مروری بر روش‌های بهبود انتقال حرارت در رکوپراتور‌ها

مروری بر روش‌های بهبود انتقال حرارت در رکوپراتور‌ها (مبدل‌های حرارتی)

در ادامه مقالات آموزشی مربوط به رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات و پس از آشنایی با تجهیزات بازیابی حرارت در این مقاله آموزشی به مروری بر روش‌های بهبود انتقال حرارت در رکوپراتور‌ها (مبدل‌های حرارتی) می پردازیم که امیدواریم برای شما مفید واقع شود .

افزایش انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی به دلیل کاهش ابعاد، افزایش بازده و کاهش قدرت پمپاژ از اهمیت زیادی برخوردار است. از روش‌های افزایش انتقال حرارت می‌توان به استفاده از بفلها، توربولاتورهای سیمی، سطوح گسترش یافته بر روی دیواره لوله، افزودن نانو‌ ذرات به سیال پایه و همچنین بهره‌گیری از مواد متخلخل اشاره کرد. مزیت اصلی استفاده از ساختار‌های متخلخل در رکوپراتور، ایجاد سطح تماس بالا بین فاز‌های جامد و سیال و همچنین افزایش مدت زمان اقامت سیالات سرد و گرم در کنار یکدیگر می‌باشد. از جمله این محیط‌های متخلخل می‌توان به بستر‌های پر شده )Packed beds(  با گوی‌های کروی شکل اشاره نمود.

بسترهای پر شده به دلیل تخلخل )Porosity( پایین در محدوده ۳_/۰ تا ۶_/۰، افت فشار قابل توجهی را به خصوص در سرعت‌های بالای سیال به وجود می‌آورند. همچنین، انتقال حرارت به روش رسانایی توسط این بستر‌ها عموماً به علت تماس موضعی و نقطه‌ای ذرات با یکدیگر کیفیت ‌‌مطلوبی ندارد. تغییر رویکرد از بسترهای پر شده به سمت بستر‌های ساختار یافته مانند فوم‌های سلول باز فلزی (آلومینیوم، مس و...) و سرامیکی (کوردیریت، آلومینا، سیلیکون کارباید و...) در دهه گذشته گسترش چشمگیری داشته است. فوم‌های سلول باز، مواد مشبک اسفنج مانندی هستند که شامل شبکه‌های به هم پیوسته‌ سه بعدی می‌باشند. این فوم‌ها با دارا بودن تخلخل بالا در محدوده ۶_/۰ تا ۹۵_/۰ از یک سو کاهش قابل توجهی در افت فشار را نسبت به بسترهای پر شده نشان می‌دهند و از سوی دیگر به دلیل ارتباط پیوسته میان رشته‌های جامد )Struts(، منجر به افزایش نرخ انتقال حرارت هدایتی می‌شوند.

در ابتدا فوم‌های متخلخل از فلزاتی مانند آلومینیوم ساخته می‌شدند که هدایت حرارتی نسبتاً بالایی داشتند. بررسی‌های بعدی نشان داد که فوم کربن متخلخل یا PCF نه تنها از هدایت حرارتی بیشتری نسبت به فوم آلومینیوم برخورداراست،‌ بلکه به دلیل ساختار میکروسکوپی خود از سطح انتقال حرارت بیشتری نیز سود می‌برد. با این وجود افت فشار ایجاد شده توسط فوم کربن بیشتر از فوم آلومینیوم بوده و به منظور کاهش افت فشار باید دقت داشت که در مرحله تولید فوم، حفره‌ها قطر بزرگتری داشته باشند. در دماهای بالا که فوم‌های فلزی دچار پدیده خزش می‌شوند، استفاده از فوم‌های سرامیکی مانند آلومینا، کوردریت و سیلیکون کارباید که توانایی تحمل دما تا  1650 را دارند پیشنهاد می‌شود.

از جمله فومهای فلزی رایج و پرکاربرد می‌توان به فوم آلومینیوم اشاره نمود. این فوم‌ها دارای سطح ویژه یا همان نسبت سطح به حجم 500 تا  m²/m³3000 هستند.

Alkam و همکارانش در سال ۱۹۹۹ مطالعه‌ای عددی را به منظور بررسی اثر تخلخل بر راندمان انتقال حرارت بر روی یک مبدل دو لوله‌ای انجام دادند. مطابق شکل زیر بخشی از سمت پوسته و لوله از فوم آلومینیوم پر شده است. برای حل معادلات، فرضیاتی نظیر جریان متقارن، لایه مرزی آرام و بدون تولید حرارت داخلی، همگن بودن محیط متخلخل و ثابت بودن خواص فیزیکی سیال‌ (آب) درنظر گرفته شده است.

در شکل زیر اثر افزایش ضخامت لایه متخلخل بر کارآیی مبدل در دو حالت جریان موازی و جریان متقابل نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، این افزایش ضخامت منجر به افزایش کارآیی مبدل تا 50% در جریان موازی و تا 100% در جریان متقابل می‌گردد.

در دماهای بالا نمی‌توان از فوم‌های فلزی استفاده کرد چرا که دچار خزش می‌شوند. بنابراین، در دماهای بالا استفاده از فوم‌های سرامیکی پیشنهاد می‌شود. باید دقت داشت که ابعاد منافذ و تراکم آن‌ها به گونه‌ای باشد که حداکثر انتقال حرارت و حداقل افت فشار را ایجاد نماید. در شکل زیر شماتیک یک مبدل فوم سرامیکی نشان داده شده است. مبدل حرارتی طراحی شده یک مبدل دو لوله‌ای است که جنس لوله‌های آن از آلومینا بوده و به منظور افزایش سطح انتقال حرارت درون لوله داخلی و فضای حلقوی بین دو لوله نیز از آلومینای متخلخل پر شده است. حداکثر ضریب کلی انتقال حرارت (U_t) به دست آمده در این مبدل برابر W/m²-K 150 بوده و افت فشار نیز مقدار قابل قبولی را در حدود  Pa/m20000 > P/L∆ دارا می‌باشد.

در این مقاله آموزشی سعی بر مروری بر روش‌های بهبود انتقال حرارت در رکوپراتور‌ها (مبدل‌های حرارتی) شده است که امیدواریم برای دانشجویان کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک برای ارایه پابان نامه های کارشناسی ارشد, مقالات آموزشی و پژوهشی مفید واقع شود .

برای آشنایی با مقالات بیشتر در حوزه رشته مهندسی مکانیک می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقاله مورد نظر هدایت شوید :

 - مقدمه‌ای بر مدلسازی انتقال حرارت در نرم‌افزار Fluent

- مقدمه‌ای بر مدلسازی احتراق در نرم‌ افزار OpenFoam

- مقدمه‌ای بر مدلسازی احتراق در نرم‌ افزار Fluent

- مقدمه‌ای بر مدلسازی انتقال حرارت در نرم‌افزار OpenFoam