استفاده از ابزار شبیه سازی به منظور امکان افزایش عملکرد حرارتی مبدل حرارتی پوسته-لوله با بکارگیری لوله های دیمپل شده

مبدل های حرارتی پوسته-لوله در بسیاری از صنایع کاربرد دارند و تحقیق در راستای بهبود عملکرد آنها ضروری است. یکی از راه های بهبود عملکرد مبدل ها، افزایش سطوح انتقال حرارت می باشد که موجب افزایش نرخ انتقال حرارت می گردد. از روش های موجود در این راستا، می توان به افزون دیمپل به لوله های مبدل اشاره کرد. دیمپل ها به دلیل آشفته کردن میدان جریان، باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می شوند. هدف از این مطالعه، بررسی تاثیر استفاده از لوله های دیمپل شده در افزایش نرخ انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی پوسته-لوله است. بدین منظور، شبیه سازی عددی برای دو مبدل مشابه، یکی دارای لوله های صاف و دیگری دارای لوله های دیمپل شده صورت گرفته و نتایج آن ها با یکدیگر مقایسه شده است. به ازای چند عدد رینولدز سمت پوسته، شبیه سازی هایی در محدوده رینولدز 51000~6400 سمت لوله، صورت گرفته است. بدین ترتیب، تاثیر تغییر رینولدز سمت پوسته و سمت لوله، در میزان تاثیرگذاری دیمپل-ها مشاهده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی تطابق خوبی با داده های تجربی موجود دارند. نتایج نشان می دهد در رینولدزهای پایین جریان پوسته، تاثیر دیمپل ها ناچیز است؛ اما چنانچه جریان کاملا آشفته شود، تاثیر دیمپل ها در افزایش نرخ انتقال حرارت نمایان شده و با افزایش عدد رینولدز پوسته، این تاثیرگذاری بیشتر نیز می شود. همچنین در محدوده رینولدز مورد مطالعه سمت لوله، درصد افزایش نرخ انتقال حرارت تغییر چندانی ندارد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد چنانچه عدد رینولدز سمت پوسته در حدود 4900 باشد، نرخ انتقال حرارت در مبدل دارای لوله های دیمپل شده، به طور میانگین حدود 31 درصد بیشتر از مبدل دارای لوله های صاف خواهد بود.

Using simulation tools to evaluate the possibility of increasing the thermal performance of a shell-tube heat exchanger using dimple tubes

Nowadays, shell and tube heat exchangers (STHE) are extensively used in so many industries and the improvement on their performances is an essential demand. One idea to improve the performance is to increase the STHE heat transfer surfaces. One advanced technology is the use of dimple tubes. Dimples intensify the flow turbulence and thus enhance the heat transfer rate. This study aims to investigate the effect of using dimple tubes on heat transfer rate and pressure drop in a STHE. For this purpose, numerical simulations were performed for two similar STHEs, one with smooth tubes and the other with dimple tubes, and the results were compared with each other. The simulations are conducted considering the ranges of 6400-51000 for the tube-side and 300-4900 for the shell-side Reynolds numbers. Thus, the effect of shell-side and tube-side Reynolds on the performance of dimples has been observed. The results of numerical simulations are in good agreement with experimental data. The present evaluations indicate that dimples decrease the shell-side pressure drop. Also indicate that the effect of dimples on increasing heat transfer is negligible at low Reynolds numbers of shell-side flow. However, the impact of dimples on the heat transfer rate becomes apparent when the shell-side flow becomes completely turbulent. Indeed, higher shell-side Reynolds result in more improvements in STHE thermal performance. In the Reynolds range studied on the tube-side, the percentage of increase in heat transfer rate and decrease in pressure drop by dimples does not change much. The results show that the dimples can enhance the heat transfer rate as much as 30% using shell-side Reynolds number of about 4900.