مولف تحت نظارت و سرپرستی: مهندس یاسر جعفری جوزانی

Transcript

1 طراحی مبدلهای حرارتی به همراه آموزش نرمافزار Aspen B-JAC مهندسیار مولف علی مصطفیزاده ابوالمعالی شرکت مهندسی سینوس 90 درجه تحت نظارت و سرپرستی: مهندس یاسر جعفری جوزانی

2

3 سخنی با خوانندگان بشر قرن 21 بیوقفه و بهسرعت در تکاپوی توسعهی همهجانبهی مرزهای دانش در تمامی حوزههاست و در این مسیر از تالش باز نمیایستد چرا که اثرگذارترین ابزار برتریجویی در فضای رقابتی امروز را دستیابی به فناوریهای پیشرفته علوم نوین و گسترش صنایع پیشرفته کارآمد و منحصربهفرد یافته است. براساس چنین نگرشی است که رشد سریع علوم و فنون کاربردی در گسترهی عظیمی از زمینههای تحقیقاتی در دستورکار بازیگردانان نظام جهانی قرار گرفته است. در شرایط ویژه و پیچیدهای که کشور ما با آن روبهروست گام برداشتن در مسیر پیشرفت و رشد و توسعهی داخلی و نیز کسب جایگاه درخور و تاثیرگذار در عرصهی بینالمللی منوط به اصالح دید کالن نسبت به توسعهی علمی و پژوهشی با هدف ارتقای شاخصهای پیشرفت و توسعهی کشور است و این جز با حمایت ویژه و مستمر از بخشهای دانشگاهی و پژوهشی امکانپذیر نخواهد بود. انتشارات دانشگاهی کیان به عنوان یکی از بسترهای مستعد تحقق بومیسازی فناوریهای پیشرفته Technology( )High قصد دارد با استفاده از همت بلند متخصصان صنعتی و دانشگاهی کشور و با استفاده از تجارب خود در زمینه چاپ و نشر بیش از سیصد عنوان کتابهای فنی و مهندسی بخشی هرچند کوچک از این وظیفهی خطیر را به انجام برساند. مجموعه کتابهای مهندسیار با هدف دسترسی دانشجویان اساتید پژوهشگران و عالقمندان به دانش فنی و تخصص روز دنیا در حوزهی فنی و مهندسی با نگاه ویژهای تدوین شده است. در این آثار سعی شده است تا تجارب و دستاوردهای علمی و پژوهشی مولفان بهنام و فرهیختهی کشور به شیوهای آموزشی و استاندارد و با باالترین کیفیت فنی و محتوایی به مخاطبان عالقمند انتقال یابد. این مجموعه گسترهی وسیعی از علوم فنی و مهندسی را دربر میگیرد و تالش بر آن است تا در آیندهی نزدیک در سایهی الطاف الهی و با تکیه بر دانش و تخصص بومی عناوین کاملی از کتابهای کاربردی و ارزشمند در این مجموعه پوشش داده شود. انتشارات دانشگاهی کیان در این مسیر دست یکایک اساتید و پژوهشگران حوزهی فنی و مهندسی را به گرمی میفشارد و از پیشنهادهای ارزندهی تالیف و ترجمه در این چارچوب استقبال میکند و از مخاطبان این مجموعه خواهشمند است نقدها و نظرهای سازندهی خود را از طریق پلهای ارتباطی موجود در جهت ارتقای محتوایی و کیفی آثار مطرح نمایند. نشر دانشگاهی کیان

