شبيه سازي عددي و تحليل مبدل‌هاي حرارتي صفحه‌اي شياردار جهت استتار حرارتي سازه‌هاي مدفون

Numerical Simulation and Analysis of Chevron Type Heat Exchangers for Thermal Camouflage of Buried Structures

گزارش‌ها نشان مي‌دهند اختلاف دماي حدود 2 تا 8 درجه سلسيوس هواي خروجي از سازه‌هاي مدفون با محيط اطراف توسط حسگرهاي مادون‌قرمز حرارتي دشمن قابل شناسايي است. در اين مقاله با هدف استتار حرارتي يا حداقل مشكل كردن شناسايي سازه امن مدفون توسط اين سامانه‌ها، ايده استفاده از مبدل حرارتي هوا به هوا جهت هم دما سازي هواي اگزاست سازه امن با محيط خارج مطرح و يك نمونه مبدل هوا به هواي شياردار تحليل و طراحي شده است. در تحقيق حاضر ابتدا به فرمولاسيون و تحليل اين مبدل ها پرداخته شده آنگاه با كدنويسي در نرم‌افزار متلب و با هدف دستيابي به حداكثر انتقال حرارت و حداقل افت فشار، زاويه شيار و تعداد صفحات بهينه مبدل تعيين شده است. در ادامه تاثير جنس صفحات بر ميزان انتقال حرارت و مقاومت در برابر تغيير شكل نيز توسط نرم‌افزار ANSYS بررسي شده است. آنگاه اطلاعات هندسي به‌دست آمده از حل تحليلي، در نرم‌افزار ASPEN شبيه‌سازي و تحليل شده است. روند حل تحليلي و هندسه به‌دست آمده با مقالات معتبر مورد اعتبارسنجي قرار گرفته و صحت نتايج تاييد شده است. درنهايت در يك مطالعه موردي ضمن لحاظ كردن محدوديت‌ها، مبدل لازم طراحي شده و نتايج نشان مي‌دهند كه براي استتار حرارتي يك سازه امن مدفون با اگزاست cfm 10000 و دماي ?C 22 به محيطي با دماي ?C20- يك مبدل صفحه‌اي فولادي 161 صفحه‌اي با زاويه شيار 45 و ارتفاع 2 متر نياز است.

The reports have shown that the existed thermal I.R sensors are able to sense the temperature difference 2°C to 8 °C between buried spaces exhaust air and ambient with a good accuracy. In this paper, in order to minimize the probability of identifying safe buried structures by spy satellites and increasing their thermal camouflage, a plate heat exchanger for reducing the temperature of the exhaust air of buildings to ambient temperature is proposed. The technical specification of the proposed chevron type heat exchanger is determined based on the traditional design approaches. A MATLAB program code is developed for analysis of these heat exchangers and finding the optimized angle of grooves and estimating number of plates. The ANSYS software is also used to analysis the effects of plate materials on total heat transfer and their strength to deformation. Then the designed heat exchanger, under the same operating conditions with the analytical approach, is analyzed again by the ASPEN software. The analytical solutions and the numerical results were validated with approved results reported in the literature and a good consistency was observed. Finally as a case study, the groove angles, required number of plates and other geometrically data is calculated for a heat exchanger of a safe buried structure. The results showed that a plate heat exchanger, made by 161 stainless steel plates with 2m in height and 45 degrees groove angle, is needed for thermal camouflage of a safe buried building with 10000 CFM exhaust air at 22°C to an ambient at -20°C.