مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

مجله بین‌المللی انجمن آهن و فولاد ایران

تحلیل عددی (CFD) رفتار حرارتی و تنش‌های برشی تیوب‌باندل فیدگس مرحله اول در ریکوپراتور فرآیند میدرکس با رویکرد شناسایی نواحی بحرانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 فولاد کاوه جنوب کیش
2 صبا فولاد خلیج فارس
10.22034/ijissi.2026.2070833.1329
چکیده
در فرآیند احیای مستقیم به روش میدرکس، گاز فرایندی توسط یک رکوپراتور متشکل از مجموعه‌ای از لوله‌های فولادی که به‌عنوان تیوب‌باندل شناخته می‌شوند، پیش‌گرم می‌شود؛ این مجموعه به‌صورت یک مبدل حرارتی پوسته و لوله عمل می‌کند. یکی از بخش‌های کلیدی این سیستم، تیوب‌باندل گاز ورودی مرحله اول است که محور اصلی این مطالعه را تشکیل می‌دهد. در این پژوهش، رفتار حرارتی و تنش‌های برشی در تیوب‌باندل گاز ورودی با هدف شناسایی نواحی بحرانی و ارائه رویکردی برای بهینه‌سازی طراحی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور، شبیه‌سازی‌های عددی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) انجام شد و توزیع دما، فشار و گرادیان‌های موضعی در طول مسیر جریان تحلیل گردید. نتایج نشان داد که در ناحیه ورودی لوله‌ها، تغییرات قابل‌توجه در گرادیان‌های دما و فشار موجب افزایش شدید هر دو تنش برشی و حرارتی می‌شود. این شرایط با تشدید شار حرارتی جابجایی همراه بوده و در دماهای کاری بالای تیوب‌باندل، تکرار چنین سیکل‌های حرارتی منجر به شکل‌گیری خستگی حرارتی و ترمو-مکانیکی می‌گردد. در بهره‌برداری بلندمدت، این مکانیزم خستگی موجب آغاز ترک در ناحیه ورودی شده و به‌دنبال آن نازک‌شدگی موضعی دیواره، نشتی و تخریب تدریجی سازه را به همراه دارد. اعتبارسنجی نتایج عددی از طریق بازرسی میدانی نمونه‌های آسیب‌دیده، وجود این نواحی بحرانی را تأیید نمود. بر اساس این یافته‌ها، انتخاب مناسب هندسه و مواد سازه‌ای نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش قابلیت اطمینان، کارایی و ایمنی تیوب باندل ها در فرآیندهای احیای مستقیم ایفا می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Bowen T.L, Guimond D.P, Muench R.K, Experimental investigation of gas turbine recuperator fouling, J Eng Gas Turbines Power. 1987; 109(3): 249-256.
[2] Mediokritskii E.L, Gaponov V.L, Loginov V.E, Study of heat transfer in recuperators by computer models, J Eng Phys Thermophys. 1997; 70: 119-124.
[3] Wojciech L, Daniel Z, Modification of a recuperator construction with CFD methods, Chem Process Eng. 2017; 38(4): 567-576.
[4] Gupta A, Roy S, Saha S, CFD analysis of a gas turbine recuperator with varying operating conditions, J Therm Sci Eng Appl. 2017; 9(2): 021009.
[5] Chun-Hsiang Y, Ming T, Chiun-Heng C, Chiun-Hsun C, Performance simulation and thermal stress analysis of ceramic recuperators formed by SiC and MAS, Numer Heat Transf A Appl. 2008; 7: 709-725.
[6] Yang L, Liu W, Zhang H, Wang Z, Experimental study on heat transfer characteristics of a ceramic recuperator for high-temperature applications, Energy Convers Manag. 2018; 171: 239-247.
[7] Krzysztof W, Simulation of deposit growth onto recuperator tubes in pit furnaces, Eng Trans. 2016; 64(4): 417-424.
[8] Marchionni M, Chai L, Bianchi G, Tassou S, Numerical modelling and transient analysis of a printed circuit heat exchanger used as recuperator for supercritical CO2 heat to power conversion systems, Appl Therm Eng. 2019; 161: 114190.
[9] Patankar A, Deshpande A, Sapali S, Design and performance evaluation of a compact recuperator for a micro gas turbine, Energy Procedia. 2016; 90: 254-261. [10] Kim J, Sibilli T, Ha M.Y, Kim K, Yoon S.Y, Compound porous media model for simulation of flat top U-tube compact heat exchanger, Int J Heat Mass Transf. 2019; 138: 1029-1041.
[11] Xie Y, Xu H, Zhang Y, Transient thermal modeling of a recuperator for waste heat recovery in steel production, Appl Therm Eng. 2018; 140: 475-484.
[12] Ghanbarpour M, Toghraie D, Optimization and simulation of a combined heat and power system with a recuperator for residential applications, Energy Rep. 2021; 7: 1895-1905.
[13] Hussain T, Rasul M, Khan M, Artificial neural network-based prediction of the performance of a gas turbine recuperator, Energy. 2020; 197: 117276.
[14] Emrehan G, Engin G, Alina A, A comprehensive numerical analysis on the thermo-hydraulic performance of U-bend tube with spherical dimple of shell-andtube heat exchanger subjected to uniform/non-uniform magnetic fields, Int J Thermophys. 2024; 46.
[15] Krishna P, Alan I, Thermal stresses in U-bends, In: Mechanical Design of Heat Exchangers, 1984: 663-687. [16] Minh Q, Benoit L, Mostafa S, Abdellah H, Jorge P, Features of transition to turbulence in sudden expansion pipe flows, Int J Heat Fluid Flow. 2019; 76: 187-196.