«مبدل های حرارتی و محاسبات آن»
مقدمه
مبدلهای حرارتی دستگاههایی هستند که به منظور انتقال انرژی حرارتی بین دو سیال در دماهای مختلف به کار می روند. کاربرد مبدلهای حرارتی دارای اهمیت ویژه در حوزه وسیعی از صنعت می باشد. مبدلهای حرارتی در پالایشگاه ها، نیروگاهها، اتومبیلها، سیستمهای تبرید، تهویه مطبوع، صنایع تولیدی، بازیابی حرارتی و بسیاری موارد دیگر به کار گرفته می شود و از عوامل اصلی این واحد ها محسوب می گردد.
دسته بندی مبدلهای حرارتی
به طور کلی مبدلهای حرارتی را می توان بر اساس موارد زیر دسته بندی نمود:
۱. فرآیند انتقال
۲. فشردگی سطوح
۳. نحوه ساخت و مشخصات هندسی
۴. آرایش و جریانها
۵. ساز و کار انتقال حرارت
۶. تعداد سیال ها
این دسته بندیها به طور خلاصه در شکل ۱ نشان داده شده است.
مبدلهای حرارتی لوله ای
این نوع مبدلها غالباً از لوله های دایره ای شکل ساخته می شوند. البته در بعضی موارد (کاربردهای مخصوص) از لوله های بیضوی یا مجاری مستطیلی نیز استفاده می شود. ولی مبدلهای لوله ای متداولتر است. مبدلهای حرارتی لوله ای کاربردهای مختلفی دارند و در اندازه های مختلف، جریانهای متفاوت و شکلهای گوناگون ساخته می شوند. طراحی این نوع مبدلها از انعطاف پذیری قابل توجهی برخوردار است، به طوری که می توان شکل هندسی هسته مرکزی را توسط تغییر دادن قطر، طول، آرایش لوله ها و نحوه قرارگیری آنها، به آسانی تغییر داد. این نوع مبدلها در فشارها و دماهای مختلف عمل می کنند. قیمت کم و ساخت آسان آنها باعث شده که در کاربردهای مهندسی مورد استفاده زیادی داشته باشند. مبدلهای لوله ای را برای فشارهای زیاد سیال نسبت به محیط و همچنین اختلاف فشار نسبتاً بالا بین دو جریان مورد استفاده قرار می دهند.
انواع متداول این نوع مبدلها عبارتند از:
مبدلهای دولوله ای، مبدلهای پوسته و لوله و مبدلهای لوله مارپیچ
ب ـ مبدلهای حرارتی پوسته و لوله
این نوع مبدلها از یک سری لوله که به صورت هم راستا در داخل یک پوسته استوانه ای قرار گرفته اند، تشکیل شده اند. یک سیال در درون لوله ها جریان داشته و سیال دیگر در قسمت خارجی لوله ها در عرض و طول آنها حرکت می کند. اجزای اساسی این مبدلها را لوله ها، پوسته، قسمت ابتدایی و انتهایی پوسته، آبگردانها و صفحات لوله گیر تشکیل می دهند.
مبدلهای حرارتی پوسته و لوله در انواع و اقسام گوناگون با ساختمانهای هندسی متفاوت در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند و بسته به احتیاجات مختلف از نظر انتقال حرارت، افت فشار، تنشهای حرارتی، پیدایش جرم گرفتگی و عوامل دیگر، از آرایشهای جریانی متنوعی برخوردارند.
دلایل متعددی برای کاربرد عمومی این نوع مبدلها وجود دارد. مبدلهای حرارتی پوسته و لوله قادر به تامین نسبتهای بزرگی از سطح به حجم یا وزن می باشند. آرایش هندسی این سطوح به شکلی است که به آسانی قابل ساخت بوده و در اندازه های مختلف وجود دارد. این نوع مبدلها به آسانی قابل تمیز شدن هستند و اجزایی از آنها که در معرض شکست قرار دارند، به سهولت قابل تعویض می باشند.
