الگـوريتم طـراحي سريـع و بـررسي شاخـص‌هاي كـاركـرد فنـاوري جديد مبـدل‌هاي حرارتـي با لـوله‌هاي پيچشي درصنايع نفت (بخش اول)

Rapid Design Algorithm and Investigation of the Performance Characteristics of the Novel Twisted Tube Heat Exchangers Technology in Petroleum Industry (Part 1)

با اينكه مبدل‌هاي پوسته و لوله معمولي سابقه طولاني و موفقي در صنعت داشته‌اند، ولي اين تجهيزات داراي مشكلات و محدوديت‌هاي عملياتي هستند. پايين بودن ميزان ضريب انتقال حرارت در سمت پوسته و نحوه حركت جريان سيال به‌ويژه در سمت پوسته اين مبدل‌ها به نحوي است كه احتمال به وجود آمدن نواحي مرده و در نتيجه تشكيل رسوب در آنها زياد است. همچنين ميزان افت فشار به ازاي ضريب انتقال حرارت و ايجاد لرزش در دسته لوله‌ها بالا است. در اين پژوهش طراحي پيشرفته‌اي از خانواده مبدل‌هاي حرارتي پوسته- لوله به نام «مبدل حرارتي با لوله‌هاي پيچشي» معرفي شده است. در اين مبدل حرارتي خاص، بيشتر مشكلات مربوط به انواع ساده مبدل‌هاي پوسته- لوله‌اي برطرف شده است. پس از استخراج قوانين حاكم بر انتقال حرارت و افت فشار از مراجع معتبر، الگوريتم طراحي سريعي با هدف استفاده بهينه از افت فشار مجاز ارايه و نتايج آن با اطلاعات ساير مراجع اعتبار سنجي شده است. به منظور مقايسه ميزان كارايي مبدلي با لوله‌هاي پيچشي نسبت به مبدلي با لوله‌هاي ساده، با ارايه شاخصي، سطح انتقال حرارت لازم براي تبادل يك بار حرارتي معين با يكديگر مقايسه شده و مزيت به‌كارگيري مبدل‌هايي با لوله‌هاي پيچشي به خوبي روشن گرديده است.

In this paper, a novel design algorithm for “Twisted Tube Heat Exchangers”, based on full utilization of maximum allowable pressure drops has been introduced. To develop such a new algorithm, the required correlations for heat transfer and pressure drop need to be extracted from given correlations of valid literature. This algorithm correlates the pressure drops, heat transfer area and coefficients through a simple relationship. The algorithm is verified by comparison of obtained results with those from the work of other researchers. By execution of the algorithm, it is shown that the performance of this exchanger is about two times higher than the conventional one. The paper reveals the highly potential benefits of this technology in design and replacement of twisted tube heat exchangers with the conventional shell and tubes type. To compare potential benefits of application of twisted tube heat exchangers with plain tube unit, a performance index is developed in this study.