بهینه‌سازی هندسه المان‌های حرارتی ژانگسترم نیروگاهی با استفاده از توابع متعامد گسسته و روش الحاقی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

3 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

هدف این مقاله، بهینه‌سازی پروفیل المان CU ژانگسترم نیروگاهی به منظور افزایش کارایی و کاهش افت فشار و کمینه قیمت می‌باشد. در روش پیشنهادی ابتدا مساله مستقیم به صورت سه‌بعدی مدل و سپس مدل مورد نظر شبیه‌سازی شده‌است. جهت بهینه‌سازی مساله با استفاده از توابع متعامد پارامترهای هندسه‌ مساله تبدیل به بردار ضرایب مجهول و در نهایت با استفاده از روش الحاقی مقادیر بهینه‌ ضرایب هندسی، زاویه‌ قرارگیری صفحات و سرعت به دست آمده‌است. تابع هدف بر اساس بیشینه‌ عدد ناسلت، کمینه ضریب افت فشار و کمینه قیمت تعریف شده و براساس آنها، پارامترهای طراحی تعیین شده‌اند. براین اساس با زاویه‌ بین صفحات 20 و 70 درجه برای اعداد رینولدز مختلف ضرایب بهینه پروفیل تعیین و همچنین چگونگی تغییر ضرایب با نسبت اهمیت انتقال حرارت به افت فشار بررسی شده‌است. نتایج نشان می‌دهد که برای حالتی که کمتر بودن افت فشار از اهمیت بیشتری برخوردار باشد، عددهای رینولدز پایین‌تر و زاویه‌های کوچکتر و در حالتی که انتقال حرارت از اهمیت بیشتری برخوردار باشد، اعداد رینولدز و زاویه‌های بزرگتر کارایی بهتری دارند. همچنین برای حالتی که انتقال حرارت اهمیت بیشتری نسبت به افت فشار داشته باشد، با افزایش عدد رینولدز و بیشتر شدن زاویه‌ بین صفحات تابع هدف بزرگتر می‌شود. به ازای زوایای حدود 70 درجه و عدد رینولدز حدود 8000 ماکسیمم تابع هدف بدست می‌آید. در زوایای بیشتر از 70 و عدد رینولدز‌های بزرگتر از 8000 با اینکه ضریب انتقال حرارت نیز بزرگ‌تر می‌شود ولی جریان دستخوش افت فشار سنگینی می‌شود، که همین عامل باعث کمتر شدن تابع هدف می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


