مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تاثیر چگالش بر انتقال حرارت یک مبدل پوسته و لوله با کاربری تولید همزان برق و حرارت

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
علی حیدری 1
محمدعلی احترام 2
1 گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 گروه سیستم‌های انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
در مقاله حاضر عملکرد یک مبدل پوسته و لوله که سیال سرد آن آب شهری و سیال گرم آن گازهای حاصل از احتراق یک موتور احتراق داخلی گازسوز که دارای توان کاری۴/۱۵کیلووات است، بررسی شد. در ابتدا با تغییر دما و دبی جریان آب ورودی، عملکرد مبدل در حالات بدون چگالش و با چگالش در آزمایشگاه بررسی شد تا در ادامه با انجام شبیه‌سازی‌های یک‌بعدی معیاری برای سنجش صحت نتایج عددی وجود داشته باشد. با مقایسه مدل‌های مختلف عددی در نرم‌افزار Aspen B-JAC کم‌خطاترین مدل شبیه‌سازی انتخاب شد تا دیگر تحلیل‌های هزینه‌بر و ناممکن در محیط آزمایشگاه به صورت عددی صورت پذیرند. بررسی اثر حساسیت قطر داخلی لوله‌ها بر عملکرد مبدل در حالت وجود چگالش، افزایش ۵/۴ درصدی انتقال ­حرارت به ازای کاهش قطر لوله‌ها از ۷ به ۶میلی‌متر را پیش‌بینی کرد. تفکیک سهم مراحل مختلف انتقال حرارت نشان از سهم ۲۶/۴% انتقال حرارت نهان در بیشینه دبی آزمایش‌ها برای قطر داخلی ۶میلی‌متر داشت. در انتها مجموعه موتور- مبدل به عنوان یک میکرو CHP بررسی و فرض شد که از مبدل برای گرمایش آب گرم مصرفی یک خانواده ۴نفره در تهران و از موتور احتراقی متصل به ژنراتور برای تولید برق استفاده شود. این مجموعه قادر خواهد بود در ۹ماه گرم سال با یک‌ساعت کار روزانه آب گرم مصرفی را با کاهش ۲۹ درصدی مصرف گاز شهری نسبت به مقدار مصرف مشعل‌های سنتی تامین کند و در عین حال تقریباً ۲ برابر برق مورد نیاز را تولید کند.
کلیدواژه‌ها
مبدل پوسته و لوله
چگالش
انتقال حرارت
موتور احتراق داخلی
تولید همزمان

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of Condensation on the Heat Transfer of a Shell and Tube Heat Exchanger with Use of Combined Heat and Power Generation

نویسندگان English

A. Heidary 1
M.A. Ehteram 2
1 Energy conservation Department. Mechanical & Energy Engineering Faculty, Shahid Beheshti University(SBU), Tehran, Iran
2 Energy Systems Department. Mechanical & Energy Systems Engineering Faculty, Shahid Beheshti University(SBU), Tehran, Iran
چکیده English

In the present paper, the performance of a shell and tube heat exchanger in which its cold working fluid is water and its hot working fluid is flue gases from natural gas-fueled internal combustion engine with working power of 15.4 kW was investigated. At first, with changing temperature and flow rate of inlet water, the performance of heat exchanger in both condensation and non-condensation situations was experimentally studied in the laboratory in order to have a criterion for validation of the simulations results in future. By comparing different simulation models in Aspen B-JAC software, the least error simulation model was chosen to do the other costly and impossible analyzes numerically in the laboratory environment. The study of the effect of the tube’s inner diameter on the heat exchanger’s performance in condensation situation showed 5.4% increase in the heat transfer while inner diameter decreases from 7 to 6 mm. The separation of the different heat transfer stages showed 26.4% of the latent heat transfer in the maximum discharge experiments for the inner diameter of 6 mm. Finally, the engine/heat exchanger set was assessed as micro combined heat and power and assumed that the heat exchanger is used for providing hot water for a 4-person family house in Tehran and the combustion engine is used for generating electrical power. This set was able to provide hot water during 9 warm months of a year by 1-hour work per day with 29% decrease of fuel consumption in comparison with traditional burners and at the same time, this set provides almost twice the electrical power requirements.

