X
تبلیغات
مهندسی شیمی-پتروشیمیChemical Engineering - آزمایشگاه انتقال حرارت

۱-مبدل حرارتی:

تئوری:

۱-مبدل حرارتی:

 دستگاهی است که برای انتقال حرارت موثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می‌گردد. از رایج‌ترین مبدل‌های حرارتی رادیاتور خودرو و رادیاتور شوفاژ است.

مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع، خودرو، نفت و گاز و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع مبدل‌های حرارتی

استانداردهای مرتبط

  • TEMA که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل‌های لوله‌ای (آمریکا) تدوین شده است. برای طراحی و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • API ۶۶۰ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای استفاده می‌گردند.
  • API ۶۶۱ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحی و ساخت مبدل‌های هوا خنک استفاده می‌گردند.

ASME Sec VIII که برا ی طراحی مکان یکی مبدل‌های حرارتی فشار بالا استفاده می‌گردد.

اصول طراحی مبدل‌های حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای اساسا" با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات ، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدل‌ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدل‌های لوله ای ) پیشی بگیرد . به دلیل تنوع بسیار زیاد محدوده‌های طراحی این نوع مبدل‌ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکت‌های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمی کنند .

مبدل‌های صفحه ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا می کنند .صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی چیدمان شده اند که دو سیال عامل بصورت یک در میان میان صفحات جریان دارند .طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد می‌کند که مجموعه از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه ای مناسب را بدهند . .مبدل‌های حرارتی صفحه ای معمولاً "در جریان سیالتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می شوند .از آنجا که کانالهای جریان کاملا کوچک هستند جریان قوی گردابه ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می گردد بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می‌شود . واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می کنند و سیال‌ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می نمایند. شکل جریان عموما" به نحوی انتخاب می شوند که جریان سیالها خلاف جهت یکدیگر باشند .

انواع مبدل‌های صفحه ای

1. صفحه ای حلزونی:

 با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه‌های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند ، شکل داده می‌شود . در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویهایجاد می‌شود که تنتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش میدهد این نوع مبدل‌های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعا گرن قیمت تمام می شوند .سطح انتقال حرارت برای این مبدل‌ها درمحدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشارکارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ سانتیگراد محدوده می‌شود . این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود ، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می‌شود .

 2. لاملا مبدل حرارتی نوه لاملا (ریمن ):

 شامل مجموعه کانالهای ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که بطور موازی جوشکاری شده است .بدلیل آشفتگی زیاد جریان توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف بسادگی رسوب نمی گیرند .این طرح از مبدل می تواند تحمل فشار تا ۳۵ بار و دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و ۵۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای آزبست می‌باشد .

 3. صفحه ای واشردار:

خصوصیات مکانیکی صفحه ای واشردار

یک مبدل حرارتی صفحه ای تشکیل شده است از صفحات ثابت ، صفحات فشار دهنده و تجهیزات پنوماتیکی و یا مکانیکی متعلقه و connection ports ها. سطح انتقال حرارت از یک سری صفحات با مجاری ورودی و خروجی تشکیل می‌شود .

مجموعه صفحات و فریم اصلی

هنگامیکه تعدادی از صفحات این نوع مبدل‌ها بهم فشرده می شوند و تشکیل مبدل صفحه ای را می دهند سوراخهای واقع در گوشه‌های این صفحات تشکیل تونلها و یا مجاری پیوسته ای را می دهند که سیال را از مبدا ورودی به صفحات هدایت می‌کند که در انجا با توجه به شکل شیارهای صفحات بین آنها توطیع می‌شود .مجموعه این دسته از صفحات با وسائل مکانیکی و یا هیدرولیکی بهم فشرده می شوند . جویهای جریان سیال که در مابین صفحات و خروجی گوشه‌های ان تشکیل می‌شود به نحوی چیدمان شده است که جریانهای سرد و گرم انتقال حرارت بشکل یک درمیان در کنار یکدیگر قرار می گیرند بطوریکه همیشه دارای چیدمان مخالف جهت حرکت جریان می باشند .در طی عبور از مبدل حرارتی ، سیال گرمتر بخشی از انرژی حرارتی خود را از طریق دیواره صفحه ای نازک به سیال سردتر در سمت دیگر منتفل می‌کند و در نهایت سیالها به حفره‌های لوله ای شکلی که در انتهای دیگر مجموعه صفحات وجود دارد سرازیر می شوند و از مبدل خارج می‌شود .این صفحات می توانند تا صد عدد در یک مبدل در کنار هم قرار گیرند و خدمات حرارتی خود را به صنعت ارائه دهند . مجموعه صفحات بین دو صفحه فلزی انتهائی بوسیله پیچ بهم وصل می شوند. صفحات و قطعات منفصل فریم از میله حامل بالائی آویزان هستند و در انتهای مبدل بوسیله میله راهنما نگهداری می شوند. میله حامل و میله راهنما به قطعه ثابت فریم پیچ و مهره می‌شود و بجز مبدل‌های کوچک بقیه به تکیه گاه انتهائی متصل می شوندهر چند این نمی تواند همیشه یک قاعده کلی باشد. مجموعه صفحات مانند دسته لوله‌ها در مبدل‌های پوسته ای و لوله ای است با این تفاوت مهم که دو سمت جریان گرم و سرد در یک مبدل حرارتی صفحه ای معمولاً دارای مشخصه‌های هیدرودینامیکی یکسانی می باشد. صفحه فلزی مبدل جزء اساسی این سیستم حرارتی محسوب می‌شود که اندازه بزرگترین صفحه از ۳/۴ متر ارتفاع و ۱/۱ متر عرض می باشد.نرخ انتقال حرارت برای یک صفحه در محدوده رنج ۰۱/۰تا ۶/۳ متر مربع قرار دارد که برای اجتناب از توزیع غیریکسان سیال درعرض صفحه ،حداقل نسبت طول/عرض حدود ۸/۱ انتخاب می شود. ضخامت صفحات مبدل در محدوده رنج ۵/۰ تا ۲/۱ میلی متر که در فواصل ۵/۲ تا۵ میلی متر از یکدیگر قرار گرفته اند تا قطر هیدرولیکی ۴ تا ۱۰ میلی متر را برای کانال عبور جریان ایجاد کند .