4 مولف مقدمه رد گسترده بهطور تجهیزات این هستند. صنعت پرکاربرد و جداییناپذیر اجزای حرارتی مبدلهای بیشک از بسیاری و شیمیایی فرایندهای گاز و نفت خودرو الکترونیک غذایی صنایع تهویهیمطبوع صنایع بزرگتر دمای با سیال از حرارت انتقال میدهد رخ مبدلها در که کلی فرایند میشوند. استفاده دیگر صنایع که شده مبدلها از فراوانی انواع آمدن پدید موجب ساده مفهوم همین ولی است کوچکتر دمای با سیالی به چگالنده صفحهای لولهمارپیچی هوا با سرمایش لولهپوسته دولولهای مبدلهای از میتوان نمونه برای کرد. یاد خنککننده برجهای و تبخیرکننده مفاهیم و شده برده بهکار اصطالحات مبدلها انواع بیان است شده پرداخته آن به کتاب این در آنچه مبدلهایی محدودهی دانشگاهی سرفصلهای رعایت جهت به البته آنهاست بررسی و طراحی برای اصلی تکفاز گرم و سرد سیال دو هر که است مبدلهایی شده پرداخته آن به دقیق صورت به کتاب این در که و پنجم چهارم سوم دوم فصلهای در همچنین نمیشوند. فاز تغییر دچار مبدل در حرکت طول در و بوده رعایت بر سعی مثالها تمامی در که است شده آورده تشریحی پاسخ همراه به مثال هفده مجموع در هشتم است: بوده زیر اصل دو مثالها بودن نکتهدار و نبودن تکراری 1. مساله. حل مراحل تمامی در دقیق توضیح ارایهی و مثال گام به گام و دقیق حل 2. نخوانده را کتاب از فصل آن متن خواننده چنانچه که باشند گونهای به مثالها است شده سعی واقع در و است. شده ارایه نیز توضیحهایی مثال حل روند در دلیل همین به شود مثال حل نحوهی متوجه بتواند نیز باشد در که باشد دانشجویانی و مهندسان از دسته آن برای مناسبی راهنمای میتواند حاضر کتاب ترتیب این به ندارند. مبدلها با مناسبی قبلی آشنایی و داشته فعالیت شیمی مهندسی و مکانیک مهندسی زمینهی و تحلیل برای مختلفی نرمافزارهای است. انکار قابل غیر امروز دنیای صنعت در نرمافزارها نقش رد کرد. اشاره Aspen B-JAC نرمافزار به میتوان آنها معروفترین از که دارند وجود مبدلها طراحی طراحی به ترتیب به که Aspen B-JAC نرمافزار از Teams و Hetran برنامهی دو کتاب پایانی فصل به کتاب ششم فصل در که مثالی دو و شده داده آموزش هستند مربوط لولهپوسته مبدل مکانیکی و حرارتی شدهاند. مقایسه هم با آنها پاسخهای و حل نرمافزار کمک به هشتم فصل در شدند حل دستی صورت مشتاق دانشجویان به حرارتی مبدلهای مفاهیم آموزش در موثری نقش بتواند کتاب این است امید باشد. داشته دانشگاه مکانیک مهندسی دانشکدهی علمی هیات عضو افشین حسین دکتر جناب از میدانم الزم خود بر اینجا در با درسی واحد این گذراندن از پس کتاب این اصلی ایدهی که حرارتی«مبدلهای»طراحی مدرس شریف صنعتی ایشانبهوجودآمد کمالتقدیروتشکرراداشتهباشم. ابوالمعالی مصطفیزاده علی

5 پیشگفتار شرکت سینوس گسترش دانش در شاخه های مختلف جزو اولین اهداف کالن هر مجموعه دانش بنیان است که تحقق آن می تواند سهم به سزایی در پیشرفت و اعتالی هر کشور ایفا نماید. طی سال های گذشته در کشور عزیزمان ایران سرعت پیشرفت علوم در شاخه های مختلف و به ویژه در رشته های فنی و مهندسی بسیار چشمگیر و مورد توجه بوده است. شاید به جرات بتوان گفت یکی از دالیل این موفقیتها تجلی روح خودباوری در میان جامعه علمی کشور است که به دلیل برقراری تحریم های مختلف از سوی کشورهای خارجی است. جریان اقتصادی و سیاسی حاکم بر جهان به سمت و سویی است که به هیچ عنوان حاضر به پذیرش پیشرفت علمی و اقتصادی کشورهای مستقل نمی باشد. در این بین با عنایت خداوند متعال و همت جامعه علمی کشور عزیزمان ایران شاهد پیشرفتهای خیرهکننده ای در شاخه های مختلف صنعتی از جمله: ½ ½فناوری صلحآمیز هستهای ½ ½هوا و فضا ½ ½نفت گاز و پتروشیمی ½ ½داروسازی ½ ½ارتباطات و سایر موارد هستیم. شرکت مهندسی سینوس 90 درجه با در اختیار داشتن مهندسان نخبه و باتجربه در دپارتمان های مختلف مهندسی طی سال های گذشته سهمی هرچند کوچک در پیشرفت و اعتالی این مرزوبوم ایفا نموده است. این شرکت تا به حال پروژه های صنعتی مختلفی را در حوزه های متعدد صنعتی و تحقیقاتی با موفقیت به انجام رسانده است. بدنه اصلی شرکت شامل معاونت فنی مهندسی در 12 دپارتمان به شرح ذیل است: 1. دپارتمان مهندسی برق 2. دپارتمان مهندسی مکانیک 3. دپارتمان مهندسی عمران 4. دپارتمان مهندسی شیمی 5. دپارتمان مهندسی صنایع 6. دپارتمان مهندسی هوافضا 7. دپارتمان مهندسی کامپیوتر 8. دپارتمان مهندسی راه آهن 9. دپارتمان مهندسی نفت گاز و پتروشیمی 10. دپارتمان مهندسی معماری 11. دپارتمان مهندسی خودرو 12. دپارتمان مهندسی معدن

