شبیه سازی کامپیوتری مبدل های حرارتی

روش‌های مدل سازی پدیده های انتقال حرارت

پدیده‌های پیچیده انتقال گرما را می‌توان با روش‌های مختلف مدل کرد:

  1. معادله گرما:

  2. معادله گرما، معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی است که توزیع گرما (یا تغییرات دما) را در منطقه‌ای داده شده در طول زمان شرح می‌دهد. در بعضی مواقع راه حل دقیق معادله در دسترس است و در موارد دیگر، این معادله باید با حل عددی و با استفاده از روش‌های محاسباتی حل شود. برای مثال در مدل‌های ساده آب و هوایی، ممکن است سرمایش نیوتون به جای کدهای تابشی برای حفظ دمای اتمسفر استفاده شود.

  3. تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها:

  4. تجزیه و تحلیل سیستم‌ها با استفاده از مدل ظرفیت توده‌ای یک تخمین متداول در رسانش گذرا است که ممکن است هنگامی که رسانش گرمایی داخل شی خیلی بیشتر از رسانش گرمایی در مرزهای جسم است، مورد استفاده قرار گیرد. این روش تقریبی است که یکی از جنبه‌های هدایت گذرای سیستم – در داخل جسم - را به یک سیستم معادل حالت پایدار کاهش می‌دهد. در این روش فرض بر این است که دما در داخل جسم کاملا یکسان است؛ اگر چه مقدار آن ممکن است با زمان در حال تغییر باشد. در این روش، نسبت مقاومت در برابر گرمای رسانشی در درون جسم به مقاومت در برابر انتقال گرمای همرفت در مرزهای جسم که به عنوان عدد بایو شناخته می‌شود، محاسبه می‌شود.

    برای عددهای بایو کوچک تخمین دمای یکنواخت مکانی در داخل جسم می‌تواند به کار رود و فرض شده‌ است که انتقال گرما در جسم زمان برای توزیع یکنواخت درون خود با توجه به مقاومت کمتر به انجام این کار در مقایسه با مقاومت برای گرمای ورودی به جسم دارد. تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها اغلب پیچیدگی معادلات را به معادله دیفرانسیل خطی مرتبه اول کاهش می‌دهد که در آن گرمایش و سرمایش با حل تابع نمایی ساده شرح داده می‌شوند و اغلب به عنوان قانون سرمایش نیوتون اشاره دارد.

طراحی و شبیه سازی مبدل های حرارتی

مبدل‌های حرارتی جزو پرکاربرترین اجزا در واحدهای صنعتی اند. آنها وسایلی هستند که امکان انتقال انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف را فراهم می‌کنند. این عملیات می‌تواند بین مایع- مایع ، گاز- گاز و یا گاز- مایع انجام شود. مبدل‌های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال سرد و یا هر دو مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دروس متعددی در دانشگاه‌ها در مورد طراحی مبدل‌های حرارتی ارائه می‌گردد. محاسبات مربوط به مبدل‌ها کاری طولانی است. مثلاً طراحی یک مبدل برای یک عملیات به خصوص نیاز به عملیات ریاضی طولانی و حدس‌های زیادی دارد که با استفاده از آن‌ها و طبق استانداردها می‌توان اندازه‌های یک مبدل مناسب را پیدا کرد. اما با استفاده از برنامه‌های کامپیوتری تمام این محاسبات توسط کامپیوتر انجام میشود و طراح برای طراحی تنها باید شرایط عملیاتی و خواص سیالات حاضر در عملیات را وارد کند. نرم افزارHTFS از جمله برنامه هایی هستند که توانایی انجام چنین محاسباتی را دارند و در مدلسازی و شبیه سازی مبدل های حرارتی بکار می روند. در ادامه این نرم افزار شرح داده می شود.

نرم افزارهاي مجموعه HTFS

نرم افزارهاي مجموعه HTFS عمدتاً براي طراحي انواع تجهيزات انتقال حرارت به كار مي روند. اين مجموعه از تعدادي نرم افزار قدرتمند كه زمينه هاي فني زير را پوشش مي دهند تشكيل شده است:

  1. مبدلهاي حرارتي پوسته و لوله (Shell & Tube)
  2. خنك كننده هاي هوايي
  3. مبدلهاي حرارتي صفحه اي
  4. مبدلهاي حرارتي صفحه اي - پره دار (Fin & Plate)
  5. مبدلهاي حرارتي براي تهويه مطبوع و بازيافت حرارت
  6. مبدلهاي حرارتي نيروگاهي
  7. كوره ها

نرم افزارهاي HTFS به صورت پيوسته بر طبق نياز كاربر و آخرين نتايج تحقيقاتي تكميل و به روز مي شوند. نرم افزارهايي كه در اين مجموعه قرار مي گيرند عبارتند از :