کلیدواژه‌ها English

Shell and tube heat exchanger
condensation
Heat Transfer
Internal combustion engine
Combined Heat and Power
Idem SA, Jung C, Gonzalez GJ, Goldschmidt VW. Performance of air-to-water copper finned-tube heat exchangers at moderately low air-side Reynolds numbers, including effects of baffles. International Jurnal of Heat & Mass Transfer. 1987;30(8):1733-1741. [Link] [DOI:10.1016/0017-9310(87)90320-6]
Idem SA, Jacobi AM, Goldschmidt VW. Heat transfer characterization of a finned-tube heat exchanger (with and without condensation). Journal of Heat Transfer. 1990;112(1):64-70. [Link] [DOI:10.1115/1.2910366]
Idem SA, Goldschmidt VW. Sensible and Latent heat transfer to a baffled finned-tube heat exchanger. Heat Transfer Engineering. 1993;14(3):26-35. [Link] [DOI:10.1080/01457639308939804]
Jacobi AM, Goldschmidt VW. The effect of surface tension variation on filmwise condensation and heat transfer on a cylinder in crossflow. International Jurnal of Heat & Mass Transfer. 1989;32(8):1483-1490. [Link] [DOI:10.1016/0017-9310(89)90070-7]
Jacobi AM, Goldschmidt VW. Low Reynolds number heat and mass transfer measurements of an overall counterflow, baffled, finned-tube, condensing heat exchanger. International Jurnal of Heat & Mass Transfer. 1990;33(4):755-765. [Link] [DOI:10.1016/0017-9310(90)90173-R]
Jacobi AM, Idem SA, Goldschmidt VW. Predicting the performance of multistage heat exchangers. Heat Transfer Engineering. 1993;14(1):62-70. [Link] [DOI:10.1080/01457639308939795]
Osakabe M, Itoh T, Yagi K. Condensation heat transfer of actual flue gas on horizontal tubes. Proceedings of the 5th ASME/JSME Thermal Engineering Joint Conference; 1999 March 14-19; California, San Diego. Washington D.C; Office of Scientific & Technical Information; 1999. [Link]
Osakabe M, Horiki S, Hanaki Y. Prediction and performance of compact heat exchanger with small diameter tubes for latent heat recovery. Journal of Environment and Engineering. 2009;4(1):36-46. [Link] [DOI:10.1299/jee.4.36]
Osakabe M, Ishida K, Yagi K, Itoh T, Ohmasa K. Condensation heat transfer on tubes in actual flue gas. Heat Transfer Asian Research. 2001;30(2):139-151.
https://doi.org/10.1002/1523-1496(200103)30:2<139::AID-HTJ5>3.0.CO;2-0 [Link] [DOI:10.1002/1523-1496(200103)30:23.0.CO;2-0]
Pla Perujo M. Condensation of water vapor and acid mixtures from exhaust gases [dissertation]. Berlin; Technical University of Berlin; 2004. [Link]
Che D, Da Y, Zhuang Z. Heat and mass transfer characteristics of simulated high moisture flue gases. Heat Mass Transfer. 2005;41(3): 250-256. [Link] [DOI:10.1007/s00231-004-0505-9]
Colburn AP, Hougen OA. Design of cooler condensers for mixtures of vapors with noncondensing gases. Industrial & Engineering Chemistry. 1934;26(11);1178-1182. [Link] [DOI:10.1021/ie50299a011]
Huang J, Zhang J, Wang L. Review of vapor condensation heat and mass transfer in the presence of non-condensable gas. Applied Thermal Engineering. 2015;89:469-484. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2015.06.040]
Wang JL, Tao YB, He YL. Numerical simulation of sulfuric acid vapor condensation characteristics on an external three-dimensional finned tube surface. Applied Thermal Engineering. 2019;162:114213. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2019.114213]
Jeong K, Kessen MJ, Bilirgen H, Levy Ek. Analytical modeling of water condensation in condensing heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010;53(11-12):2361-2368. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.02.004]
Sabah S, Pishbin SI, Moghiman M. Effect of using condensation package on energy consumption optimization, Proceedings of 2nd National Climate Conference, Building and Energy conservation; 2012 May 10; Isfahan. Tehran: CIVILICA. [Persian] [Link]
Lazzarin RM. Condensing boilers in buildings and plants refurbishment. Energy and Buildings. 2012;47:61-67. [Link] [DOI:10.1016/j.enbuild.2011.11.029]
Chen Q, Finney K, Li H, Zhang X, Zhou J, Sharifi V, Swithenbank J. Condensing boiler applications in the process industry. Applied Energy. 2012;89(1):30-36. [Link] [DOI:10.1016/j.apenergy.2010.11.020]
Breber G, Palen JW, Taborek J. Prediction of horizontal tubeside condensation of pure components using flow regime criteria. Journal Heat Transfer. 1980;102(3):471-476. [Link] [DOI:10.1115/1.3244325]
Collier JG, Thome JR. Convective boiling and condensation. Oxford: Clarendon Press; 1994. p. 52-54. [Link]
Moghiman M, Rahimi AB. Engineering of air conditioning and central heating. 7th edition. Mashhad; Ferdowsi University of Mashhad Publication Center; 2014. [ Persian] [Link]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 20، شماره 2
بهمن 1398
صفحه 297-310