6 پروژههای مشاهده و بیشتر آشنایی برای است. تخصصی گروه زیر چندین شامل دپارتمان هر درجه 90 سینوس مهندسی شرکت رسمی وبسایت به میتوانید مختلف دپارتمانهای در شده انجام نمایید. مراجعه آدرس به»Aspen B-JAC نرمافزار آموزش همراه به حرارتی مبدلهای»طراحی عنوان تحت حاض کتاب توجه با است. شده تهیه کاربردی طراحی و انرژی تبدیل گروه مکانیک مهندسی دپارتمان توسط نیروگاهی پروژههای قبیل از مهندسی مختلف پروژههای در حرارتی مبدلهای گسترده کاربرد به مبدلهای طراحی در Aspen B-JAC نرمافزار کارایی و اهمیت به توجه با و دیگر موارد و پاالیشگاهی توسعه و تحقیق واحد حیطه این در فارسی زبان به مفید علمی منابع کمبود همچنین و حرارتی حاصل کتاب این نمود. کتاب این انتشار به تصمیم مدون برنامهریزی با مکانیک مهندسی دپارتمان نظارت و هدایت میباشد. مصطفیزاده مهندس آقای جناب اجرایی و تحقیقاتی سوابق و تجربیات جوزانی جعفری یاسر مهندس آقای جناب شرکت مهندسی فنی معاونت توسط کتاب این راهبردی است. گرفته صورت در زیادی زحمات که قهرمانی طاهره و کیاء مریم خانم سرکار خوب همکاری از پایان در دانشگاهی نشر صمیمانه همکاری از همچنین میگردد. تشکر داشتند عهده بر کتاب این آمادهسازی تدوین تیم کنار در کتاب آمادهسازی طول در که عمرانی پیمان و تجملی علیرضا آقایان جناب کیان میپذیرد. صورت قدردانی و تشکر کمال بودهاند کتاب آمادهسازی و همکاری به دعوت تشکر با توسعه و تحقیق واحد درجه 90 سینوس مهندسی شرکت و تحقیقاتی و صنعتی پروژههای در همکاری به عالقهمند فارغالتحصیالن و دانشجویان کلیه از در تحصیلی( مقاطع )کلیه مهندسی و فنی رشتههای در کاربردی کتابهای ترجمه و تالیف نیز سینوس مهندسی شرکت رسمی وبسایت به مراجعه با تا میآید عمل به دعوت ایران سراسر پژوهشی تحصیلی سوابق ثبت به نسبت همکاری به دعوت بخش آدرس به نمایند. اقدام شرکت این با همکاری جهت خود کاری و

7 یاد و ر وار خا خا ن ج ی مرحومه قمرتاج خانلرخانی در سال 1296 در شهر کرمانشاه دیده به جهان گشود. وی در طول حیات پر برکت خود با وجود مشکالت و سختیهای زیاد در زندگی هرگز دست از مقاومت و تالش نکشید. ایشان در طول زندگی و حتی پس از وفات خود همواره مشوق و یاریرسان جوانان در زمینههای مختلف علمی و فرهنگی بوده است. مرحومه قمرتاج خانلرخانی در اسفندماه سال 1391 به دیار باقی شتافت.»روحش شاد یادش گرامیباد«

8

9 مطالب فهرست مطالب جمعبندی و پیشزمینه صفر: فصل کتاب بر مروری کتاب همراه DVD -2-0 حرارتی مبدلهای انواع معرفی اول: فصل بازیاب و بهبوددهنده حرارت انتقال فرایندهای ساخت هندسهی حرارت انتقال سازوکارهای 4-1- جریان آرایش 5-1- مسیر تعداد سیال تعداد فشردگی میزان مبدل ساخت و طراحی در کلی مالحظات 9-1- حرارتی مبدلهای گرمایی طراحی روشهای : دوم فصل حرارتی مبدل مسایل انواع حرارتی مبدلهای گرمایی تحلیل برای اساسی معادالت )LMTD( لگاریتمی میانگین دمای اختالف روش ε-ntu روش -4-2 کالریک دمای حرارتی مبدلهای طراحی روند 6-2- داخلی جریان در تکفازی فشار افت و حرارت انتقال روابط : سوم فصل دایروی مجراهای در داخلی جریان 1-3- آرام جریان در اجباری جابهجایی متالطم جریان در اجباری جابهجایی 3-3- داخلی جریان در فشار افت محاسبهی سیال کردن پمپ برای نیاز مورد توان 5-3- لولهای دو حرارتی مبدل : چهارم فصل 87 لولهای... دو مبدلهای معایب و مزایا ویژگیها معرفی 1-4- پره بدون تکلوله لولهای دو مبدل طراحی 2-4- سری-موازی لولهای دو مبدلهای 3-4-