مزایای مبدل‌های صفحه ای

  • تنوع در طراحی صفحات و چیدمان شیارها و سایز و زوایا
  • سطح انتقال حرارت با توجه به امکان در تغییر تعداد صفحات و شکل بندی ان براحتی قابل وصول است .
  • انتقال حرارت بهینه که بدلیل درهم بودن جریان و کوچکی قطر هیدرولیکی برای هر دو سیال عامل دارای ضریب انتقال حرارت بزرگ هستند .
  • باتوجه به فشردگی صفحات سطح انتفال حرات به حجم ارزشمند است .
  • اتلاف حرارت بسیار ناچیز دارد و نیاز به عایقکاری ندارد
  • در حالت خراب واشر لاستیکی دو سیال تحت هیچ شرایطی مخلوط نمی شوند .
  • مبدل‌های حرارتی صفحه ای بدلیل توربولانس جریان درصد بسیار کمی رسوب گذاری دارد .

مبدل‌های صفحه ای بصورت ویژه ای فشرده هستند و در نرخ انتقال حرارت حرارت مشابه فضای محدودتری در مقایسه با مبدل‌های لوله دارد ضمن اینکه حجم کم و وزن کمتر و به طبع آن هزینه‌های کمتر در ساخت و بهره برداری و نگهداری را به همراه دارد .البته این نوع مبدل مانند همه تجهیزات صنعتی دارای محدودیتهائی هستند .

حداکثر فشار کارکرد ۲۵ بار و در موارد کاملا خاص حداکثر ۳۰ بار حداکثر دما و با واشرهای مخصوص حداکثر حداکثر دبی جریان سطح انتقال حرارت ضریب انتقال حرارت واشرهای لاستیکی محدودیت در حداکثر دمای قابل دستیابی و فشار کارکرد و نوع سیال را برای طراحی این نوع مبدل‌ها ایجاد می‌کند .ضمنا هندسه پیچیده کانالهای جریان باعث افزایش ضریب اصطحکاک در مبدل‌های حرارتی صفحه ای می شوند . علت اصلی عدم پیشرفت استفاده از این نوع مبدل‌های در صنایع محدودیت ساخت صفحات بزرگ به جهت محدودیت در پرسکاری و ساخت صفحات می‌باشد .که عملاً مبدل‌های حرارتی با اندازه‌های بیشتر از قابل ساخت نیستند یعنی در واقع بصرفه هم نیستند . دبی‌های بزرگ جریان باعث افت فشارهای اضافی خواهد شد که از این منظر باعث محدودیت در ظرفیت گرمائی می‌شود که در مرتبه بالاتر طراحی واشرها به ترتیبی نیست که در فشارو دماهای بالاتر بتوان از این نوع مبدلها سود جست . مبدل‌های حرارتی صفحه ای را نمی توان برای کولینگ هوا استفاده کرد و حتی برای تبادل حرارت در کوپلهای هوا-هوا و یا گاز-گاز نیز مناسب نیستند ضمنا سیالاتی با لزجت بالا بویژه وقتی خنک کاری مورد نظر باشد با توجه به اثرات توزیع جریان در این نوع مبدلها ناکارآمد جلوه می کنند .ضمنا سرعتهای کم جریان سیال کمتر از ، ضرایب کوچک انتقال حرارت و به تبع آن بازدهی غیر بهینه را در مبدلهای صفحه ای ایجاد می‌کند که به همین علت در سرعتهای کمتر از نمی توان از این نوع مبدلها سود جست . مبدلهای حرارتی صفحه ای برای انجام کندانس خیلی مناسب نیستند که این مورد بخصوص در مورد بخارها در خلا نسبی صدق می‌کند زیرا فاصله‌های باریک صفحات و توربولانس ایجاد شده باعث بوجود آمدن افت فشارهای قابل ملاحظه ای در سمت بخار می‌شود .هرچند با توجه به پیشرفتهای حاصل شده در حال حاضر مبدل‌های حرارتی صفحه ای با طراحی‌های ویژه را می توان در سیستم‌های تبخیر و کندانس نیز استفاده کرد . مسیرها و چیدمان جریان