[1] Ljungstrom F, Nils F (1924) Regenerative air preheater. U.S. Patent No. 1,516,108.
[2] Rosenblad G, Kullendorff A (1975) Estimating    heat transfer rates from mass transfer studies         on plate heat exchanger surfaces. Wärme-und Stoffübertragung 8(3): 187-191.
[3] Warren I. (1982) Ljungstrom heat exchangers for waste heat recovery. J Heat Rec 2(3): 257-271.
[4] Kays WM, London AL (1984) Compact heat exchangers. 3rd edn. CRC Press.
[5] Focke WW, Zachariades J, Olivier I (1985) The effect of the corrugation inclination angle on the thermohydraulic performance of plate heat exchangers. Int J Heat Mass Tran 28(8): 1469-1479.
[6] Skiepko T (1988) The effect of matrix longitudinal heat conduction on the temperature fields in the rotary heat exchanger. Int J Heat Mass Tran  31(11):  2227-2238.
[7] Stasiek J, Collins MW, Ciofalo M, Chew PE (1996) Investigation of flow and heat transfer in corrugated. Experimental results. Int J Heat Mass Tran  39(1): 149-164.
 [8] Ciofalo M (1996) Large-eddy simulations of turbulent flow with heat transfer in simple and complex geometries using Harwell -FLOW3D. App Math Modelling 20(3): 262-271.
[9] Mehrabian MA, Poulter R, Quarini GL (2000) Hydrodynamic and thermal characteristics of corrugated channels: experimental approach. Exp Heat Transfer 13(3): 223-234.
[10] Büyükalaca O, Yılmaz T, (2002) Influence of rotational speed on effectiveness of rotary-type heat exchanger. Heat Mass Transfer 38(4):441-447.
[11] Yilmaz T, Büyükalaca O (2003) Design of regenerative heat exchangers. Heat Transfer Eng 24(4): 32-38.
[12] Alagic S, Stosic N, Kovacevic A, Buljubasic I (2004) Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in rotary regenerative air pre-heaters. In Thermal Sci. Proc. of the ASME-ZSIS Int. Thermal Sci. Seminar II.
[13] Zhang LZ (2005) Numerical study of periodically fully developed flow and heat transfer in cross-corrugated triangular channels in transitional flow regime. Numer Heat Tr A-Appl 48(4): 387-405.
[14] Etemad S, Sunde´n B. (2007) CFD-analysis of fully developed turbulent flow and heat transfer in a unitary cell of a cross corrugated plate pattern heat exchanger. In Heat Transfer Summer Conf. 42754: 531-540.
[15] Wang HY, Zhao LL, Xu ZG, Chun WG, Kim HT (2008) The study on heat transfer model of tri-sectional rotary air preheater based on the semi-analytical method. Appl Therm Eng 28(14-15): 1882-1888.
[16] Babu TA, Talekala MS (2009) Evaluation of heat transfer surfaces for compact recuperator using a CFD code. Heat Mass Transfer 45(6): 767-774.
[17] Dallaire J, Gosselin L, Da Silva AK (2010) Conceptual optimization of a rotary heat exchanger with a porous core. Int J Therm Sci 49(2): 454-462.
[18] Martins LS, Ordonez JC, Vargas JVC, Parise JAR (2012) Thermodynamic optimization of a regenerator heat exchanger. Appl Therm Eng 45: 42-51.
[19] Yang YT, Chen PJ (2010) Numerical simulation of fluid flow and heat transfer characteristics in channel with V corrugated plates. Heat Mass Transfer 46(4): 437-445.
[20] Zhang L, Che D (2012) An experimental and numerical investigation on the thermal-hydraulic performance of double notched plate. J Heat Transf 134(9).
[21] Eljšan S, Stošić N, Kovačević A, Buljubašić I (2013) Improvement of energy efficiency of coal-fired steam boilers by optimizing working parameters of regenerative air preheaters. RAME 2(1): 30-32.
[22] Patel DS, Patel MD, Thakkar SA (2016) To optimize the design of the basket profile in Ljungstrom air preheater. Int Res J Eng Technol 3: 601-6.
[23] Vulloju S, Kumar EM, Kumar MS, Reddy KK (2013) Analysis of performance of Ljungstrom air preheater Elements. Int J Curr Eng Technol 2501-2505.
[24] De Antonellis S, Intini M, Joppolo CM, Leone C (2014) Design optimization of heat wheels for energy recovery in HVAC systems. Energies 7(11): 7348-7367.
[25] Wang L, Deng L, Zhao Z, Zhu X, Che D (2015) Numerical investigation of the thermohydraulic performance of double-wave cross-corrugated passages. Numer Heat Tr A-Appl 67(10): 1029-1052.
[26] Wang L, Deng L, Ji C, Liang E, Wang C, Che D (2016) Multi-objective optimization of geometrical parameters of corrugated-undulated heat transfer surfaces. App Energy 174: 25-36.
[27] Wang E, Li K, Mao J, Husnain N, Li D, Wu W (2018) Experimental study of flow and heat transfer in rotary air preheaters with honeycomb ceramics and metal corrugated plates. Appl Therm Eng 130: 1549-1557.
[28] Lee YM, Chung H, Kim SH, Bae HS, Cho HH (2017) Optimization of the Heating Element in a Gas-Gas Heater Using an Integrated Analysis Model. Energies 10(12): 1932.
[29] Patankar SV, Liu CH, Sparrow EM (1977) Fully developed flow and heat transfer in ducts having streamwise-periodic variations of cross-sectional area. J Heat Transfer 99(2): 180-186.
[30] Webb RL, Kim NY (2005) Enhanced heat transfer. Taylor and Francis, NY.