انتخاب سطح و طراحی مبدل حرارتی پلیت _فین با استفاده از روش الگوریتم طراحی سریع

چکیده

با وجود روشهای متنوع بهبود راندمان مبدلهای حرارتی، مهندسین همچنان نیازمند شاخص‌هایی هستند که عملکرد این دستگاههای حرارتی را توسط آنها ارزیابی کنند. در این مقاله ضمن مرور مهمترین شاخص‌ها ، رابطه مناسبتری برای انتخاب سطوح انتقال حرارت در طراحی مبدلهای حرارتی فشرده توسعه و ارائه شده است.  این شاخص عملکردی، عوامل فرایندی مهمی مانند افت فشار را با توجه به ملاحظات حرارتی و هیدرولیکی و همچنین اثرات تداخل مقاومتها  ( شامل مقاومتهای حرارتی، مقاومت ناشی از جرم گرفتگی ها، دیواره و غیره ) را که قبلا از آنها صرفنظر می شد، در نظر گرفته و تا حدود زیادی شرایط عملیاتی را به طور واقعی در خود گنجانیده است. در این مقاله براساس این شاخص توسعه یافته، روشی برای طراحی مبدل‌های حرارتی پلیت فین فشرده ارائه شده است که در آن دستیابی به ماکزیمم افت فشار مجاز و قابل دسترس (Max.allowable pressure drop)  به  عنوان  هدف طراحی در  نظر گرفته  شده  است. این روش بر اساس  توسعه یک مدل  ترموهیدرولیکی  که  رابطه  بین  افت فشار، ‌ضریب انتقال حرارت و حجم مبدل را ارائه می‌کند، بنا نهاده شده است. یک روش ساده نیز برای انتخاب سطح و بر اساس مفهوم شاخص عملکرد حجم  ((VPI ارائه شده است. سطوحی که حجمهای کوچکتری را ایجاد می کنند VPI بزرگتری خواهند داشت. سطوح براساس VPI مقایسه و نمودارهایی برای انتخاب سطوحی با بهترین عملکرد تهیه شده است. انتخاب سطح و طراحی همزمان برای دسترسی به افت فشار کامل با استفاده از نمودارهای VPI و مدل ترموهیدرولیکی محقق می‌شود. الگوریتمهای طراحی برای آرایش جریان متقاطع ارائه و نتایج با مقایسه با مورد مطالعاتی ذکر شده در مقاله آزمایش شده‌اند. ‌با استفاده از نمودارهای VPI سطوحی که بیشترین شاخص عملکردی را در محدوده رینولدز عملیاتی داشته‌اند، انتخاب و با استفاده از برنامه رایانه‌ای مبدل مورد نظر طراحی و سپس حجم کل مبدل به دست آمده است. به این ترتیب مبدلهایی طراحی شده‌اند که حجمهایی تا چندین برابر کوچکتر از حجم موارد مطالعاتی ذکر شده داشته‌اند.
 

عنوان مقاله [English]

Selection of Surface and Design of Plate-Fin Heat Exchangers Using Rapid Design Algorithm

چکیده [English]

The objective of this paper is to present a design procedure for compact plate-fin heat exchangers based on full utilization of pressure drop. Since, design engineers need to indices for optimum selection of plates, an appropriate  index   is   developed  and   then based on the rapid design algorithm, developed by previous investigators, the best enveloped has been modified.  The developed index, volume performance index (VPI), considers the opposing resistances due to foling formation on both side of heat transfer surfaces so that it presents the more relaible results than the others.  Bsed on the developed index an algorithm is examined with a case study to show how much it could be applied effectively. Using this index, it is revealed that the total volume of heat exchanger can be obtained many times smaller and more compact than the common indices.
 

 

[1] L.Wang, B. Sunden, "Optimal Design of Plate Heat Exchangers with and Without

      Pressure Drop Specifications", Applied Thermal Engineering 23 (2003) 295-311

[2] L.Wang, "Performance Analysis and Optimal Design of Heat Exchangers and Heat

      Excahnger Networks", Doctoral Thesis, Lund Institute of Technology, Sweden, 2001.

[3] M. Nunez, G.T. Polley, E. Reyes, A. Munoz, "Surface Selection and Design of Plate Fin

      Heat Exchangers", Applied Thermal Engineering 19 (1999) 917-931

[4] W.M. Kays, A.L. London. Compact Heat Exchangers, 3rd ed. McGraw-Hill, 1984.

[5] M.A. Taylor, "Plate-Fin Heat Exchangers: Guide to Their Specification and Use", 1st ed.,

      HTFS, Harwell, 1987.

[6] R.K. Shah, "Plate-Fin and Tube-Fin Heat Exchangers Design Procedures", in: R.K. Shah,

      E.C. Subbarao, R.A. Mashelkar (Eds.), "Heat Transfer Equipment Design, Publshing

      Corporation", Washington, DC, 1988, pp. 255-265.

[7] R.K. Shah, "Compact Heat Exchanger Surface Selection, Optimization and Computer-

     Aided Thermal Design", in; S. Kakac, R.K. Shah, A.B. Bergles (Eds.), Lkow Number

     Flow Heat Exchangers, Hemisphere New York, (1983), pp. 845-874.

[8] G.T. Polley, M.H. Panjeh-Shahi, M. Picon-Nunez, "Rapid Design Algorithms for Shell-

      and-Tube and Compact Heat Exchangers", Trans. IChem E 69, (Part) A (1991) 435-444.

[9] R.K. Shah, "Compact Heat Exchanger Selection Methods, Advances in Compact Heat

      Exchanger Technology and Design Theory". 6th Int. Heat Transfer Conf., Toronto, Canada

    . Hemisphere, New York, (1982), pp. 193-199.