واژه مسیر یاگذرگاه (passage) در مبدل‌های حرارتی صفحه ای به دسته ای از کانالها گفته می‌شود که در آنها جهت جریان یکسان باشد . شکل ذیل چیدمان تک مسیری را که بنام چیدمان "U"و "Z" اطلاق می‌شود را مشاهده می کنید که هر چهار دهنه ورودی و خروجی در صفحه سر همگرا هستند (fixed-head plate ) که این خاصیت امکان دمونتاژ مبدل را برای تعمیرو نگهداری بدون ایجاد مشکل در سیستم لوله کشی خارجی آن را فراهم می‌کند ضمنا دراین نوع چیدمان توزیع جریان توربولانس تر از چیدمان نوعZ می‌باشد .چیدمان چند مسیره شامل مسیرهای متصل شده بشکل سری هستند که در شکل زیر چیدمان شکل بندی با دو مسیر و سه یا چهارکانال نمایش می دهند که باختصار آنرا و یا می نامند .این سیستم بجز صفحه مرکزی که در آن جریان هم جهت روان است دارای جریان مخالف جهت می‌باشد .

شکل زیر سیستم جریان دو مسیر –یک مسیر (شکل بندی نوع ۱/۲) را نشان می دهد که در آن یک سیال در مسیر خط چین و سیال دیگر در دو مسیر خط توپر جریان دارد .در این نوع چیدمان نیمی از مبدل دارای جریان مخالف و نصف دیگر دارای جریان هم جهت می‌باشد که از آن به عنوان سیستم نامتقارن نام برده می‌شود و اگر یکی از سیالهای مورد استفاده دارای دبی حجمی بزرگتر از دیگری و یا افت فشار مجاز کوچکتر از جریان دیگر باشد مورد استفاده قرار می گیرد .

چیدمانهای چند مسیره همیشه باید ورودی و خروجی مبدل در هر دو سر ثابت و متحرک وجود داشته باشد .معمولا تعداد مسیرها، تعدادکانالها (مسبر جریان در دوصفحه مجاور )به ازای هر مسیر ،برای دو سیال یکسان و بصورت متقارن باشد.

توزیع غیرمتقارن در هر سیستم با کانالهای متصل بهم منجمله مبدل های صفحه ای می تواند مشکل آفرین باشد که مسئله باید در طراحی این نوع سیستمهای حرارتی بسیارمورد توجه قرار گیرد.

سطوح کاربرد و استفاده مبدل‌های حرارتی صفحه ای

مبدل‌های حرارتی صفحه ای با داشتن مشخصات خاص بطور گسترده ای در صنایع غذائی مورد استفاده قرار می گیرند که به دلیل همین خاصیت یعنی تعمیر و نگهداری آسان و تمیز کاری بسیار راحتر دامنه نفوذ خود را حتی تا صنعت خودرو سازی نیز گسترش داده است . کاربردهای عمومی مبدل‌های حرارتی صفحه ای اصولا در شرایط فازی مایع – مایع و جریانهای توربولانس می باشد. از موارد بسیار مهم استفاده از این نوع سیستم‌های حرارتی می توان به سیستم‌های خنک کن مرکزی که از آب دریا بعنوان چاه گرمائی استفاده می‌کند ،اشاره کرد وهمچنین وقتی بحث موادخورنده مطرح است برگ برنده مبدل‌های حرارتی صفحه ای در استفاده بدون محدودیت از مواد با تحمل خوردگی بالا در ساخت صفحات مبدل می‌باشد که می توان به عنوان نمونه از تیتانیوم در آن نام برد . برخی اطلاعات مهم و ارزشمند در مبدل‌های حرارتی صفحه ای در پایان این بخش باعث آشنائی بیشتر با این تجهیز صنعتی ارزشمند می گردد .