10 10 طراحی مبدلهای حرارتی فصل پنجم : آشنایی با مبدل حرارتی لوله پوسته 1-5- معرفی مبدل لولهپوسته استانداردهای طراحی و ساخت اجزای اصلی مبدلهای لولهپوسته دیوارک طبقهبندی مبدلهای لولهپوسته بر اساس ساخت صفحهی برخورد )محافظ برخورد( صفحهلوله اتصال لولهها به صفحهلوله لولهها آرایش لولهها فصل ششم : طراحی مبدل حرارتی لولهپوسته 1-6- پارامترهای اصلی در طراحی مبدل لولهپوسته ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت لوله مدل ایدهآل سیال سمت پوسته مدل تینکر برای سیال سمت پوسته محاسبهی ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت پوسته طراحی و تعیین عملکرد مبدل لولهپوسته فصل هفتم : آشنایی با مبدل سرمایش با هوا 1-7- معرفی مبدل سرمایش با هوا استاندارد طراحی مزایا و معایب مبدل سرمایش با هوا جریان هوای دمشی و مکشی اجزای مبدل سرمایش با هوا دستهلوله و اجزای مرتبط با آن سازهی مبدل فن نویز در مبدل سرمایش با هوا روشهای کنترل دما فصل هشتم : نرمافزار Aspen B-JAC -1-8 معرفی برنامهی... Hetran معرفی برنامهی Teams 3-8- انتقال اطالعات از Hetran به Teams 4-8- یک مثال تعیین عملکرد یک مثال طراحی پیوستها مراجع...272

11 فصل صفر پیشزمینه و جمعبندي مطالب در این فصل مروري کلی بر مطالب بیان شده در فصلهاي اول تا هشتم کتاب انجام شده است تا خواننده در همین ابتدا با آنچه قرار است مطرح شود آشنا گردد مروري بر کتاب فصل اول در فصل نخست کتاب ابتدا مبدل حرارتی تعریف شده و سپس معیارهاي مختلف طبقهبندي آنها بیان میگردد. بر این اساس هشت معیار مختلف براي طبقهبندي مبدلها بیان میشود: بهبوددهنده و بازیاب 1. فرایندهاي انتقال شامل تماس مستقیم و تماس غیرمستقیم 2. هندسهي ساخت شامل لولهاي صفحهاي سطوح پرهدار 3. نوع انتقال حرارت شامل تک فاز یا دوفازي 4. آرایش جریان شامل همسو ناهمسو و عمود (متقاطع) 5. تعداد گذر 6. تعداد سیال 7. میزان فشردگی. 8.