همچنین این مبدلها، از نظر ساختمان مکانیکی، انعطاف پذیری زیادی داشته و تقریباً احتیاجات هر نوع کاربردی را برآورده و در شرایط کارکرد متنوعی قادر به کار می باشند. در شکل ۷ یک نوع مبدل پوسته و لوله نشان داده شده که یک سیال در درون لوله و سیال دیگر درون پوسته جریان دارد.
مبدلهای حرارتی صفحه ای
این نوع مبدلها، معمولاً از صفحات نازک ساخته می شوند. این صفحات که صاف و یا برجسته هستند، به صورت مسطح یا خمیده می باشند. عموماً این مبدلها نسبت به مبدلهای لوله ای، قادر به تحمل اختلاف فشارها و دماهای خیلی زیاد نمی باشند و از مقاومت نسبتاً کمتری برخوردارند. ضریب فشردگی برای مبدلهای صفحه ای در حدود 120 تا m۳/m۲ ۲۳۰ می باشد. انواع متداول این مبدلها عبارتند از:
مبدلهای حرارتی صفحه ای و قاب، مبدلهای صفحه ای مارپیچ و مبدلهای حرارتی لاملا یا رومن.
در مبدلهای صفحه و قاب، صفحات با مدلهای برجسته و گوناگون ساخته می شوند (شکل ۹). این مدلهای مخصوص، تلاطم و آشفتگی جریان را افزایش داده و استحکام مکانیکی را ایجاد می کند. در مبدلها جریان آشفته در اعداد رینولدز حدود ۲۰۰ و کمتر صورت می پذیرد و در نتیجه ضریب انتقال حرارت نسبتاً بالا بوده و ضریب اصطکاک نیز افزایش قابل ملاحظه ای خواهد داشت.
مبدلهای حرارتی با سطح گسترده
مبدلهای لوله ای و صفحه ای مورد بحث در قسمتهای قبل همگی دارای سطوح صاف و معمولی می باشند.
مبدلهای حرارتی بازیاب
مبدلهای حرارتی بازیاب، هم به صورت ساکن و هم متحرک هستند. در نوع ساکن که شامل ماده متخلخل می باشد، جریانهای سرد و گرم گازها، به طور متناوب از داخل ماده عبور داده می شود. در این نوع بازیابها سیالهای سرد و گرم توسط دریچه ای ورودی مخصوص، به ترتیب به داخل ماده متخلخل هدایت می شوند و به این طریق، سطح ماده در حین عبور سیال گرم به صورت جذب کننده حرارت و در هنگام عبور سیال سرد، به عنوان منبع حرارتی عمل می نماید. در این مبدلها، کنترل دماهای خروجی، با تغییر دادن زمان عبور جریانها از داخل ماده متخلخل (ماتریس)، صورت می پذیرد.
مبدلهای حرارتی یک گذره
این نوع مبدل دارای سه نوع جریان ناهمسو، همسو و متقاطع می باشد که در شکل ۱۴ نشان داده شده است.
ساختمان و اجزای اصلی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله
همان طور که در شکل ۱۷ نشان داده شده است این مبدلها از یک سری لوله مدور که به صورت موازی در داخل یک پوسته استوانه ای قرار دارند، ساخته شده اند. یکی از دو سیال در داخل لوله ها و دیگری در خارج آن ها به صورت محوری و متقاطع جریان دارند. اجزای اصلی مبدلهای پوسته و لوله عبارتست از:
لوله ها
لوله ها اجزای اساسی و مهم مبدلهای پوسته و لوله می باشد و در واقع، سطح انتقال حرارت بین سیال جاری در درون لوله ها و سیال خارج آنها را تشکیل می دهند. این لوله ها که به لوله های چگالنده نیز شهرت دارند، با لوله های فولادی و انواع دیگر لوله ها متفاوت می باشند. زیرا که قطر نامی این لوله ها با خطای خیلی کمی، برابر با قطر خارجی آنها به اینچ است. جنس این لوله ها غالباً از فولاد آلیاژی، فولاد کم کربن، فولاد زنگ نزن، مس، آلیاژهای مس ـ نیکل، آلومینیوم (به شکل آلیاژهای مختلف)، تیتانیوم، برنج و انواع فلزات دیگر برای کاربردهای خاص می باشد. ضخامت دیواره این لوله ها توسط واحد BWG (اندازه استاندارد انگلیسی) مشخص می شود و در اندازه های مختلف وجود دارد.