خوردگی وقتیکه از مواد با خورندگی بالا استفاده می کنیم مبدل‌های حرارتی صفحه ای بهتر گزینه است حتی اگر این مبدل را با صفحات گران قیمت بسازیم در مقایسه با مبدل‌های دیگر بصرفه ترند ضمنا با توجه به نازکی صفحات این نوع مبدل‌ها عملاً نیازی به گرفتن اضافه ضخامت در زمان طراحی نسبت به انواع دیگر بسیار ناچیز می‌باشد البته با توجه به وجود جریان آشفته در صفحات این نوع مبدل‌ها وقتی که مواد شیمیائی با خورندگی بالا در این صفحات جریان دارد باید از مواد با کیفیت تر برای ساخت صفحات استفاده کنیم که البته با لحاظ تمام این شرایط ارجحیت استفاده ازاین نوع مبدل‌ها اثبات شده است .

انتخاب مواد برای ساخت صفحات مبدل با توجه به تجربه‌های سازندگان در جدول صفحه قبل خلاصه که در سفارش این نوع مبدل‌ها می تواند به کارشناسان تعمیر و نگهداری و یا طراحان کمک شایانی نماید . افزایش غلظت مواد خورنده در یک لایه رسوبی سطحی که با اثر دمائی دیواره فلزی که زیر رسوب قرار دارد خوردگی موضعی را افزایش می دهد که می تواند باعث تخریب قابل ملاحظه گردد که در مبدل‌های صفحه ای این مشکل کمتر دیده می‌شود چون تمایل به رسوب گذاری با توجه به جریان همیشه آشفته گذرهای جریان در این نوع صفحات کمتر از مبدل‌های نوع دیگر می‌باشد .مشکل تشکیل رسوب مبحث مهمی را در طراحی مبدل‌های حرارتی به خود اختصاص می دهد اما بیشتر این اطلاعات بصورت تجربی در اختیار سازندگان قرار دارد اما با توجه به دلائل زیر عدم تمایل به تشکیل رسوب در مبدل‌های حرارتی بسیار کمتر از مبدل‌های نوع لوله ای می‌باشد .

جریان توربولانس باعث عدم ماند مواد معلق می شود
نمودارتغییرات سرعت در مقطع صفحه با توجه به عدم وجود ناحیه سرعت پائین یکنواخت می باشد .
با توجه به سطح صاف صفحات مبدل امکان صیقلی کردن آنها وجود دارد .
دپوی مواد خورده شده با توجه به نرخ بسیار پائین رسوب گذاری عملا ناچیز بشمار می آید .

با توجه به سادگی تمیز کاری مبدل های صفحه ای عملا زمان مورد نیاز برای تشکیل رسوب ارضاء نمیشود .

محاسبات انتقال حرارت و افت فشار

با توجه به اشکال مختلف طراحی مبدل‌های حرارتی طراحی این نوع مبدل‌ها بسیار تخصصی است .طراحی این نوع مبدلها بر خلاف مبدل‌های پوسته ای به طور کاملا" انحصاری در اختیار سازندگان آن می‌باشد .هرچند سعی فراوانی برای بهینه سازی دقت روابط انتقال حرارت و افت فشاردرمبدل‌های حرارتی صفحه ای شده است اما اکثر این روابط نمی توانند بطور عمومی بکار روند ودارای قابلیت پیش بینی زیادی باشند .متاسفانه روشهای طراحی که ارائه شده است اکثرا"تقریبی هستند و برای تعیین اولیه اندازه نامی واحدهای صفحه ای برای یک وظیفه گرمائی مشخص مناسب می باشند .

مساحت سطح انتقال حرارت

موجهای ایجاد شده در صفحه مساحت صفحه را در مقایسه با سطح اولیه افزایش می دهد که برای بیان این افزایش نسبت به طول تصویر شده ضریبی بنام ضریب افزایش سطحی استفاده می‌شود که تعریف آن بصورت ذیل فرموله می‌شود :

طول تصویر شده / افزایش طول

مقدار تابعی از گام و عمق موج و یا گام صفحه است ضریب افزایش طول بین ۱۵/۱ و۲۵/۱ متغیر است . مقدار نسبت مساحت موثر واقعی که توسط سازنده اعلام می‌شود به مساحت سطح تصویر شده می‌باشد :
فاصله متوسط کانال جریان سیال

کانال جریان ، مجرائی است که بوسیله صفحات جسبده بهم بین واشرهای لاستیکی تشکیل می‌شود . به دلیل پیچدگی سطح مقطع سطوح موجدار متوسط فاصله به صورت ذیل فرموله می شود.


گام صفحه نباید با گام موج اشتباه شود .فاصله کانال برای محاسبه سرعت جرمی و عدد رینولدز مناسب می‌باشد و بنابراین مقدار موثری می‌باشد که معمولاً توسط سازندگان مشخص نمی شود .اگر گام صفحه مورد نیاز باشد می توان از طول صفحات فشرده که معمولاً روی نقشه‌ها مشخص می شوند بصورت ذیل محاسبه می گردد :

که در آن تعداد کل صفحات می‌باشد .

