مقایسۀ عددی مشخصه های ترمو هیدرولیک سمت پوستۀ مبدل های حرارتی پوسته-لوله با بفل تری فویل و بفل قطاعی به وسیلۀ الگوریتم ژنتیک

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 4، دوره 35، شماره 2 - شماره پیاپی 32، تیر 1402، صفحه 55-76   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2023.75777.1105

نویسندگان

هادی اسکندری^{* 1}؛ سید ایمان هاشمی مرغملکی²

¹دانشگاه صنعت نفت، آبادان، ایران.

²شرکت نفت و گاز اروندان منطقه آزاد اروند ایران

چکیده

در این مقاله به مطالعۀ  تاثیر استفاده از بفل­های تری‌فویل و قطاعی بر انتقال حرارت و افت فشار سمت پوستۀ مبدل­­های حرارتی پوسته – لوله پرداخته می­شود. بفل­ها در پوسته مبدل­های حرارتی پوسته - لوله برای افزایش ضریب انتقال حرارت، تکیه‌گاه لوله­ها، تعیین الگوی جریان، استحکام ساختاری و جلوگیری از ارتعاش، به کار می­روند. با استفاده از الگوریتم ژنتیک در شرایط یکسان، تابع­های انتقال حرارت و افت فشار بفل­ها به‌صورت تک هدفه و چند هدفه  بهینه‌سازی می­شوند. مبدل حرارتی با بفل تری‌فویل به وسیلۀ نرم افزار انسیس فلوئنت شبیه‌سازی می­شود. نتایج نشان می­دهد که بفل تری‌فویل ضریب انتقال حرارت را با افت فشار بیشتری، افزایش می­دهد. ظرفیت انتقال حرارت بفل تری‌فویل نسبت به بفل قطاعی در وضعیت بیشینۀ حاصل شده از الگوریتم ژنتیک تک هدفه در آرایش مربع  19.944% و برای آرایش مثلث 16.25% بیشتر شده است، این در حالی است که افت فشار برای چیدمان مربع دستۀ لوله‌ها  3.2 برابر و برای چیدمان مثلث دستۀ لوله‌ها 2.075 برابر نسبت به بفل قطاعی بیشتر شده است.جریان‌های جت ایجاد شده در منفذهای تری‌فویل عملکرد انتقال حرارت مبدل حرارتی را افزایش می‌دهد و محصولات خوردگی و رسوبات شیمیایی دستۀ لوله‌ها را کاهش می‌دهد و باعث بهبود شرایط خوردگی مبدل حرارتی پوسته-لوله با بفل منفذدار تری‌فویل شده است.

کلیدواژه‌ها

بفل تری فویل"؛ بفل قطاعی"؛ مبدل حرارتی پوسته-لوله"؛ ترموهیدرولیک"؛ الگوریتم ژنتیک"؛ بهینه سازی"؛ "؛ شبیه سازی سه بعدی"

مراجع

[1]Kakac, Heat Exchangers Selection and Thermal Design, Ed. Miami Gables: Florida University. (2002).

[2] S. Kotian, N. Methekar, N. Jain, P. Vartak and P. Naik, “Colburn vs Bell Delaware approach for evaluation of thermo hydraulic performance of a shell and tube heat exchanger” a theoretical study, 1st International Conference on Computations in Materials and Applied Engineering, (2021).

[3] Z. Sui, J. Yang, Y. Yao and X-Y Zhang, “Numerical investigation of the thermal-hydraulic characteristics of AP1000 steam generator U-tubes”, International Journal of Advanced Nuclear Reactor Design and Technology, vol. 2, pp. 52-59, (2020).

[4] O. D. Lara-Montano, F.I. Gomez-Castro and C. Cutierrez-Antonio, “Comparison of the performance of different metaheuristic methods for the optimization of shell-and-tube heat exchangers”, Computers and Chemical Engineering, vol. 152, pp.1-17, (2021).

[5] E.M.S. El-said, A.H. Elsheikh and H.R. El-Tahan, “Effect of curved segmental baffle on a shell and tube heat exchanger thermo hydraulic performance: Numerical investigation”, International Journal of Thermal Sciences, vol. 165, pp. 1-13, (2021).