لوله های پره دار کوتاه
هنگامی که ضریب انتقال حرارت در سمت خارجی لوله نسبت به درون آنها از مقدار بسیار کمی برخوردار باشد، از لوله های پره دار کوتاه استفاده می گردد. لوله های پره دار کوتاه، در حدود ۵/۲ الی ۵ برابر لوله های صاف مشابه، سطح تبادل حرارت ایجاد نموده و این افزایش سطح، مقدار کم ضریب انتقال حرارت را جبران می نماید.
در طراحی مبدلهای حرارتی با لوله های پره دار، علاوه بر مسایل موجود در مورد لوله های صاف، باید عوامل دیگری از قبیل راندمان پره و مقاومت آن مورد بررسی قرار گیرد.
گام لوله ها و آرایش قرارگیری آنها
لوله ها در کنار یکدیگر به صورت موازی در داخل پوسته قرار گرفته و جهت استقرار آنها از لوله گیرها استفاده می گردد. در لوله گیرها سوراخهایی ایجاد شده و لوله ها در داخل آنها قرار داده می شوند. فاصله بین این سوراخها نباید بسیار نزدیک به هم باشد، زیرا اولاً باعث کاهش استحکام مکانیکی لوله گیر شده و ثانیاً تمیز کردن خارج لوله ها را مشکل می سازند. کمترین فاصله بین دو سوراخ مجاور را لقی می نامند و این فواصل به صورت استاندارد می باشند. لوله ها را معمولاً به دو صورت مربعی یا مثلثی در کنار یکدیگر قرار می دهند (شکل ۱۸).
پوسته و شیپورها
پوسته در واقع، حاوی سیالی است که در قسمت خارجی لوله ها جریان دارد و شیپورها مجرای ورودی و خروجی پوسته را تشکیل می دهند و جریان سیال را به داخل و خارج آن هدایت می کنند. پوسته ها دارای سطح مقطع دایره ای بوده و معمولاً بوسیله نورد ورقه های فلزی تهیه می شوند. پوسته های با قطر کوچک (تا حدود ۲۴ اینچ) با بریدن لوله های استاندارد به اندازه های مناسب تولید می شوند و اصطلاحاً پوسته های لوله ای نام دارند.
آبگردانها یا آشفته کننده ها
به طورکلی آبگردانها دو وظیفه مهم بر عهده دارند. اول اینکه، لوله ها را در حین نصب و همچنین هنگام کارکرد، در موقعیت مناسب نگه داشته و از ارتعاش آنها جلوگیری به عمل می آورند. دوم اینکه جریان سیال پوسته را در جهتهای عمودی بر لوله ها هدایت نموده و نیز سرعت جریان و ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهند. آبگردانها از نظر عملکرد به دو نوع طولی و عرضی تقسیم می شوند. هدف از بکارگیری نوع طولی، کنترل جریان سیال پوسته می باشد. آبگردانهای طولی جریان پوسته را به دو قسمت تقسیم می کند (مبدلهای با دو گذر پوسته و بیشتر). آبگردانهای عرضی، خود به دو دسته مسطح و میله ای تقسیم می شوند. از نوع مسطح برای نگاهداری لوله ها و جلوگیری از ارتعاشات آنها، جهت دادن سیال پوسته در راستاهای عمود بر لوله ها و افزایش آشفتگی در جریان سیال پوسته استفاده می گردد. در شکل ۲۱ انواع آبگردانهای مسطح عرضی، نشان داده شده اند و عبارتند از:
شیپورها و کانال های سمت لوله
شیپورها و کانالهای سمت لوله، جریان سیال را در ورود و خروج از لوله ها کنترل می کنند. به علت اینکه سیال داخل لوله ها اغلب دارای خوردگی بیشتر از سیال پوسته می باشد، بنابراین جنس این قطعات را معمولاً از مواد آلیاژی و مقاوم در برابر خوردگی انتخاب می نمایند. شیپورهای سمت لوله معمولاً در یک سمت پوسته نصب می گردند.