قطر معادل کانال قطر معادل کانال با رابطه زیر محاسبه می شود:

سطح تر شده  / سطح جریان در کانال  ۴

(رابطه kumar) با این تقریب که می‌باشد .

ضریب انتقال حرارت هر سعی و تلاشی برای حدس ضریب فیلم انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی صفحه ای شامل بسز روابطی است که برای انتقال حرارت بین گذرگاههای جریان در دسترس هستند .روابط متداول برای محاسبات چنین گذرگاههای استفاده از روابط لوله هاست با این فرق که با تعریف قطر معادل برای گذرگاه غیردایره ای این قطر بجای قطر لوله دایره ای در رابطه جایگزین می‌شود :

که در آن قطر معادل تعریف شده بوسیله معادلات صفحه قبل است . مقادیر و n بستگی به مشخصه‌های جریان و زوایای شورون دارند که در جدول زیر می توان آنرا بدست آورد .انتقال از جریان آرام به آشفته در اعداد رینولدز کم رخ می دهد و در نتیجه مبدل‌های حرارتی صفحه ای ضرایب انتفال حرارت بزرگی را ایجاد می کنند . روش کاملا مستندی که برای حدس انتقال حرارت و افت فشارهای مبدل حرارتی صفحه ای برای محدوده وسیعی از صفحات با الگوی شورون وجود دارد را در ادامه به بحث خواهیم نشست . عد رینولدز بر مبنای سرعت جرمی در کانال بصورت دیل فرموله می‌شود :

و سرعت جرمی در کانال با رابطه ذیل ارائه می‌شود :

که در این رابطه تعداد کانال به ازای هرگذر بدست می آید :

که در آن تعداد کل صفحات و تعداد گذرها می‌باشد .

افت فشار در کانال

کل افت فشار شامل افت فشار اصطحکاکی کانال و افت فشار دهانه‌های خروجی و ورودی می‌باشد ضریب اصطحکاک برای افت فشار اصطحکاکی توسط معدله ذیل تعریف می‌شود :


که در این فرمول طول موثر جریان سیال بین دهانه‌های ورودی و خروجی می‌باشد و این طول موثر باید ضریب افزایش شکل موجی سطح نیز در نظر گرفته شود .این اثر در تعریف ضریب اصطحکاک و قطر معادل برای محاسبه عدد رینولدز به کمک رابطه kummar وارد شده است .بنابراین می توان را در نظر گرفت که فاصله عمودی دهانه‌ها می‌باشد که در شکل صفحات آنرا دیده ایم . ضریب اصطحکاک معادله افت فشار کانال بصورت ذیل فرموله می گردد :

مقادیر و در جدول صحه قبل بصورت توابعی از عدد رینولدز برای مقادیر متفاوت زاویه شورون ارائه شده است برای چیدمان‌های متفاوت سطح صفحه ، ضریب اصطحکاک برحسب عدد رینولدز باید توسط سازنده ارائه گردد .


افت فشار دهانه‌های ورودی و خروجی

مجموع افت فشار در دهانه‌های ورودی و خروجی جریان به فضای مابین دو صفحه مجاور (کانال ) می تواند بصورت تقریب ۴/۱ برابر مقدار هد سرعتی جریان تخمین زده شود بنابراین :

که در آن :

و در این فرمول کل نرخ جریان جرمی در دهانه و قطر دهانه است .

در نتیجه کل افت فشار اصطحکاکی کانال و دهانه‌ها عبارتست از :

ضریب کلی انتقال حرارت ضریب کلی انتقال حرارت برای سطح تمیز مطابق آنجه از یافته‌های انتقال حرارت بیاد داریم عبارتست از :

و تحت شرایطی که صفحات رسوب می گیرند و یا اصولا" در زمانهای بهره برداری می توان فرمول ذیل را جایگزین نمود :


که در آن c ,h به ترتیب نشانگر جریانهای گرم و سرد می‌باشد .رابطه بین برای شرایط تمیز و برای شرایط رسوب گرفته و ضریب تمیزی CF بصورت ذیل فرموله می‌شود :

مساحت سطح انتقال حرارت

رابطه موازنه گرمائی در مبدل‌های حرارتی صفحه ای مشابه مبدل‌های حرارتی لوله ای می‌باشد و مقدار حرارت مورد نیاز Q برای جریانهای سرد و گرم عبارتست از :


از سوی دیگر مقدار حرات مورد نیاز بدست آمده Qf برای شرایط رسوب گرفته بصورت ذیل تعریف می‌شود :

که در این معادله کل مساحت افزایش یافته بدلیل حرارت صفحات موثر یعنی می‌باشد که عدد ۲ مربوز به دو صفحه در مجاورت صفحات سر می‌باشد . در چیدمان‌های چند گذر یکسوی صفحه جداکننده گذرها دارای جریان هم جهت هستند که اثر ناچیزی بر متوسط اختلاف دما خواهد داشت .اگر جریان در تمامی گذرها هم جهت باشد برای بدست آوردن متوسط اختلاف دمایئ ضریب تصحیح f بکار می رود در غیر اینصورت برای آرایش مخالف جهت از متوسط واقعی اختلاف دما بشکل رابطه ذیل استفاده می‌شود :

که در آن و اختلاف دمای سیال گرم و سرد در انتهای ورودی و خروجی مبدل حرارتی هستند .

