تاثير چگالش بر انتقال حرارت يك مبدل پوسته و لوله با كاربري توليد همزان برق و حرارت

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

در مقاله حاضر عملكرد يك مبدل پوسته و لوله كه سيال سرد آن آب شهري و سيال گرم آن گازهاي حاصل از احتراق يك موتور احتراق داخلي گازسوز كه داراي توان كاري 4/15 كيلووات است، بررسي شد. در ابتدا با تغيير دما و دبي جريان آب ورودي، عملكرد مبدل در حالات بدون چگالش و با چگالش در آزمايشگاه بررسي شد تا در ادامه با انجام شبيه سازي هاي يك بعدي معياري براي سنجش صحت نتايج عددي وجود داشته باشد. با مقايسه مدل هاي مختلف عددي در نرم افزار Aspen B-JAC كم خطاترين مدل شبيه سازي انتخاب شد تا ديگر تحليل هاي هزينه بر و ناممكن در محيط آزمايشگاه به صورت عددي صورت پذيرند. بررسي اثر حساسيت قطر داخلي لوله ها بر عملكرد مبدل در حالت وجود چگالش، افزايش 5/4 درصدي انتقال حرارت به ازاي كاهش قطر لوله ها از 7 به 6ميلي متر را پيش بيني كرد. تفكيك سهم مراحل مختلف انتقال حرارت نشان از سهم 26/4% انتقال حرارت نهان در بيشينه دبي آزمايش ها براي قطر داخلي 6 ميلي متر داشت. در انتها مجموعه موتور مبدل به عنوان يك ميكرو CHP بررسي و فرض شد كه از مبدل براي گرمايش آب گرم مصرفي يك خانواده 4 نفره در تهران و از موتور احتراقي متصل به ژنراتور براي توليد برق استفاده شود. اين مجموعه قادر خواهد بود در 9 ماه گرم سال با يك ساعت كار روزانه آب گرم مصرفي را با كاهش 29 درصدي مصرف گاز شهري نسبت به مقدار مصرف مشعل هاي سنتي تامين كند و در عين حال تقريبا 2 برابر برق مورد نياز را توليد كند.

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.