تحليل عددي گرما- شاره در مبادله‌كن‌هاي گرمايي پوسته و لوله با بافل‌هاي مارپيچي پيوسته با تاكيد بر تاثير نسبت‌هاي هندسي قطر پوسته، قطر لوله و گام بافل‌

Numerical Analysis of Termo-in Shell and Tube Heat Exchangers with Continues Helical Baffles and Emphasis on the Geometrical Ratios of Shell and Pipe Diameters and Baffle's Pitch

امروزه جايگزيني بافل هاي قطاعي با بافل‌هاي مارپيچي پيوسته به عنوان يكي از جديدترين رويكرد‌هاي عملي براي افزايش كارايي اين نوع مبادله‌كن‌ها انجام شده است. به منظور مقايسه كمي، دراين مقاله ميدان جريان سيال و دما در مبادله‌كن‌هاي پوسته لوله با بافل‌هاي مارپيچي پيوسته و قطاعي به كمك ديناميك سيالات عددي تحليل شده‌اند. مقايسه نتايج نشان دهنده افت فشار كمتر و اختلاف دماي بيشتر در مبادله‌كن‌هاي با بافل هاي مارپيچي پيوسته است. در ادامه تاثير دو نسبت هندسي مهم يعني نسبت‌هاي قطر پوسته به قطر لوله‌ و نسبت گام بافل‌ به قطر پوسته بر عملكرد مبادله‌كن‌هاي با بافل مارپيچي پيوسته مطالعه و تحليل شده‌اند. براي اعتبار سنجي حل عددي، ابتدا جريان گرما و سيال داخل يكي از مبادله‌كن‌هاي پوسته و لوله كه نتايج تجربي آن در مراجع موجود بوده شبيه سازي شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه براي مبادله‌كن گرمايي با بافل هاي پيوسته، در نسبت قطري حدود 11/2 =D/d ، هردوي توابع اختلاف دماي بين ورودي و خروجي پوسته و افت فشار از حالت كاهشي به افزايشي تغيير مي‌يابند. هچنين اتفاق مشابهي براي اين توابع در نسبت هاي گام به قطر 2 =B/D، نيز رخ مي دهد. ارزيابي ها نشان مي‌دهند كه براي نسبت هاي قطر پوسته به قطر لوله اي بالاتر از 16 و نسبت گام به قطر پوسته كمتر از يك اين نوع مبادله‌كن‌ها داراي بيشترين مشخصه عملكردي مي باشند.

Nowadays, substitution of the heat exchangers equipped with continuous helical baffles is a new methodology to improve of the heat exchangers efficiencies. In this paper, heat and fluid flow fields through the heat exchangers equipped with segmental and continuous helical baffles are analyzed numerically using the computational fluid dynamics. Comparison of segmental and continuous helical baffles shows lower pressure drop and upper temperature differences for heat exchangers equipped with the later baffles. Also the effects of two major geometrical ratios: the shell to pipe diameters, D/d, and the baffle pitch to shell diameter, B/D, on the efficiency of the heat exchangers are studied. Numerical methodology of solution and governing equations is validated by iterative numerical analysis of a heat exchanger that had experimental data for comparison. Consistency between the numerical and experimental are occurred. The results show that for D/d near to 11.5, the variations of both parameters, temperature difference between output and input of the shell and the pressure drop with respect to D/d, changes from decreasing manner to increasing manner. Similar results also occurred near the ratio of the baffle pitch to shell diameter, B/D of about 2. Post processing of the results also shows the thermal performance index of the heat exchanger has its maximum value for D/d ratio greater than about 16 and the B/D ratio lower than one.