مدل‌سازی عددی و بهینه‌سازی هندسه لوله‌های شیاردار مارپیچی در مبدل‌های حرارتی لوله پوسته به منظور افزایش انتقال حرارت و کاهش افت فشار

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسنده
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه قم
چکیده
مبدل‌های حرارتی لوله-پوسته به دلیل استحکام، بازده حرارتی بالا و قابلیت تحمل فشار و دما، در صنایع انرژی، شیمیایی و تهویه مطبوع کاربرد گسترده‌ای دارند. این مطالعه با هدف افزایش انتقال حرارت و کاهش افت فشار، به مدل‌سازی عددی و بهینه‌سازی هندسه شیارهای مارپیچی در لوله‌های این نوع مبدل ها می‌پردازد. تحلیل ترموهیدرولیکی با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی در نرم افزار کامسول انجام شده است. اعتبارسنجی مدل مورد بررسی با روابط تجربی، دقت مدل پایه را با انحراف کمتر از ۶ درصد تأیید می نماید. نتایج نشان می دهد که افزایش عمق و عرض شیار مارپیچی، ضریب انتقال حرارت را تا ۲۳ درصد بهبود می‌بخشد، اما افت فشار را ۲۰ درصد افزایش می‌دهد. در نهایت مدل ساخته شده با استفاده از الگوریتم ژنتیک مورد بهینه سازی قرار گرفته است. نتایج بهینه سازی نشان می دهد، هندسه بهینه (عمق ۲ میلی‌متر، عرض 5/1 میلی‌متر، زاویه ۴۰ درجه، تعداد ۲۰ شیار) منجر به بهبود ۲۵ درصدی عملکرد حرارتی کلی در طرح بهینه نسبت به لوله‌های صاف می شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Modeling of the Geometry of Helically Finned Tubes in Shell-and-Tube Heat Exchangers for Enhanced Heat Transfer and Reduced Pressure Drop

نویسنده English

Mojtaba Babaelahi
Department of Mechanical Engineering, University of Qom
چکیده English

Shell-and-tube heat exchangers are widely used in energy, chemical, and HVAC industries due to their mechanical robustness, high thermal efficiency, and ability to withstand elevated pressures and temperatures. This study aims to enhance heat transfer performance while minimizing pressure drop by numerically modeling and optimizing the geometry of helical grooves inside the tubes of such heat exchangers. Thermo-hydraulic analysis was carried out using CFD simulations in COMSOL Multiphysics. Model validation against well-established empirical correlations confirmed the accuracy of the baseline model, with a deviation of less than 6%. The results show that increasing the depth and width of the helical grooves can enhance the heat transfer coefficient by up to 23%, although at the expense of a 20% rise in pressure drop. Finally, the developed model was optimized using a genetic algorithm. The optimization results indicate that the optimal geometry—groove depth of 2 mm, width of 1.5 mm, helix angle of 40°, and 20 grooves—improves the overall thermal performance by 25% compared to smooth tubes.

کلیدواژه‌ها English

Helical Grooves
Heat Transfer Enhancement
Shell-and-Tube Heat Exchangers
Numerical Simulation
Thermal Performance

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 15 دی 1404

  • تاریخ دریافت 20 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری 27 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 15 دی 1404
  • تاریخ اولین انتشار 15 دی 1404
  • تاریخ انتشار 15 دی 1404