌لوله با بافل‌های مارپیچ و قطاعی حفره‌دار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (توسعه ای)

نویسندگان

1 مدرس گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی حرفه‌ای، تهران، ایران.

2 استادیار دانشگاه فنی حرفه‌ای، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه فنی حرفه‌ای، تهران، ایران.

3 دانشجوی دکتری عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه آزاد خرم آباد، لرستان، ایران.

4 کارشناسی مهندسی مکانیک، گروه مکانیک، دانشگاه فنی حرفه‌ای، تهران، ایران.

10.48301/kssa.2023.365871.2317

چکیده

در این تحقیق رفتار هیدرولیکی حرارتی جریان سیال در مبادله‌­کن حرارتی پوسته ‌لوله با بافل­‌های جدید حفره­‌دار قطاعی، حفره‌­دار  مارپیچ با ساختار­های پایه (قطاعی و مارپیچ ساده) به‌صورت عددی بررسی می­‌شوند. با مقایسۀ پارامترهای ارزیابی مانند انتقال حرارت، افت فشار، نسبت انتقال حرارت به فشار، و ضریب ارزیابی عملکرد (EEC) نقش بافل‌های ارائه‌شده با ساختار پایه (بافل قطاعی، بافل مارپیچ یک‌طرفه) مقایسه می­‌شود، بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، بافل مارپیچ پیوسته حفره‌دار نسبت به بافل مارپیچ ساده 46/22 درصد و بافل قطاعی حفره‌دار نسبت به بافل قطاعی ساده 76/19 درصد افت فشار را کاهش می­‌دهد. وجود حفره­‌ها باعث ایجاد یک مسیر جدید جریان  در طول دسته لوله‌­ها می­‌شود. در یک ارزیابی جامع‌تر با مقایسۀ­ ضریب ارزیابی عملکرد ساختارهای حفره‌دار بافل مارپیچ و قطاعی به ترتیب افزایش 3/18 و 17/11 درصد نسبت به ساختارهای پایه ارائه دادند.  این ایده با تغییر الگوی جریان از مارپیچ به مارپیچ-طولی و از زیگزاگی به زیگزاگ-طولی توزیع جریان در سمت پوسته را یکنواخت‌تر می­‌کند در واقع این مدل جریان باعث کاهش نواحی مستعد رسوب (نواحی مرده) و هزینه‌های نگهداری و بهبود عملکرد سیستم  می‌گردد. با این وجود، ساختار جدید حفره‌­دار می‌تواند جایگزین بافل­‌های قطاعی مرسوم برای صرفه‌جویی در انرژی در مدت‌ زمان طولانی باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Improvement of Shell and Tube Heat Exchangers with Pore Structures of Helical and Segmental Baffles

نویسندگان [English]

  • Hamed Uosofvand 1
  • Reza Moradi 2
  • Ebrahim Rezaee habil 3
  • Mohammadreza Ezatiortakand 4
1 Lecturer, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
2 Assistant professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Enghelabe Eslami Branch, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
3 PhD student in Civil Engineering, Faculty of Engineering, Islamic Azad University of Khorramabad, Lorestan, Iran.
4 BSc, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this research, the thermal-hydraulic behaviour of fluid in the shell and tube heat exchanger with new segmental perforated baffles and hollow spiral baffles with basic structures (simple segmental and simple helical) were investigated. By using evaluation parameters such as heat transfer, pressure drop, ratio of heat transfer to pressure drop, and efficiency evaluation coefficient (EEC), the effect of the proposed baffles was compared with the basic structure (segmental baffle, single pass helical baffle). Based on the obtained results, the perforated continuous helical baffle reduced the pressure drop by 22.46% compared to the simple helical baffle and the perforated segmental baffle reduced the pressure drop by 19.76% compared to the simple segmental baffle. In a more comprehensive evaluation, the efficiency evaluation coefficient of pore helical and segmental baffle structures showed an increase of 18.3 and 11.17 per cent, respectively compared to the basic configuration. The concept of changing the flow pattern from helix to helix-longitudinal and from zigzag to zigzag-longitudinal made the flow distribution on the shell side more uniform. These conditions reduced areas prone to sedimentation (dead areas) and maintenance costs, and improved system performance. In addition, this new structure can replace conventional segmental baffles to save energy in the long term.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shell and Tube Exchanger
  • Pressure Drop
  • Heat Transfer
  • Segmental Baffle
  • Helical Baffle
  • Pore Baffle

