شماره مدرك
21259
شماره راهنما
18203
پديد آورنده
المسعودي، كريم
عنوان
شبيهسازي عددي و بهينهسازي پارامتري هندسه لوله فيندار سوپرهيتر اوليه جهت افزايش عملكرد حرارتي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
114ص
توصيفگر ها
سوپرهيتر اوليه , پرههاي حلقوي , لولههاي پرهدار , انتقال حرارت مزدوج , شبيهسازي عددي , آرايش زيگزاگي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/31
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/31
كد ايرانداك
23253618
چكيده فارسي
سوپرهيترهاي اوليه از جمله مهمترين اجزاي انتقال حرارت در نيروگاههاي حرارتي هستند كه عملكرد حرارتي آنها بهطور مستقيم بر بازده ديگ بخار، كيفيت بخار و عملكرد كلي نيروگاه تأثير ميگذارد. استفاده از پرههاي حلقوي يكي از روشهاي متداول براي افزايش انتقال حرارت خارجي لولههاي سوپرهيتر است. بااينحال، عملكرد حرارتي تنها به مقدار ماده پرهاي وابسته نيست، بلكه توزيع هندسي آن، آرايش لولهها و فاصله بين لولههاي مجاور نيز در اين زمينه مؤثر هستند. در مطالعه حاضر، تأثير اين پارامترها بر عملكرد حرارتي لولههاي پرهدار سوپرهيتر اوليه بهصورت عددي بررسي شده است.
يك مدل سهبعدي انتقال حرارت مزدوج با استفاده از روش اجزاي محدود توسعه داده شد تا جريان سيال و انتقال حرارت بهصورت همزمان در گاز داغ خارجي، ديواره لوله، پرههاي حلقوي و جريان بخار داخلي شبيهسازي شوند. جريان پايا، آرام و تراكمناپذير با خواص ترموفيزيكي ثابت فرض شد، درحاليكه انتقال حرارت تابشي به دليل آنكه سوپرهيتر اوليه عمدتاً مبتني بر جابهجايي است، ناديده گرفته شد. پنج هندسه پره حلقوي با حجم يكسان ماده پرهاي براي يك لوله، دو لوله مجاور، دستهلولههاي دو رديفه در آرايش همراستا و دستهلولههاي دو رديفه در آرايش زيگزاگي بررسي شدند. علاوه بر اين، تأثير گام طولي لوله براي پيكربنديهاي بهينه همراستا و زيگزاگي، با حفظ گام عرضي ثابت، ارزيابي شد.
نتايج عددي نشان دادند كه توزيع ماده پرهاي موجود تأثير قابلتوجهي بر عملكرد حرارتي دارد. در ميان هندسههاي بررسيشده، پيكربندي مياني پره (حالت 3) بهطور پيوسته بالاترين عملكرد انتقال حرارت را براي تمامي آرايشهاي لوله فراهم كرد. رسانندگي حرارتي خارجي از مقدار 47.38 W/K براي لوله پرهدار منفرد بهينه، بهترتيب به 193.12 W/K براي دو لوله مجاور، 319.61 W/K براي دستهلوله همراستا و 380.94 W/K براي دستهلوله زيگزاگي افزايش يافت. همچنين مشخص شد كه گام لوله تأثير قابلتوجهي بر عملكرد انتقال حرارت دارد. در محدوده بررسيشده، نسبت گام طولي بهينه براي آرايش همراستا 1.55 و براي آرايش زيگزاگي 1.45 بهدست آمد كه آرايش اخير حداكثر رسانندگي حرارتي خارجي برابر با 400.88 W/K و ضريب متوسط انتقال حرارت خارجي برابر با 2322.66 W/m2K را ايجاد كرد.
نتايج نشان ميدهند كه بهينهسازي همزمان هندسه پره، آرايش لولهها و گام لوله ميتواند عملكرد حرارتي لولههاي سوپرهيتر اوليه را بهطور قابلتوجهي بهبود بخشد. پيكربندي بهينه دستهلوله زيگزاگي شناساييشده در اين مطالعه، ضمن حفظ مقدار ثابت ماده پرهاي، راهنماي طراحي كاربردي براي بهبود بازده سوپرهيترهاي نيروگاههاي حرارتي فراهم ميكند.
چكيده انگليسي
Primary superheaters are among the most critical heat transfer components in thermal power plants, where their thermal performance directly influences boiler efficiency, steam quality, and overall plant operation. The use of annular fins is a common approach for enhancing the external heat transfer of superheater tubes. However, the thermal performance depends not only on the amount of fin material but also on its geometric distribution, the arrangement of the tubes, and the spacing between adjacent tubes. The present study numerically investigates the influence of these parameters on the thermal performance of finned primary superheater tubes. A three-dimensional conjugate heat transfer model was developed using the finite element method to simultaneously simulate fluid flow and heat transfer in the external hot gas, the tube wall, the annular fins, and the internal steam flow. Steady-state, laminar, incompressible flow with constant thermophysical properties was assumed, while radiation heat transfer was neglected because the primary superheater is predominantly convection-based. Five annular fin geometries with identical fin material volume were investigated for a single tube, two adjacent tubes, two-row inline tube banks, and two-row staggered tube banks. In addition, the influence of longitudinal tube pitch was evaluated for the optimum inline and staggered configurations while maintaining a constant transverse pitch. The numerical results demonstrated that the distribution of the available fin material has a significant influence on thermal performance. Among the investigated geometries, the intermediate fin configuration (Case 3) consistently provided the highest heat transfer performance for all tube arrangements. The external thermal conductance increased progressively from 47.38 W/K for the optimum single finned tube to 193.12 W/K for two adjacent tubes, 319.61 W/K for the inline tube bank, and 380.94 W/K for the staggered tube bank. Tube pitch was also found to significantly influence heat transfer performance. Within the investigated range, the optimum longitudinal pitch ratio was 1.55 for the inline arrangement and 1.45 for the staggered arrangement, with the latter producing the maximum external thermal conductance of 400.88 W/K and an average external heat transfer coefficient of 2322.66 W/m2K. The results demonstrate that simultaneous optimization of fin geometry, tube arrangement, and tube pitch can substantially enhance the thermal performance of primary superheater tubes. The optimized staggered tube-bank configuration identified in this study provides practical design guidance for improving the efficiency of thermal power plant superheaters while maintaining a constant amount of fin material.
استاد راهنما
محمدرضا سليم پور
استاد داور
محمدرضا توكلي نژاد , مجيد رضائي