طراحی و بهینه‎سازی مبادله‎کن‎های گرمایی سه‎جریانی لوله‎ای با ساختار درختی با استفاده از نظریه ساختاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، پژوهشکده انرژی و محیطزیست، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

2 کارشناسی ارشد، گروه سیستم‎های انرژی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد تاکستان، دانشگاه آزاد اسلامی، تاکستان، ایران

4 استاد، گروه سیستم‎های انرژی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله اصول نظریه ساختاری به منظور مدل سازی و طراحی مبادله‎کن‎های گرمایی سه ‎جریانی لوله‎ای بسط و تعمیم داده می‎شود. هدف این است که با استفاده از اصول مربوط به نظریه ساختاری خصوصا طراحی بر اساس ساختارهای درختی بتوان عملکرد این نوع مبادله‎کن‎های گرمایی را بهبود داد. در این راستا معادلات دیفرانسیلی مربوط به انتقال گرما یک مبادله‎کن گرمایی سه جریانی استخراج و حل این معادلات به‎دست می‎آید. سپس با استفاده از اصول نظریه ساختاری و با استفاده از روش لاگرانژ یک نسبت تقسیمات برای ساختارهای متوالی در یک درخت برای مبادله‎کن گرمایی سه‎لوله‎ای استخراج می‎گردد که این رابطه حجم محاسبات را کاهش چشمگیری می‎دهد. بر این مبنا و با استفاده از مدل‎سازی‎های هندسی و گرمایی، الگوریتم طراحی یک مبادله‎کن گرمایی سه‎جریانی استخراج و بیان می‎گردد.  به منظور بررسی میزان بهبود عملکرد یک مبادله‎کن گرمایی سه‎جریانی لوله‎ای و بررسی قابلیت و کارایی روش فوق‎الذکر از یک مطالعه موردی استفاده شده است. نتایج حاصل نشان می‎دهد که افت فشار و سطح انتقال گرما در مبادله‎کن‎های گرمایی ساختاری با ساختار درختی نسبت به نوع عادی آن کاهش قابل ملاحظه‎‎ای دارد.

کلیدواژه‌ها


[1]  Bejan A., Constructal-theory network of conducting paths for cooling a heat generating volume, Int. J. Heat Mass Transfer, 40, 799–816, 1997.
[2]  Bejan A., Advanced Engineering Thermodynamics, 2nd ed. Wiley, NewYork, 1997.
[3]  Bejan A., Dendritic constructal heat exchanger with small-scale crossflows and larger-scale counterflows, Int. J. Heat Mass Transfer; 45, 4607–4620, 2002.
[4]   Raja V.A.P, Basak T..and Das S.K., Thermal performance of a multi-block heat exchanger designed on the basis of Bejan’s constructal theory. Int J Heat Mass Transfer, 51, pp. 3582-3594, 2008.
[5]  Zimparov V.D., da Silva A.K., Bejan A., Thermodynamic optimization of tree-shaped flow geometries, Int. J. Heat Mass Transfer; 49, pp. 1619–1630, 2006.
[6]  Vahdat Azad A.,.Amidpour M, Economic optimization of shell and tube heat exchanger based on constructal theory, Energy Journal, 36, pp.  1-10, 2010.
[7]  Yang J., Fan A., Liu A. .and Jacobi A.M., Optimization of shell-and-tube heat exchangers conforming to TEMA standards with designs motivated by constructal theory, Energy Conversion and Management, 78, pp. 468-476, 2014.
[8]  Sotoodeh A.F., Amidpour M., ghazi M., Developing of Constructal Theory Concept for Plate – Fin Heat Exchanger Modeling, Design and Optimization, International Journal of Exergy, 2014.
[9]  Sekulic D.P., Shah R.K., Thermal design theory of three-fluid heat exchanger, Adv. Heat Exchanger 26, pp. 219–327, 1995.
[10]              علی اصغر حمیدی.،‌ تبادل‎گرهای گرمایی. انتشارات دانشگاه تهران، چاپ اول، 1390.
[11]             Picon-Nuñez M., Polley G.T.  and Medina-Flores M., Thermal design of multi-stream heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 22, pp. 1643-1660, 2002.
[12]             M. Peters, Timmerhaus K., West R., Plant Design and Economics for Chemical Engineers, McGraw-Hill, 2003.