معرفی نرم‌افزار
در فرآیندهای صنعتی، طراحی و تحلیل مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله یکی از مهم‌ترین مراحل در تضمین عملکرد بهینه سیستم‌های انتقال حرارت است. این تجهیزات به طور گسترده در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها و سایر صنایع استفاده می‌شوند و نقش کلیدی در مدیریت انرژی و بهبود بهره‌وری فرآیندها دارند.
با توجه به پیچیدگی‌های طراحی و نیاز به دقت بالا در تحلیل، توسعه ابزارهای نرم‌افزاری تخصصی برای مهندسان و پژوهشگران ضروری است. نرم‌افزار طراحی مبدل‌های حرارتی تنب (TonbHX) توسط متخصصان شرکت توسعه نرم‌افزار تنب توسعه داده شده است. این نرم‌افزار با بهره‌گیری از مطالعات پیشرفته در زمینه انتقال حرارت و دینامیک سیالات، امکان محاسبه انتقال حرارت کلی، افت فشار، و اثرات جریان‌های نشت و بای‌پس را فراهم می‌کند.
اعتبارسنجی نتایج
برای اطمینان از دقت و صحت نرم‌افزار تنب (TonbHX)، نتایج حاصل از آن با نرم‌افزار معتبر HTRI مقایسه شده است. نرم‌افزار HTRI یکی از شناخته‌شده‌ترین ابزارهای تحلیل و طراحی مبدل‌های حرارتی است که در صنایع مختلف برای شبیه‌سازی و بهینه‌سازی فرآیندهای انتقال حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتایج این مقایسه نشان می‌دهد که:
اختلاف دمای خروجی سمت پوسته حدود 5% است.
اختلاف محاسبات دمای خروجی لوله و فشارهای خروجی کمتر از 1% است.
در شرایط تابستان و زمستان، مجموع انتقال حرارت 1.2% با نتایج نرم‌افزار HTRI تفاوت دارد.
این هم‌راستایی نشان‌دهنده دقت و قابلیت اطمینان بالای نرم‌افزار تنب برای تحلیل‌های پیچیده حرارتی و طراحی مبدل‌های حرارتی است.
تعریف مسئله
در این تست کیس، یک مبدل حرارتی پوسته و لوله با 8 دسته لوله و 3 بفل مورد شبیه‌سازی قرار گرفته است. شکل 1 نمای ایزومتریک این مبدل را نشان می‌دهد. مشخصات کلی آن عبارت‌اند از:
قطر خارجی لوله: 15.875 میلی‌متر
طول لوله: 2 متر
تعداد بفل: 3 عدد
قطر داخلی پوسته: 539.94 میلی‌متر
نوع مبدل (طبق استاندارد TEMA): BES
جدول 1 مشخصات هندسی دقیق مبدل حرارتی را ارائه می‌دهد.
ایجاد شبکه و شرایط مرزی
شبکه یک‌بعدی ایجادشده شامل دو مدار است:
مدار اول: مسیر حرکت سیال در لوله
مدار دوم: مسیر حرکت سیال در پوسته
هر مدار دارای یک شرط مرزی ورودی و یک شرط مرزی خروجی است (شکل 2). در ادامه، شرایط مرزی برای دو فصل تابستان و زمستان ارائه شده است.
در جدول 2 و 3 شرایط مرزی اعمال شده برای شبیه سازی در دو شرایط تابستان و زمستان ارائه شده است. شبیه سازی در دو فصل تابستان و زمستان انجام گرفته است. شرایط مرزی و داده های حاصل از شبیه سازی برای هر فصل به صورت مجزا ارائه شده است. سیال سمت لوله، آب و سیال سمت پوسته، هوا می‌باشد.
اعتبار سنجی و نتایج
نتایج پیش بینی شده توسط نرم افزار توسعه داده شده، در جداول زیر آورده شده است. در جدول 4 و 5، مقدار کل انتقال حرارت و دما محاسبه شده توسط نرم افزار HTRI و نرم افزار توسعه داده شده به ترتیب برای شرایط تابستان و زمستان ارائه شده است و نتایج مورد مقایسه قرار گرفته است. مطابق با جدول 4 و 5، درصد اختلاف میان نتایج به دست آمده حاصل شبیه سازی های انجام گرفته توسط نرم افزار HTRI و نرم افزار توسعه داده شده، پارامترهای دما و فشار خروجی تیوب، فشار خروجی سمت پوسته و انتقال حرارت کل دارای درصد اختلاف کمتر از 1% هستند و دمای خروجی سمت پوسته دارای اختلاف 5% با نتایج HTRI می‌باشد. همچنین درشکل 5 مقادیر حاصل از شبیه سازی برای فصل زمستان ارائه شده است. درصد اختلاف نتایج در شرایط زمستان نیز مشابه با درصد اختلاف فصل تابستان می‌باشد. مجموع انتقال حرارت در شرایط تابستان و زمستان 1،2% با نتایج HTRI اختلاف دارد.
در شکل 3 و 4 به درصد اختلاف دماهای خروجی سمت لوله و پوسته و همچنین فشارهای خروجی سمت لوله و پوسته با نتایج HTRI به ترتیب برای شرایط تابستان و زمستان بصورت نمودار میله‌ای نشان داده شده است.
در این تست کیس با توجه به نتایج، حداکثر اختلاف در پارامترهای خروجی برای دمای خروجی در سمت پوسته به مقدار 5% می‌باشد.