نمونه کاربرد روابط در طراحی مبدل‌های حرارتی صفحه ای

فرض می کنیم برای فرآیندی خاص سازنده ای مبدل حرارتی صفحه ای را پیشنهاد می‌کند برای محاسبه مقادیر نامی عملکرد مبدل مذکور بصورتی که در صفحات بعد خواهیم داد پیش خواهیم رفت .

مثال : اب سرد بوسیله جریان آب wastewater گرم خواهد شد .جریان آب سرد با نرخ جرمی ( ) در ۲۲ درجه سانتیگراد وارد مبدل حرارتی صفحهای می‌شود و تا ۴۲ درجه گرم می‌شود آب wastewater دارای همان نرخ جریان می‌باشد و در ۶۵ درجه وارد مبدل می‌شود و در ۴۵ دجه از آن خارج می‌شود .حداکثر افت فشار مجاز برای هر جریان می‌باشد .


محاسبات نشان می دهد که این مبدل حرارتی نسبتا" بزرگی است و می تواند علاوه بر جوابگوئی به نیازها و مشخصه‌های فرآیند ، کوچکتر انتخاب شود . لذا اضافه سطح طراحی برابر ۳۰٪ برای کاهش هزینه سرمایه گذاری ، ترجیح داده می‌شود و برنامه زمان بندی تمیزکاری می تواند بر طبق آن تنظیم گردد .بنابراین طرح پیشنهاد شده می تواند اصلاح گردد و مقادیر نامی عملکرد آن مجددا تعیین گردد . تحلیل افت فشار : برای محاسبه ضرائب اصططکاک سیال گرم و سرد با استفاده از معادله ضریب اصطحکاک می توان محاسبه کرد :

افت فشار اصططکاکی مربوط به جریانهای سرد و گرم با فرمول محاسبه می‌شود .

افت فشار در دهانه‌های ورودی و خروجی از معادله محاسبه می‌شود .با تعیین سرعت جرمی در دهانه‌ها :

محاسبه نشان می دهد که مبدل پیشنهاد شده فرآیند مورد نیاز و محدودیت افت فشار را جوابگو خواهد بود اما این مبدل می تواند کوچکتر باشد مگر آنکه تحت شرایط سخت رسوب استفاده شود

نتایج آزمایش:

حالت اول: جریان همسو:

دبی آب

سرد

 (lit/hr)

دبی آب گرم

(lit/hr)

 

Ttank

 

T1

 

T2

 

T3

 

T4

 

T5

 

T6

 

T7

 

T8

 

T9

 

T10

 

400

 

200

60

58.9

54

53.3

51.6

42.3

26.8

28.1

28.9

29.4

30.3

 

200

 

200

60

58.9

54.9

54.5

52.8

44.7

27

28.7

30.2

30.7

32.4

 

100

 

200

60

58.8

55.8

55.1

53.6

46.3

27.3

29.7

32.1

32.7

34.9

 

400

 

100

60

58.8

54.2

52

49.5

45.9

27.6

30.2

31.1

32.1

30

 

200

 

100

60

58.6

53.7

59.7

50.2

44.8

27.1

29.4

30.1

31

30.9

 

100

 

100

60

58.6

54.3

53.1

51.2

45.1

27.4

29.7

31.1

31.8

32.9

حالت دوم:جریان ناهمسو:

 

دبی آب

سرد

 (lit/hr)

دبی آب گرم

(lit/hr)

 

Ttank

 

T1

 

T2

 

T3

 

T4

 

T5

 

T6

 

T7

 

T8

 

T9

 

T10

 

400

 

200

60

 

58.5

55.5

54.4

51.6

47.1

31.6

31.2

30.2

29.2

26.6

 

200

 

200

60

58.5

55.8

55.1

53.1

48.5

34.1

33

31.8

29.7

27.3

 

100

 

200

60

58.4

56.4

55.6

53.7

49

36.6

33.8

32.8

30.3

27.3

 

400

 

100

60

58.3

55.6

53.4

50.1

48.3

31.8

34.1

32

29.8

27.1

 

200

 

100

60

58.2

54.5

52.9

50.3

46.9

32.2

32.6

30.7

29.2

27

 

100

 

100

60

58.1

55.2

53.5

51.4

46.7

34.4

33

31.5

29.5

27.4

 

۲- انتقال حرارت آزاد و اجباری

جابجايي : ( Convection )

گرما از طريق جابجايي نيز منتقل مي گردد در اين شيوه حرکت مولکولها و ارتعاشات مولکولها سبب انتقال گرما نيز مي شود .