  • TASC: این نرم افزار برای محاسبات مهندسي در خصوص كاربردهاي مختلف مبدلهاي پوسته و لوله است. از جمله در گرمايش و سرمايش بدون تغيير فاز، ميعان در كندانسورهاي ساده يا همراه با خشكي زدايي (desuperheating) فراسرد سازي (subcooling)، كندانسورهاي چند جزئي و پاره اي، جوش آورها، تبخيركننده هاي از نوع falling-film و مبدلهاي پشت سرهم چند پوسته و چند فازي براي تبادل حرارت ميان خوراك و محصولات كاربرد دارد. اتصال اين نرم افزار به برنامه شبيه ساز HYSYS و تبادل دوطرفه اطلاعات به صورت زنده و فعال، از ويژگي هاي برجسته آن است.
  • FIHR: این نرم افزار ابزاري توانا براي شبيه سازي انتقال حرارت و افت فشار در كوره هايي است كه با سوخت مايع يا گاز كار مي كنند. از لحاظ هندسي حالت هاي متنوعي شامل محفظه هاي استوانه اي يا جعبه اي، تكي يا دوقلو و حاوي لوله هاي عمودي، افقي يا مركزي و مجهز به سيستم باز يا گردشي گازهاي حاصل از احتراق، همگي قابل شبيه سازي است. از نظر فرايندي نيز جريانهاي ورودي تك فاز يا دو فازي با چند بار گذر قابل قبول هستند. در قسمت كنوكسيوني كوره، امكان نصب 9 دسته لوله به صورت مجزا با لوله هاي ساده يا پره دار يا شمع دار وجود دارد. اين برنامه به شبيه سازها و بانك هاي اطلاعاتي خواص فيزيكي متصل مي شود. خروجي FIHR در قالب استاندارد API و همراه با نقشه كوره ها است.
  • MUSE: اين نرم افزار مي تواند انواع مبدلهاي صفحه – پره ای (plate-fin) را كه در جداسازي اجزاي هوا و صنايع نفت، گاز و پتروشيمي به كار مي روند شبيه سازي كند. MUSE مي تواند تا 15 جريان فرايندي تك فاز و در حال جوشش يا ميعان را بررسي كند. از لحاظ هندسي نيز هر نوع پيچيدگي نقاط ورودي و خروجي مانند جوش آورهاي ترموسيفون و مبدلهاي با جريان متقاطع در آن قابل قبول است.
  • PIPE: با بهره گيري از اين نرم افزار، مي توان عملكرد سيستم خطوط لوله حاوي سيالات تك فاز يا دو فازي را در حالت يكنواخت شبيه سازي كرد. افزون بر لوله ها، انواع اتصالات مانند زانويي ، كاهش يا افزايش ناگهاني قطر، شيرهاي توپي، پروانه اي، كروي و دروازه اي، اريفيس و روزنه ها و هر نوع عامل نامشخص افت فشار را مي توان در نرم افزار PIPE مدلسازي كرد.
  • TICP: از اين نرم افزار در شبيه سازي انواع عايق بندي استفاده مي شود. اين نرم افزار جامع مجموعه اي از استانداردها و خصوصيات عايق هاي مختلف متعارف است و مي تواند انواع محاسبات مانند تعيين ضخامت بهينه عايق، محاسبه پروفيل دما، ارزيابي خواص حرارتي و برآورد هزينه ها را انجام دهد.
  • ACOL: از اين نرم افزار مي توان براي شبيه سازي مبدلهاي حرارتي هواخنك، واحدهاي بازيافت حرارت، تاسيسات و تهويه مطبوع، سرماسازي و تبريد و خنك كننده هاي ميان مرحله اي استفاده كرد. حالت هاي مختلفي مانند جريان اجباري، القايي و آزاد (بدون پنكه) جريان هوا يا هر نوع گاز در حالت گرمايش يا سرمايش در قسمت متقاطع با لوله ها و حالت هاي مختلفي مانند تك فاز، جوشش يا ميعان در طرف لوله ها قابل بررسي است. روش اختصاصي HTFS در طراحي مبدلهاي فرآيندي هواخنك به صورت تصويري و محاوره اي در ACOL گنجانده شده است. نوع گذر لوله ها را مي توان ساده يا پيچيده در نظر گرفت و لوله ها را نيز مي توان از نوع ساده يا پرده دار انتخاب كرد. اين برنامه به نرم افزارهاي انتخاب پنكه ها، شبيه سازها و بانك هاي داده هاي خواص فيزيكي متصل مي شود و در خروجي برگه هاي اطلاعاتي نوع API را ارائه مي كند.
  • FRAN: بررسي و شبيه سازي مبدلهاي نيروگاهي از اين نرم افزار براي شبيه سازي عملكرد مبدلهاي پوسته و لوله (Shell & Tube) كه براي گرم كردن آب تغذيه ديگ بخار به كار مي روند استفاده مي شود. جريانهاي گرم كننده بخار مراحل مختلف توربين ها با فشارهاي مختلف بخار چگاليده هستند. در هر حالت، بررسي سطح حرارتي مورد نياز به ازاي شرايطی مشخص در هر قسمت مبدل محاسبه مي شود. در اين نرم افزار امكان بررسي و شبيه سازي با جزئياتي مانند تعداد مناطق درون گرمكن ها، نوع قسمت خنك كن آب خروجي ، عمودي يا افقي بودن مبدل، تعداد گذر لوله ها، نوع كلگي، جزئيات قسمت خشكي زدائي، الگوي چيدن لوله ها و بسياري جزئيات ديگر فراهم آمده و بدين ترتيب نرم افزاري حرفه اي براي اين كار محسوب مي شود. توانايي ارزيابي ارتعاش از ديگر توانايي هاي اين نرم افزار است. خصوصيات آب و بخار به طور كامل در درون نرم افزار محاسبه مي شود.