12 12 ﻃﺮاﺣﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ ﻫﺮ ﮐﺪام از ﻣﻌﯿﺎرﻫﺎي ﻃﺒﻘﻪﺑﻨﺪي ﺑﻪ ﻃﻮر ﮐﺎﻣﻞ ﺗﻮﺿﯿﺢ داده ﻣﯽﺷﻮد و ﻣﺜﺎلﻫـﺎﯾﯽ ﺑـﺮاي ﻫـﺮ ﮐـﺪام ﺑﯿﺎن ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ. در اﻧﺘﻬﺎي ﻓﺼﻞ ﻧﺨﺴﺖ ﻣﻼﺣﻈﺎت ﮐﻠﯽ در ﻃﺮاﺣﯽ و ﺳﺎﺧﺖ ﻣﺒﺪلﻫﺎ ﺑﯿﺎن ﻣﯽﺷﻮد ﮐـﻪ اﯾﻦ ﻧﮑﺎت ﺑﺎﯾﺪ در ﺳﺮﺗﺎﺳﺮ ﮐﺘﺎب و ﻫﻢﭼﻨﯿﻦ در ﮐﺎرﺑﺮدﻫﺎي ﻋﻤﻠﯽ ﻣﺪ ﻧﻈﺮ ﻗﺮار ﮔﯿﺮد ﻓﺼﻞ دوم در ﻓﺼﻞ دوم ﮐﺘﺎب ﻣﺒﺎﻧﯽ ﻃﺮاﺣﯽ ﺣﺮارﺗﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎ ﻣﻮرد ﺑﺮرﺳﯽ ﻗﺮار ﻣﯽﮔﯿﺮد. ﻣﺴﺎﯾﻞ ﻣﺒـﺪل ﺣﺮارﺗـﯽ ﺑﻪ دو دﺳﺘﻪ ﺗﻘﺴﯿﻢ ﻣﯽﺷﻮد :.1 ﻣﺴﺎﯾﻞ ﺗﻌﯿﯿﻦ ﻋﻤﻠﮑﺮد.2 ﻣﺴﺎﯾﻞ ﻃﺮاﺣﯽ. وﯾﮋﮔﯽﻫﺎ و ﺗﻔﺎوتﻫﺎي ﻫﺮ دو ﻧﻮع ﻣﺴﺎﻟﻪ در اﯾﻦ ﻓﺼـﻞ ﺑﯿـﺎن ﺷـﺪه و ﭘـﺲ از آن ﻣﻌـﺎدﻻت ﭘﺎﯾـﻪي اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑﺮاي ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺟﺮﯾﺎن ﻫﻤﺴﻮ و ﻧﺎﻫﻤﺴﻮ ﻧﻮﺷﺘﻪ ﻣﯽﺷﻮد. ﭘﺎراﻣﺘﺮ ﻣﻬﻢ ) U ﺿﺮﯾﺐ اﻧﺘﻘـﺎل ﺣﺮارت ﮐﻠﯽ( در ﻣﺒﺪلﻫﺎ ﺗﻌﺮﯾﻒ ﻣﯽﺷﻮد و در اداﻣﻪ ﻧﺤﻮهي ﻣﺤﺎﺳﺒﻪي آن ﺑﯿﺎن ﻣﯽﮔﺮدد. ﺑـﺮاي ﺗﻌﯿـﯿﻦ U ﻣﻔﺎﻫﯿﻢ دﯾﮕﺮي ﻧﻈﯿﺮ ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ و ﺿﺮﯾﺐ رﺳﻮب ﻧﯿﺰ ﻣﻌﺮﻓﯽ و ﺑﺮرﺳﯽ ﺧﻮاﻫﻨﺪ ﺷـﺪ. در اداﻣـﻪ ﻧﯿﺰ رواﺑﻂ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑﺮاي ﭘﺮهﻫﺎي ﺳﻮزﻧﯽ و ﻣﺴﺘﻄﯿﻠﯽ ﺑﯿﺎن ﻣﯽﺷﻮد. ﺑﻪ ﻣﻨﻈﻮر ﺗﺤﻠﯿﻞ ﻣﺴﺎﯾﻞ ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ ﭘﻨﺞ روش اﺑﺪاع ﺷﺪه اﺳﺖ :.1 روش اﺧﺘﻼف دﻣﺎي ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﻟﮕﺎرﯾﺘﻤﯽ ) (.2 روش ﮐﺎراﯾﯽ - ﺗﻌﺪاد واﺣﺪﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل ) (ε.3 روش.4 روش ψ.5 روش. P در ﻓﺼﻞ دوم ﺗﻨﻬﺎ ﺑﻪ ﺑﺮرﺳﯽ دو روش اﺻﻠﯽ LMTD و ε ﭘﺮداﺧﺘﻪ ﻣﯽﺷـﻮد زﯾـﺮا اﯾـﻦ دو روش ﺷﻨﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪهﺗﺮ و ﺳﺎدهﺗﺮ از ﺳﺎﯾﺮ روشﻫﺎ ﻫﺴﺘﻨﺪ. در اداﻣﻪ روﻧﺪ ﺗﺤﻠﯿﻞ ﻣﺒﺪلﻫـﺎي ﺣﺮارﺗـﯽ ﺑـﺎ ﺟﺮﯾﺎن ﻋﻤﻮدي و ﭼﻨﺪﮔﺬر ﺗﻮﺳﻂ روش LMTD ﺑﯿﺎن ﺷﺪه و ﺿﺮﯾﺐ ﺗﺼﺤﯿﺢ F ﺑـﺮاي اﺳـﺘﻔﺎده در اﯾـﻦ روش ﻣﻌﺮﻓﯽ ﻣﯽﮔﺮدد و ﻧﻤﻮدارﻫﺎي ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﺿﺮﯾﺐ ﺗﺼﺤﯿﺢ در ﺷﮑﻞﻫـﺎي ) (5-2 ﺗـﺎ ) (11-2 ﺑـﺮاي اﻧﻮاع آراﯾﺶﻫﺎي ﻣﺒﺪل آورده ﻣﯽﺷﻮد. ﭘﺲ از ﻣﻌﺮﻓﯽ روش LMTD روش اﺳﺘﻔﺎده از آن ﺑﯿﺎن ﻣﯽﺷﻮد. ε در ﻃﺮاﺣـﯽ ﻣﺒـﺪلﻫـﺎي ﺣﺮارﺗـﯽ ﻣﻌﺮﻓـﯽ و ﻧﺤـﻮهي در اداﻣﻪي ﻓﺼﻞ دوم دﻣﺎي ﮐﺎﻟﺮﯾﮏ ﻣﻌﺮﻓﯽ ﻣﯽﺷﻮد و رواﺑﻂ و ﻧﻤﻮدارﻫـﺎي ﻣﺮﺑـﻮط ﺑـﻪ اﯾـﻦ دﻣـﺎ ﺑﯿﺎن ﻣﯽﮔﺮدﻧﺪ. در ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ ﺑﺮاي ﻣﺤﺎﺳﺒﻪي ﺧﻮاﺻﯽ ﻧﻈﯿﺮ ﭼﮕﺎﻟﯽ ﻟﺰﺟﺖ ﻋﺪد ﭘﺮاﻧﺘﻞ و ﺳﺎﯾﺮ ﻣﻮارد ﺑﻬﺘﺮ اﺳﺖ ﺑﻪ ﺟﺎي اﺳﺘﻔﺎده از دﻣﺎي ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﺣﺴﺎﺑﯽ ﺳﯿﺎلﻫﺎي ﺳﺮد و ﮔـﺮم از دﻣـﺎي ﮐﺎﻟﺮﯾـﮏ