مراجع

[1] Zhang, J-F., Li, B., Huang, W-J., Lei, Y-G., He, Y-L., & Tao, W-Q. (2009). Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles. Chemical Engineering Science, 64(8), 1643-1653. https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.12.018
[2] Uosofvand, H., Abbasian Arani, A. A., & Arefmanesh, A. (2017). Effect of baffle oientation on shell tube heat exchanger performance. Journal of Heat and Mass Transfer Research, 4(2), 83-90. https://doi.org/10.22075/jhmtr.2017.1577.1104
[3] Heydari, A., Shateri, M., & Sanjari, S. (2018). Numerical analysis of a small size baffled shell-and-tube heat exchanger using different nano-fluids. Heat transfer engineering, 39(2), 141-153. https://doi.org/10.1080/01457632.2017.1288052
[4] Lutcha, J., & Nemcansky, J. (1990). Performance improvement of tubular heat exchangers by helical baffles. Chemical Engineering Research and Design, 68(3), 263-270. http s://www.osti.gov/etdeweb/biblio/6452867
[5] Dong, C., Chen, Y-P., & Wu, J-F. (2014). Influence of baffle configurations on flow and heat transfer characteristics of trisection helical baffle heat exchangers. Energy conversion and management, 88, 251-258. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2014.08.005
[6] Wenjing, D., Hongfu, W., & Cheng, L. (2014). Effects of Shape and Quantity of Helical Baffle on the Shell-side Heat Transfer and Flow Performance of Heat Exchangers. Chinese Journal of Chemical Engineering, 22(3), 243-251. http://dx.doi.org/10.101 6/S1004-9541(14)60041-0
[7] Bahiraei, M., Naseri, M., & Monavari, A. (2021). A second law analysis on flow of a nanofluid in a shell-and-tube heat exchanger equipped with new unilateral ladder type helical baffles. Powder Technology, 394(12), 234-249. https://doi.org/10.1016/j.po wtec.20 21.08.040
[8] Bahiraei, M., Naseri, M., & Monavari, A. (2021). A CFD study on thermohydraulic characteristics of a nanofluid in a shell-and-tube heat exchanger fitted with new unilateral ladder type helical baffles. International Communications in Heat and Mass Transfer, 124, 105248. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105248
[9] Chen, D., Zhang, R., Cao, X., Chen, L., & Fan, X. (2021). Numerical investigation on performance improvement of latent heat exchanger with sextant helical baffles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 178, 121606. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransf er.2021.121606
[10] Wang, Q., Chen, Q., Chen, G., & Zeng, M. (2009). Numerical investigation on combined multiple shell-pass shell-and-tube heat exchanger with continuous helical baffles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(5-6), 1214-1222. https://doi.or g/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.09.009
[11] Arani, A. A. A., & Uosofvand, H. (2020). Improving shell and tube heat exchanger thermohydraulic performance using combined baffle. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 30(8), 4119-4140. http://dx.doi.org/10.1108/HFF-06-2019-0514
[12] Gu, X., Luo, Y., Xiong, X., Wang, K., & Wang, Y. (2018). Numerical and experimental investigation of the heat exchanger with trapezoidal baffle. International Journal of Heat and Mass Transfer, 127, 598-606. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2018.07.045
[13] Liu, Y., Wen, J., Wang, S., & Tu, J. (2021). Numerical investigation on the shell and tube heat exchanger with baffle leakage zones blocked. International Journal of Thermal Sciences, 165, 106959. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2021.106959
[14] Mukherjee, R. (1992). Use double-segmental baffles in shell-and-tube heat exchangers. Chemical engineering progress, 88(11), 47-51. https://pascal-francis.inist.fr/vibad/i ndex.php?action=getRecordDetail&idt=4421099
[15] Wang, X., Zheng, N., Liu, P., Liu, Z., & Liu, W. (2017). Numerical investigation of shell side performance of a double shell side rod baffle heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, 2029-2039. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstra nsfer.2017.01.055
[16] Sun, Z. (2004). Nuclear power equipment. Harbin, Harbin engineering university publication, 77-80.
[17] Wang, K., Bai, C., Wang, Y., & Liu, M. (2019). Flow dead zone analysis and structure optimization for the trefoil-baffle heat exchanger. International Journal of Thermal Sciences, 140(5), 127-134. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.02.044
[18] Wang, D., Wang, H., Xing, J., & Wang, Y. (2021). Investigation of the thermal-hydraulic characteristics in the shell side of heat exchanger with quatrefoil perforated plate. International Journal of Thermal Sciences, 159, 106580. https://doi.org/10.1016/j.ij thermalsci.2020.106580
[19] Wang, D., Wang, K., Wang, Y., Bai, C., & Liu, M. (2017). Numerical and experimental investigation of the shell side characteristics of the trefoil-hole baffle heat exchanger. Heat Transfer Research, 48(1), 81-95. http://dx.doi.org/10.1615/HeatTransRes.201 6011666  
[20] Chen, J., Li, N., Ding, Y., Klemeš, J. J., Varbanov, P. S., Wang, Q., & Zeng, M. (2020). Experimental thermal-hydraulic performances of heat exchangers with different baffle patterns. Energy, 205(21), 118066. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118066
[21] El Maakoul, A., Laknizi, A., Saadeddine, S., El Metoui, M., Zaite, A., Meziane, M., & Abdellah, A. B. (2016). Numerical comparison of shell-side performance for shell and tube heat exchangers with trefoil-hole, helical and segmental baffles. Applied Thermal Engineering, 109, 175-185. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.067
[22] Ozden, E., & Tari, I. (2010). Shell side CFD analysis of a small shell-and-tube heat exchanger. Energy conversion and management, 51(5), 1004-1014. https://doi.org/10.1016/j.en conman.2009.12.003
[23] Shih, T-H., Liou, W. W., Shabbir, A., Yang, Z., Zhu, J. J. C., & fluids. (1995). A new k-ϵ eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows. 24(3), 227-238. http s://doi.org/10.1016/0045-7930(94)00032-T
[24] Launder, B. E., & Spalding, D. B. (1974). The numerical computation of turbulent flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3(2), 269-289. https://d oi.org/10.1016/0045-7825(74)90029-2
فصلنامه علمی کارافن
دوره 20، شماره 3
فنی و مهندسی
آذر 1402
صفحه 57-80

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 04 آبان 1401
  • تاریخ بازنگری: 16 فروردین 1402
  • تاریخ پذیرش: 11 تیر 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار