Numerical Investigation of Conjugate Convective Heat Transfer and Structural Behavior of a Shell and Tube Heat Exchanger using Finite Element Method

Abstract

งานวิจัยนี้นำเสนอผลกระทบของระดับอุณหภูมิของไอน้ำที่ส่งผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อต่อความเค้นและการขยายตัวของวัสดุด้วยการวิเคราะห์ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์เพื่อแสดงให้เห็นถึงตำแหน่งที่อาจเป็นจุดอ่อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อระหว่างการใช้งานจริงซึ่งจะมีประโยชน์ให้เกิดความระมัดระวังในกระบวนการผลิต โดยกำหนดการไหลภายในอุปกรณ์ให้เป็นการไหลแบบปั่นป่วน ผลการศึกษาอิทธิพลของระดับอุณหภูมิของไอน้ำหรือของไหลทำงานที่ส่งผลต่อวัสดุพบว่า ที่สภาวะสมดุลทางความร้อนระหว่างไอน้ำและผิววัสดุ เมื่อระดับอุณหภูมิของบริเวณที่เรียกว่า Elliptical Head ของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเปลี่ยนแปลงจากระดับ 200 องศาเซลเซียส ไปยัง300 องศาเซลเซียส ส่งผลให้ความเค้น Von Mises รวมถึงการขยายตัวของวัสดุสูงขึ้น 380 เมกะปาสคาล และ 0.45 มิลลิเมตร ตามลำดับ งานวิจัยนี้ได้นำเสนอผลความเค้นและการขยายตัวของวัสดุพร้อมกันอย่างเป็นระบบจากอิทธิพลของอุณหภูมิของไหลหรืออาจกล่าวได้ว่าเป็นปัญหาการถ่ายเทความร้อนแบบคอนจูเกต (Conjugate Convective Heat Transfer) โดยตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ด้วยการเปรียบเทียบอุณหภูมิขาออกของของไหลฝั่งเปลือกและท่อรวมถึงความดันลดที่เกิดภายในท่อของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนกับโมเดลพื้นฐานของงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ซึ่งพบว่า ผลลัพธ์เชิงตัวเลขมีความใกล้เคียงและสอดคล้องกันเป็นอย่างดีโดยมีเปอร์เซ็นต์ความแตกต่างของอุณหภูมิขาออกของไหลของฝั่งเปลือกและท่อเท่ากับ 3.7% และ 1.4% ตามลำดับ รวมถึงความแตกต่างของความดันลดอยู่ที่ 5% และงานวิจัยนี้สามารถต่อยอดในการวิเคราะห์ผลกระทบของของไหลที่มีต่ออุปกรณ์ในลักษณะอื่นได้ในอนาคต เช่น การขัดสี (Erosion) และ การกัดกร่อน (Corrosion) ภายในอุปกรณ์

This study presents the effects of varying steam temperature levels passing through a shell-and-tube heat exchanger on the stress distribution and thermal expansion of the material, using the Finite Element Method (FEM) to identify potential weak points during actual operation. The results aim to support precautionary measures in the manufacturing process. The internal flow is modeled as turbulent. The influence of steam or more generally, the working fluid temperature on material behavior is analyzed. Under thermal equilibrium between the steam and the material surface, increasing the temperature at the elliptical head of the heat exchanger from 200°C to 300°C leads to increases in Von Mises stress and material expansion by 380 MPa and 0.45 mm, respectively. The study systematically presents both stress and thermal expansion outcomes under the influence of fluid temperature, addressing what is known as a conjugate convective heat transfer problem. The accuracy of the mathematical model is validated by comparing the outlet temperatures of the fluid on both the shell and tube sides, as well as the pressure drop within the tube, against benchmark models from related research. The numerical results show good agreement, with outlet temperature differences of 3.7% on the shell side and 1.4% on the tube side, and a pressure drop discrepancy of 5%. Furthermore, this research provides a foundation for future investigations into other fluid-induced effects on heat exchanger, such as  erosion and corrosion within the equipment.