13 ﻓﺼﻞ ﺻﻔﺮ : ﭘﯿﺶزﻣﯿﻨﻪ و ﺟﻤﻊﺑﻨﺪي ﻣﻄﺎﻟﺐ 13 اﺳﺘﻔﺎده ﮔﺮدد ﺗﺎ ﺧﻄﺎ در ﻣﺤﺎﺳﺒﺎت ﮐﺎﻫﺶ ﯾﺎﺑﺪ. در اﻧﺘﻬـﺎي ﻓﺼـﻞ دوم ﻧﯿـﺰ روﻧـﺪ ﻃﺮاﺣـﯽ ﻣﺒـﺪلﻫـﺎي ﺣﺮارﺗﯽ در ﻫﺮ دو روش LMTD و ε ﺑﯿﺎن ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ. ﺑﻪ ﻣﻨﻈﻮر ﺗﺒﯿﯿﻦ ﺑﻬﺘﺮ ﻣﻔﺎﻫﯿﻢ اﯾـﻦ ﻓﺼـﻞ در ﻣﺠﻤﻮع ﺷﺶ ﻣﺜﺎل ﻧﯿﺰ ﺑﯿﺎن و ﺑﻪ ﺻﻮرت ﺗﺸﺮﯾﺤﯽ ﭘﺎﺳﺦ داده ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ ﻓﺼﻞ ﺳﻮم در اﯾﻦ ﮐﺘﺎب ﺑﻪ ﻣﻌﺮﻓﯽ و ﻃﺮاﺣﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺑﺎ ﺟﺮﯾﺎن ﺗﮏﻓﺎز ﭘﺮداﺧﺘـﻪ ﺷـﺪه اﺳـﺖ ﺑـﻪ ﻫﻤـﯿﻦ دﻟﯿـﻞ در ﻓﺼﻞ ﺳﻮم ﮐﺘﺎب رواﺑﻂ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت و اﻓﺖ ﻓﺸﺎر در ﺟﺮﯾـﺎنﻫـﺎي ﺗـﮏﻓـﺎز داﺧﻠـﯽ ﺑﯿـﺎن ﻣـﯽﺷـﻮﻧﺪ. ﺟﺮﯾﺎنﻫﺎي ﻣﻮﺟﻮد در ﻣﺒﺪلﻫﺎي دوﻟﻮﻟﻪاي و ﻟﻮﻟﻪﭘﻮﺳﺘﻪ از ﻧـﻮع ﺟﺮﯾـﺎن داﺧﻠـﯽ ﻫﺴـﺘﻨﺪ و ﺑـﻪ ﻣﻨﻈـﻮر ﻃﺮاﺣﯽ و ﺗﺤﻠﯿﻞ اﯾﻦ ﻣﺒﺪلﻫﺎ ﺑﺎﯾﺪ ﺑﺎ اﯾﻦ ﻧﻮع ﺟﺮﯾﺎن آﺷﻨﺎﯾﯽ ﮐﺎﻣﻞ وﺟﻮد داﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﺪ ﺑﻪ ﻫﻤﯿﻦ دﻟﯿـﻞ در اﺑﺘﺪاي ﻓﺼﻞ ﺳﻮم ﺟﺮﯾﺎنﻫﺎي داﺧﻠﯽ در ﻣﺠﺮاﻫﺎي داﯾﺮوي ﻣﻌﺮﻓﯽ و ﻣﻔﺎﻫﯿﻢ و رواﺑﻂ ﻣﻮرد ﻧﯿﺎز ﺟﻬـﺖ ﺗﺤﻠﯿﻞ اﯾﻦ ﺟﺮﯾﺎن ﺑﯿﺎن ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ. در اﯾﻦ ﻓﺼﻞ اﻧﻮاع ﺟﺮﯾﺎنﻫﺎي آرام و ﻣﺘﻼﻃﻢ ﺑﺮرﺳﯽ ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ و ﭘﺲ از آن ﺟﺮﯾـﺎن در ﻣﺠﺮاﻫـﺎي ﺣﻠﻘﻮي ﻧﯿﺰ ﻣﻌﺮﻓﯽ ﻣﯽﮔﺮدﻧﺪ. در ﻓﺼﻞ ﺳﻮم رواﺑﻂ ﻣﺘﻌﺪدي ﺟﻬﺖ ﻣﺤﺎﺳﺒﻪي ﻋـﺪد ﻧﺎﺳـﻠﺖ ﺟﺮﯾـﺎن در ﺷﺮاﯾﻂ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻧﻈﯿﺮ ﻃﻮل ورودي ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ ﻃﻮل ورودي ﻫﯿﺪرودﯾﻨﺎﻣﯿﮑﯽ و ﺣﺎﻟﺖ ﺗﻮﺳﻌﻪ ﯾﺎﻓﺘﻪ ﻣﻌﺮﻓﯽ ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ و ﻧﺤﻮهي ﮐﺎرﺑﺮد آنﻫﺎ در ﻣﺜﺎلﻫﺎي ﻓﺼﻞ ﺳﻮم ﺗﻮﺿﯿﺢ داده ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ ﻓﺼﻞ ﭼﻬﺎرم ﻓﺼﻞ ﭼﻬﺎرم ﮐﺘﺎب ﺑﻪ ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ دوﻟﻮﻟﻪاي اﺧﺘﺼﺎص ﻣﯽﯾﺎﺑﺪ. ﻣﺒﺪل دوﻟﻮﻟـﻪاي ﯾﮑـﯽ از ﻣﺒـﺪلﻫـﺎي ﭘﺮﮐﺎرﺑﺮد در ﺻﻨﺎﯾﻊ ﻣﺨﺘﻠﻒ اﺳﺖ و ﻃﺮاﺣﯽ آن ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻣﺒﺪل ﻟﻮﻟﻪﭘﻮﺳﺘﻪ ﺳـﺎدهﺗـﺮ اﺳـﺖ. در اﺑﺘـﺪاي ﻓﺼﻞ ﭼﻬﺎرم وﯾﮋﮔﯽﻫﺎ ﻣﺰاﯾﺎ و ﻣﻌﺎﯾﺐ اﯾـﻦ ﻣﺒـﺪل ﻣﻌﺮﻓـﯽ ﻣـﯽﺷـﻮد و در اداﻣـﻪ روﻧـﺪ ﻃﺮاﺣـﯽ ﻣﺒـﺪل دوﻟﻮﻟﻪاي ﺑﺪون ﭘﺮه ﺗﻮﺿﯿﺢ داده ﻣﯽﺷﻮد. در اداﻣﻪ ﻧﯿﺰ ﻣﺒﺪلﻫـﺎي دوﻟﻮﻟـﻪاي ﺳـﺮي - ﻣـﻮازي ﻣﻌﺮﻓـﯽ ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ و ﺳﻪ روش ﺑﻪ ﻣﻨﻈﻮر ﺗﺤﻠﯿﻞ آنﻫﺎ ﺑﯿﺎن ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ :.1 ﭘﺎراﻣﺘﺮ S.2 ﺿﺮﯾﺐ ﺗﺼﺤﯿﺢ.3.ε در ﻣﺜﺎل 1-4 روﻧﺪ ﻃﺮاﺣﯽ ﯾﮏ ﻣﺒﺪل دوﻟﻮﻟﻪاي ﺗﻮﺿﯿﺢ داده ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ ﻓﺼﻞ ﭘﻨﺠﻢ ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ اﻫﻤﯿﺖ ﻓﺮاوان و ﮐﺎرﺑﺮد ﮔﺴﺘﺮدهي ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ ﻟﻮﻟﻪﭘﻮﺳﺘﻪ ﻓﺼﻞﻫﺎي ﭘﻨﺠﻢ و ﺷﺸﻢ ﮐﺘﺎب ﺑﻪ اﯾﻦ ﻧﻮع ﻣﺒﺪل اﺧﺘﺼﺎص ﯾﺎﻓﺘﻪ اﺳﺖ. در ﻓﺼﻞ ﭘﻨﺠﻢ ﭘﺲ از ﻣﻌﺮﻓﯽ اﯾﻦ ﻣﺒﺪل اﺳﺘﺎﻧﺪاردﻫﺎي ﻃﺮاﺣـﯽ