عده زيادي از مولکولها که در کنار يک سطح قرار گرفته اند با آن سطح در تبادل دمايي هستند و با آن سطح همدما مي شوند . اين عده به علت تفاوت درمايي در بين دو نقطه از سيال از جاي خود حرکت کرده و به آنجايي که دماي کمتري دارد منتقل مي گردند . اين انتقال همراه با حمل گرما توسط اين مولکول ها همراه است و به اين ترتيب مولکولها گرما را از يک نقطه با دماي بيشتر به نقطه ديگري با دماي کمتر منتقل مي کنند . اين حرکت توده مولکولها را حرکت کپه اي مي نامند . پس انتقال گرما در پديده جابجايي حاصل ترکيب دو نوع انتقال گرماي رسانش و گرماي ناشي از اين حرکت کپه اي است .

معمولاً از واژه كنوكسيون براي اين انتقال تركيبي و از واژه ادوكسيون براي انتقال ناشي از حركت كپه اي سيال استفاده مي شود .

در پديده جابجايي بايد سيال داراي حرکت باشد و از طرفي دماي سطح و سيال با هم ديگر تفاوت داشته باشند اگر سيال داراي حرکت نباشد مکانيسم انتقال حرارت بيشتر توسط رسانش صورت مي گيرد هرچند که جابجايي طبيعي نيز بايد مورد توجه قرار گيرد و اگر دماها برابر باشند به علت نبودن گراديان دمايي هيچ گونه انتقال حرارتي انجام نمي گيرد .

اگر دماي سطح از دماي سيال بيشتر باشد جهت انتقال دما از سطح به سيال است و اگر دماي سيال از دماي سطح بيشتر باشد جهت انتقال گرما برعکس مي شود .

در عبور سيال از يک سطح با دماهاي متفاوت مي توان دو لايه مرزي را براي فرايند متصور شد يک لايه مرزي سرعت و ديگري لايه مرزي حرارت که اين دو لايه ممکن است بر هم افتاده و يا کاملاً متفاوت باشند .

انتقال گرماي جا به جايي توسط حركت تصادفي مولكولي و حركت كپه اي سيال در لايه مرزي تداوم مي يابد . حركت تصادفي مولكولي ( پخش ) در نزديكي سطح ، كه در آنجا سرعت سيال كم است ، سهم اصلي را دارد . يعني اينکه در اين ناحيه به علت نبودن سرعت بالا سيال نمي تواند به طور مناسب با سطح تبادل حرارتي انجام دهد از طرفي در  فصل مشترك بين سطح و سيال ( y = 0 ) سرعت سيال صفر است و گرما فقط توسط مكانيزم پخش منتقل مي شود يعني ئر اين ناحيه بيشتر رسانش کار انتقال گرما را انجام مي دهد .

جابجايي را مي توان بنا به نحوه انجام فرايند به دو دسته واداشته ( Force Convection) و يا جايجايي آزاد

  (Natural Convection) تقسيم کرد .

اگر جابجايي توسط وسائل مکانيکي مانند فن , پمپ و يا توربين انجام شود جابجايي را واداشته و اگر اختلاف چگالي سبب اين جابجايي شود آن را آزاد مي نامند .

در برخي مواقع ممکن است ترکيبي از هر دو فراين را با هم داشته باشيم و از هردو فرايند استفاده کنيم يعني نرخ انتقال توسط جابجايي آزاد کم بوده و براي افزايش نرخ انتقال حرارت از جابجايي واداشته استفاده مي شود .

انتقال حرارت توسط سيال متناسب است با دماي سيال و دماي سطح اين دماها در حقيقت دماي موضعي و يا دماي متوسط سطح و سيال است .

اين تناسب توسط ضريب ثابتي به تساوي تبديل مي گردد اين ضريب متناسب با خواص سيال و سرعت سيال بستگي دارد که اين ويژگي ها با هم در عدد رينولدز جمع مي شوند .

انتقال حرارت جابجایی آزاد:

مسئله كنوكسیون طبیعی در محیط بسته با یك منبع تولید حرارت یكی از مسائل بسیار جالب است كه مورد توجه بسیاری ازمهندسانی كه در این زمینه فعالیت می‌كنند قرار گرفته. در مسائلی از قبیل انتقال حرارت از روی رادیاتور در ساختمانها، انتقال حرارت در سردخانه‌ها و یخچالهای خانگی، بردهای الكتریكی و غیر و باكنوكسیون طبیعی در محیط بسته مواجه هستیم. در این پژوهش انتقال حرارت از روی یك منبع تولید حرارت در یك محیط بسته مورد مطالعه قرار می‌دهیم. معادلات اصلی حاكم بر جریان سیال شامل بقاء جرم، مومنتوم و انرژی با استفاده از روش احجام محدود به فرم تبدیل شده‌اند. در انتقال حرارت به روش كنوكسیون اجباری با خواص ثابت سیال معادلات مومنتوم و انرژی بطور مستقل قابل حل می‌باشند اما در حالت جابجائی طبیعی چون دانستیه در جمله شناوری معادله مومنتوم تابع دما 1 می‌باشد. معادلات مومنتوم‌و انرژی وابسته به یكدیگر بوده و باید