پوشش کانالها
این قطعات به طور ساده به عنوان درپوش عمل نموده و توسط پیچ به فلانژ کانالها متصل می گردند. درپوشها بدون تغییر در آرایش لوله ها، به آسانی قابل نصب یا برداشت هستند. در مبدلهای حرارتی کوچکتر به جای استفاده از کانالها و درپوشهای مجزا، از درپوشهای یک تکه یا نگهدارنده، همراه با شیپورهای فلانژدار یا پیچ دار استفاده می گردد.
معادله اساسی انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی
به طور کلی در کلیه مبدلهای حرارتی ، معادله اساسی انتقال حرارت که جهت طراحی مبدلها به کار می رود ، به قرار زیر است :
تخمین بار حرارتی در مبدلهای حرارتی
برای طراحی یا پیش بینی عملکرد حرارتی یک مبدل ، ضروری است نرخ کلی انتقال حرارت به کمیتهایی نظیر دماهای ورودی و خروجی سیال و دبی جریانها مربوط شود . این روابط را می توان با اعمال موازنه کلی انرژی برای سیال های سرد و گرم به دست آورد . در این حالت اگر q آهنگ کلی انتقال حرارت بین سیال های گرم و سرد باشد و بتوان از انتقال حرارت بین مبدل و محیط و تغییرات انرزی پتانسیل و جنبشی صرفنظر کرد ، با اعمال موازنه انرژی داریم :
ضریب کلی انتقال حرارت
محاسبه ضریب کلی انتقال حرارت برای مبدلهای حرارتی ، یکی از مسایل اصلی طراحی این مبدلها می باشد . نحوه انجام ان برای مبدلها ی مختلف کمی متفاوت است . در زیر برای نمونه ضریب کلی انتقال حرارت برای یک مبدل حرارتی با دو لوله هم مرکز که سطوح درونی و خارجی لوله دارای رسوب است ، محاسبه می گردد . مدار حرارتی این مبدل شامل ۵ مقاومت می باشد که به طور سری قرار گرفته و در شکل زیر نشان داده شده است .
ضریب انتقال حرارت جابجایی در درون لوله
منحنی انتقال حرارت در درون لوله برچسب عدد رینولدز نشان داده می شود . این منحنی ها به صورت تجربی به دست آمده اند و روابط ریاضی مربوط به آنها برای سه حالت جریان آرام و گذرا و آشفته به صورت زیر است :
ضریب انتقال حرارت جابجایی در سمت پوسته
عواملی که بر ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته تاثیر می گذارند ، عبارت است از :
فاصله آبگردانها از یکدیگر
ارتفاع بریدگی آبگردانها
سطح مقطع آزاد جهت عبور سیال در پوسته
فاصله لوله ها از بدنه درونی پوسته
نشت سیال از مجرای میان آبگردانها و پوسته
نشت سیال از مجرای میان لوله ها و آبگردانها و بقیه آب بندها
ضریب جرم گرفتگی
در مبدلهای حرارتی پس از مدتی موتد موجود در سیال که در مبدل جریان دارد ، تدریجا در سطح لوله ها رسوب کرده و یا در اثر تماس با سیال ایجاد زنگ زدگی می کنند . در هر دو حالت ضریب هدایت کاهش یافته و انتقال حرارت کم می گردد و در نتیجه راندمان مبدل کم خواهد شد .