14 14 طراحی مبدلهاي حرارتی و ساخت آن مورد بررسی قرار خواهد گرفت. همانطور که اشاره خواهد شد استاندارد TEMA بر ساخت و طراحی مبدلهاي لولهپوسته نظارت دارد. در ادامه اجزاي اصلی مبدلهاي لولهپوسته شامل انواع سرهاي جلویی پوستهها و سرهاي عقبی معرفی میشوند. سایر اجزاي این مبدل نظیر دیواركها و صفحهي برخورد نیز به تفصیل در این فصل بررسی میگردند. در انتهاي فصل نیز انواع آرایش لولهها در مبدل لولهپوسته بررسی خواهند شد فصل ششم پس از معرفی استانداردها و اجزاي مختلف مبدل لولهپوسته در فصل پنجم در فصل ششم نحوهي طراحی مبدل حرارتی لولهپوسته بیان میشود. پارامترهاي اساسی در طراحی این مبدل شامل نوع ساخت مبدل تعیین سمت جریان انتخاب لولهها آرایش لولهها تعداد پوسته و مسیرهاي آن تعداد لوله و مسیرهاي آن و نوع دیوارك و فاصلهي میان آنها به طور دقیق مورد بررسی قرار میگیرد. در ادامه نحوهي به دست آوردن ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت لولهها بیان میشود ولی مسالهي اصلی در طراحی مبدل لولهپوسته جریان سمت پوسته است. مدلهاي متنوعی جهت تحلیل جریان سمت پوسته وجود دارد که در فصل ششم به دو مدل اشاره شده است: 1. مدل ایدهآلی سیال سمت پوسته 2. مدل تینکر. در ادامه سه روش براي محاسبهي ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت پوسته بیان میشوند: 1. روش کرن 2. روش تابورك 3. روش بل- دلاور. در انتهاي این فصل روند تحلیل مسایل تعیین عملکرد و طراحی مبدلهاي لولهپوسته بیان و هر کدام در قالب یک مثال به صورت شفاف توضیح داده خواهند شد فصل هفتم یکی از مبدلهاي پرکاربرد در صنایع پتروشیمی مبدل سرمایش با هواست. در فصل هفتم پس از معرفی این مبدل به استاندارهاي طراحی و مزایا و معایب آن پرداخته میشود. انواع دمشی و مکشی این مبدل معرفی و سپس مزایا و معایب هر نوع بیان میگردد. در ادامه نیز اجزاي این مبدل معرفی و بررسی شده و روشهاي کنترل دما در مبدل سرمایش با هوا شامل ایجاد جریان کنارگذر بادگیر کنترل سرعت فن و پرههاي فن با گام متغیر بیان میشوند. همچنین روش کنترل دماي هواي مبدل در شرایط جوي بسیار سرد مانند استفاده از کویل و گردش مجدد هوا نیز توضیح داده خواهند شد.