همزمان حل شوند. در معادلات مومنتوم جمله مجهول فشار نیز وجود دارد كه با استفاده از الگوریتم سیمپلر مقدار آن طوری  محاسبه می‌گردد كه معادله پیوستگی ارضا می‌شود. دستگاه  معادلات جبری بدست آمده با استفاده از روش ضمنی خط به خط

و الگوریتم توماس tdma حل می‌شود. نتایج محاسبات به صورت میران جریان و توزیع دما از بردارهای سرعت ، خطوط جریان  و خطوط دما حاصل شده است . اثرات عدد را لی و طول منبع حرارتی در دو جهت قائم و افقی بر روی عدد نوسلت مورد

بررسی قرار گرفته است . نتایج حاصل نشان می‌دهد با افزایش عدد رالی و افزایش طول منبع حرارتی، عدد نوسلت افزایش می‌یابد. و تاثیر افزایش سطح منبع حرارتی بر روی عدد نوسلت  در جهت افقی بیشتر از جهت قائم می‌باشد. مطالعه انتقال حرارت به روش جابجایی مختلط در سرمایش پره  دراین پروژه فرآیند خنك سازی فینهای سوزنی شكل به روش        2 جابجایی مختلط مورد بررسی قرار گرفته شده است . به منظور افزایش انتقال حرارت از فین ها و نیز ازدیاد نیروی درافت سیال دودكش در بالای پایه نگهدارنده فین ها منظور شده است مجموعه فین های سوزنی و صفحه متصل به آن بصورت یك محیط متخلخل با جریان فورچمبر مدل شده است .آنگاه وضعیت اپتیمم آرایه این فین های سوزنی برای مقادیر معین گرمای اتلافی از سیستم بر حسب مقادیر بهینه قطر فین ها و ضریب تخلخل آنها برای جریان كاملا توسعه یافته بدست آمده است . نتایج بدست آمده با داده های موجود توسط سایر محققین مقایسه گریده و اثرات جریان جابجایی مختلط در مقایسه با جریان آزاد بحث شده است

انتقال حرارت به روش جابجایی:

در این حالت انتقال حرارت توسط توده از سیال صورت می گیرد و بنابراین به مایعات و گازها مربوط می شود. در جابجایی طبیعی انتقال حرارت به دلیل تغییر در وزن مخصوص كه خود به علت تغییر در دما می باشد ، صورت می گیرد . در جابجایی اجباری انتقال حرارت به صورت نفوذ سیال درشرایط درهم و به اجبار صورت می گیرد.

میزان حرارت منتقل شده درهر ساعت از رابطه Q=UR∆T بدست می آید . برای محاسبه هر كدام از عوامل موجود در فرمول باید ضریب جابجایی مشخص باشد . برای این كار لازم است ضریب جابجایی تك تك لایه ها محاسبه و یا تخمین زده شود. گروه های بدون  بعد با موفقیت چشمگیری جهت محاسبه ضریب جابجایی بكار رفته است و از آنالیز بعدی بخوبی در حل مسائل جابجایی استفاده شده است.

آزمایش 1: رابطه توان ورودی ودمای سطح در انتقال حرارت جابجایی آزاد

 

TH-TA

 

دمای محیط

TA))

دمای سطح گرم

(TH)

توان ورودی

w

10.4

27.7

38.1

20

25.7

27.2

52.9

40

45.7

27.1

72.8

60

-         رسم نمودار(توان ورودی برحسب TH-TA)

تفسیرنمودار: هرچه توان ورودی بیشتر اختلاف دما بیشتر میشود.

 

آزمایش 2: رابطه توان ورودی ودمای سطح در انتقال حرارت جابجایی اجباری

TH-TA

دمای محیط

                 (TA)

دمای سطح گرم

(TH)

سرعت هوا

m/sec

45.7

27.1

72.8

0

38.5

27.1

65.6

0.6

35.9

27.1

63

0.9

34.1

27.1

61.2

1.2

-         رسم نمودار سرعت بر حسب اختلا ف دما

تفسیر نمودار:هر چه سرعت فن بیشتر میشود اختلاف دما کمتر میشود

 

+ نوشته شده توسط مهدی بهزادی نسب در چهارشنبه 1389/07/28 و ساعت 13:51 |


Powered By
BLOGFA.COM