[6] T. Cong, R. Zhang, W. Tian, G.H. Su and S. Qiu, “Analysis of Westinghouse MB2 test using the Steam-generator Thermo hydraulics Analysis code STAF”, Annals of Nuclear Energy, vol. 85, pp. 127-136, (2015).

[7] A.S. Ambekar, R. Sivakumar, N. Anantharaman and M. Vivekenandan, “CFD simulation study of shell and tube heat exchangers with different baffle segment configurations”, Applied Thermal Engineering, vol. 108, pp. 999-1007, (2016).

[8] H. Uosofvand and A.A. Abbasian Arani, “Shell and tube heat exchanger’s performance improvement employing hybrid segmental–helical baffles and ribbed tubes combination”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 43 (399), pp. 1-15, (2021).

[9] D. Wang, K. Wang, Y. Wang, C. Bai and M. Liu, “Numerical and Experimental Investigation of the Shell Side Characteristics of the Trefoil-Hole Baffle Heat Exchanger”, Heat Transfer Research, vol. 48, pp. 81-95, (2017).

[10] A.E. Maakoul, A. Laknizi, S. Saadeddine, M.E. Metoui, A. Zaite, M. Meziane and A.B. Abdellah, “Numerical comparison of shell-side performance for shell and tube heat exchangers with trefoil-hole, helical and segmental baffles”, Applied Thermal Engineering, vol. 109, pp. 175-185, (2016).

[11] Y. Sun, X. Wang, R. Long, F. Yuan and K. yang “Numerical Investigation and Optimization on Shell Side Performance of A Shell and Tube Heat Exchanger with Inclined Trefoil-Hole Baffles”, Energies, 12(21), 4138, (2019).

[12] S. Wang, J. Xiao, J. Wang, G. Jian, J. Wen and Z. Zhang, ”Configuration optimization of shell-and-tube heat exchangers with helical baffles using multi- Objective genetic algorithm based on fluid-structure interaction”, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 85, pp. 62-69, (2017).

[13] X. Zhang, D. Han, W. He and C. Yue, “Numerical simulation on a novel shell-and-tube heat exchanger with screw cinquefoil orifice baffles”, Advances in Mechanical Engineering, vol. 9(8), pp 1-12, (2017).

[14] Z. Xu, Y. Guo, H. Mao and F. Yang, “Configuration Optimization and Performance Comparison of STHX-DDB and STHX-SB by A Multi-Objective Genetic Algorithm”, Energies, 12(9), 1794, (2019).

[15] S. Jena, P. Patro and S.S. Behera, “Multi-Objective Optimization of Design Parameters of a Shell &Tube type Heat Exchanger using Genetic Algorithm”, International Journal of Current Engineering and Technology , vol. 3, no. 4, (2013).

[16] S. Sanaye and H. Hajabdollahi, “Multi-objective optimization of shell and tube heat exchangers”, Applied Thermal Engineering, vol. 30, pp. 1937-1945, (2010).

 [17] H. Bayram and G. Sevilgen, “Numerical Investigation of the Effect of Variable Baffle Spacing on the Thermal Performance of a Shell and Tube Heat Exchanger”, Energies, 10(12), 2181, (2017).

[18] T. Du and W. Du, “Characteristics of flow and heat transfer of shell-and-tube heat exchangers with overlapped helical baffles”, Frontiers of Engineering Management, vol. 6(1), pp. 70–77, (2019).

 [19] L. Ma, K. Wang, M. Liu, D. Wang, T. Liu, Y. Wang and Z. Liu “Numerical study on performances of shell-side in trefoil-hole and quatrefoil hole baffle heat exchangers”, Applied Thermal Engineering, vol. 123, pp. 1444-1455, (2017).

 [20] D. Wang, H. Wang, J. Xing and Y. Wang “Investigation of the thermal-hydraulic characteristics in the shell side of heat exchanger with quatrefoil perforated plate”, International Journal of Thermal Sciences, vol. 159, 106580, (2021).