اختلاف دماهای متوسط لگاریتمی
در یک مبدل حرارتی ، همزمان با جریان سیال در طول مبدل ، دمای آن تغییر می کند . در شکل زیر نمودار توزیع دما بر حسب طول برای ۵ حالت نشان داده شده است . با توجه به منحنی های داده شده در شکل ( به جز حالت الف ) مشخص می گردد که اختلاف دمای بین سیال گرم و سرد در طول مبدل متغیر است . بنابراین برای این که بتوان شدت انتقال حرارت کلی را در مبدل محاسبه نمود
نسبت به جریان سیال در پوسته ، یک گذر لوله به صورت جریان ناهمسو و گذر دیگر به صورت جریان همسو می باشد . همان طور که میدانیم ، آرایش جریان ناهمسو ، دارای اختلاف دمای موثر بزرگتری نسبت به آرایش همسو است . به علت این که مبدلهای پوسته و لوله شامل هر دو نوع جریان می باشند ، بنابراین اختلاف دمای موثر برای این نوع مبدلها بین این دو محدوده قرار می گیرد ، یعنی :
افت فشار در مبدل های حرارتی پوسته و لوله
به طر کلی افت فشار در درون لوله ها ، به عواملی از قبیل قطر داخلی و طول لوله ها ، دبی جریان سیال ، ضریب اصطکاک لوله و نیز گزانروی سیال بستگی دارد . رابطه عمومی افت فشار در درن لوله ها به صورت زیر می باشد .
افت فشار در سمت پوسته
عوامل مختلفی که بر روی افت فشار در سمت پوسته تاثیر می گذارند ، عموما عبارت است از :
- سطح میان لوله ها برای عبور جریان سیال در جهت عرضی و محوری.
- نشت سیال از میان فواصل بین لوله و آبگردانها .
- نشت سیال از میان فواصل بین پوسته و آبگردانها .
- ایجاد رسوب روی لوله ها که باعث تغییر در سطح مقطع عبور جریان می گردد .
بنابراین با توجه به تعاریف فوق ، رابطه افت فشار در سمت پوسته با احتساب تلفات ورودی و خرجی پوسته ، عبارت است از :
فهرست مطالب
فصل اول
مقدمه ۲
دسته بندی مبدلهای حرارتی ۲
مبدلهای حرارتی لوله ای ۸
مبدلهای حرارتی صفحه ای ۱۲
مبدلهای حرارتی با سطح گسترده ۱۴
مبدلهای حرارتی بازیاب ۱۶
مبدلهای حرارتی یک گذره ۱۷
مبدلهای حرارتی چندگذره ۱۷
فصل دوم
انواع مبدلهای حرارتی پوسته و لوله ۲۱
ساختمان و اجزای اصلی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله ۲۲
لوله ها ۲۲
پوسته و شیپورها ۲۵
آبگردانها یا آشفته کننده ها ۲۶
شیپورها و کانال های سمت لوله ۲۸
پوشش کانالها ۲۹
تقسیم کننده گذرها ۲۹
فصل سوم
معادله اساسی انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی ۳۱
تخمین بار حرارتی در مبدلهای حرارتی ۳۱
ضریب کلی انتقال حرارت ، U 32
ضریب انتقال حرارت جابجایی در درون لوله ، ۳۳
ضریب انتقال حرارت جابجایی در سمت پوسته ، ۳۴
محاسبه قطر معادل در سمت پسته ، ۳۴
ضریب جرم گرفتگی ۳۵
اختلاف دماهای متوسط لگاریتمی ۳۶
افت فشار در مبدل های حرارتی پوسته و لوله ۴۱
افت فشار در سمت پوسته ، ۴۲
مقاله فوق دارای صفحه مشخصات، شکل، فهرست مطالب (فصل بندی شده) و 42 صفحه متن (در قالب word 
) با رعایت کامل صفحه بندی می باشد. همچنین فونت های کار شده برای متن مقاله B Nazanin(15) و برای تیترهای داخل مقاله B Titr می باشند.
قیمت این مقاله ۴۹۰۰ تومان می باشد، جهت پرداخت و دریافت کامل متن مقاله روی پرداخت و دریافت کلیک کنید
مشاهده فهرست مقالات الکترونیک 
نوشته شده در ۲۵ مرداد ۱۴۰۰
لطفا پس از بهره مندی از مطالب فوق با نظر گرمت به من انرژی مثبت تزریق کن 🙂
دیدگاهها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.