تجزیه و تحلیل عملکرد فلنج خنک کننده

سیالات واکنش شیمیایی را می توان با استفاده از فلنج های شیشه ای خنک کرد. سیال واکنش از فلنج عبور داده می شود و هوای اطراف فلنج به عنوان خنک کننده عمل می کند. مهندسانی که به دنبال بهینه سازی عملکرد خنک کننده چنین فلنج هایی هستند، می توانند برای کمک به شبیه سازی کمک کنند.

اصل عملکرد فلنج های خنک کننده

مطالعه انتقال حرارت

اول از همه، فیزیک ما می خواهیم در این مورد تجزیه و تحلیل کنیم – شما آن را حدس زدید – انتقال حرارت است که شامل همرفت و رسانایی است. انتقال حرارت از طریق همرفت به و از سطوح فلنج انجام می شود، در حالی که فضای داخلی فلنج رسانایی را تجربه می کند. به عبارت دیگر، داخل لوله توسط سیال فرآیند گرم می شود و فلنج سپس گرما را هدایت می کند و آن را به هوا منتقل می کند و به نوبه خود باعث ایجاد جریان همرفتی به دلیل اثرات شناوری می شود. بنابراین عملکرد خنک کننده فلنج ما به همرفت و هدایت بستگی دارد.

برای ساده‌سازی شبیه‌سازی، می‌خواهیم خنک‌سازی همرفتی را با استفاده از ضریب انتقال حرارت h تحلیل کنیم . از آنجایی که این تأثیر میدان سیال و شارهای همرفتی را توصیف می کند، نیازی به مدل سازی میدان جریان نداریم. این بسیار عالی است، اما چگونه می توان تعیین کرد که این ضریب انتقال حرارت مناسب چیست؟ در این مدل خاص، ما به داده های تحقیقاتی خارجی برای ضریب انتقال حرارت سطح بیرونی تکیه می کنیم، که در اصل از طریق داده های نیمه تجربی برای همرفت طبیعی در اطراف یک استوانه به دست آمده است. برای سطح رو به لوله می توانیم از ضریب همرفت اجباری در لوله استفاده کنیم.

شبیه سازی میدان دما در فلنج خنک کننده

فرض کنید فلنج شیشه ای مورد نظر ما شامل یک لوله با ضخامت 4 میلی متر و فلنج هایی به ضخامت 4 میلی متر و ارتفاع 10 میلی متر است، با یک لوله اتصال که دیواره ای به ضخامت 3 میلی متر و قطر داخلی 16 میلی متر دارد. توجه داشته باشید که در طول شبیه سازی ما، قطر لوله تغییر می کند در حالی که سایر ابعاد ثابت می مانند. هوای خنک کننده 298 K و سیال فرآیند 363 K است.

هنگامی که مدل فلنج خنک کننده خود را تنظیم و حل کردیم، می توانیم نتایج خود را تجزیه و تحلیل کنیم تا تعیین کنیم که چقدر در خنک کردن سیالات واکنش شیمیایی کارآمد خواهد بود.


دمای سطح فلنج در حالت پایدار.	ضریب انتقال حرارت برای دیواره های بیرونی فلنج.

همانطور که در نمودار دمای سطح بالا به سمت چپ می بینید، دمای سطح لوله حدود 13 کلوین بالاتر از شانه های فلنج است. از مدل ما می توانیم یاد بگیریم که انتقال حرارت از سطوح بیرونی فلنج بسیار کارآمد است. تفاوت دمایی تقریباً 19 کلوین بین سطح فلنج بیرونی و جریان هوا وجود دارد. مدل سمت راست ضریب فیلم انتقال حرارت h را برای دیواره های بیرونی نشان می دهد. این تجسم می کند که ضریب به طور قابل ملاحظه ای در امتداد موقعیت عمودی مرز بیرونی فلنج کاهش می یابد. ما می‌توانیم کل قدرت خنک‌کننده فلنج را با ادغام کل شار حرارتی نرمال روی سطوح بیرونی محاسبه کنیم. انجام این کار مقدار 0.51 W را به ما می دهد که با 1.02 W برای هندسه کامل مطابقت دارد.

نمودار دمای سطح بیشتر به ناکارآمدی در طراحی فلنج فعلی ما نور می دهد. هنگامی که به فلنج وارد می شود، سیال فرآیند 363 K است، در حالی که سطح داخلی لوله تنها 32 K پایین تر است. افزایش قطر لوله انتقال حرارت را در اینجا بهبود می بخشد، که ما در مرحله دوم مدل سازی خود با تغییر قطر لوله، اما ثابت نگه داشتن سایر عوامل انجام می دهیم. با ترسیم قدرت خنک کننده جهانی به عنوان تابعی از شعاع لوله داخلی، اکنون می توانیم چگونگی تأثیر تغییر شعاع بر عملکرد فلنج خنک کننده را تجزیه و تحلیل کنیم.

قدرت خنک کننده جهانی فلنج خنک کننده
مجموع قدرت خنک کننده به عنوان تابعی از شعاع لوله داخلی.