15 فصل هشتم فصل صفر: پیشزمینه و جمعبندي مطالب 15 هدف از فصل هشتم کتاب آشنایی با یکی از نرمافزارهاي طراحی مبدلهاي حرارتی است. در بین نرمافزارهاي متعدد موجود براي طراحی مبدل به جهت سهولت کاربرد استفاده قرار می گیرد و برنامههاي نرمافزار Aspen B-JAC Hetran و Teams مورد از این نرمافزار جهت طراحی حرارتی و مکانیکی مبدل لولهپوسته معرفی میشوند. پس از آموزش هر دو برنامه مثالهاي تعیین عملکرد و طراحی فصل ششم توسط نرمافزار نیز تحلیل و نتایج حاصل با نتایج به دست آمده در فصل ششم مقایسه خواهند شد DVD همراه کتاب.1.2 به همراه کتاب یک DVD شامل موارد زیر ارایه شده است تا خواننده ضمن دسترسی آسان به منابع مورد استفاده در این کتاب خود را براي درك بهتر و عمیقتر و مطالعات تخصصیتر آماده کند: نرمافزار Aspen B-JAC برخی مراجع و کتابهاي انتقال حرارت و مبدل حرارتی. به هر حال دنیاي مبدلها بسیار گستردهتر از آن است که بتوان در قالب یک کتاب تمامی مفاهیم و اصول آنها را آموزش داد. خواننده میتواند براي گسترش دانش خود در این زمینه به مراجع موجود در این قسمت مراجعه نماید.

16 16 طراحی مبدلهاي حرارتی

17 فصل آنچه در این فصل میخوانید: طبقهبندي مبدلهاي حرارتی ملاحظات کلی در طراحی مبدلها. 1 معرفی انواع مبدلهاي حرارتی مبدله يا 1 حرارتی متنوعی در صنایع گوناگون از جمله تولید قدرت فرایندهاي شیمیایی صنایع غذایی الکترونیک مهندسی محیط زیست بازیافت حرارت صنایع ساخت تهویهي 2 مطبوع تجهیزات برودتی و کاربردهاي فضایی استفاده میشوند. هدف از این فصل از کتاب توضیح مختص ري دربارهي انواع این مبدلها و طبقهبندي آنهاست. به طور کلی مبدله يا حرارتی بر اساس فرایندهاي انتقال حرارت تعداد سیال کاري میزان فشردگی خصوصیات ساختاري آرایش جریان و ساز و کار انتقال حرارت دستهبندي میشوند. در فصلهاي آتی کتاب به طور خاص به نحوهي طراح ی مبدلهاي دو لولهاي لولهپوسته و مبدل سرمایش با هوا خواهیم پرداخت. سپس روش طراحی مبدله يا نرمافزار Aspen B-JAC آموزش داده شده و در نهایت به حل چند مثال میپردازیم. لولهپوسته و سرمایش با هوا توسط مبدل حرارتی دستگاهی براي انتقال حرارت بین حداقل دو محیط است. مبدلهاي کمی وجود دارند که در آنها سیالات کاري در تماس مستقیم با هم هستند. در بیشتر مبدلها سیالات کاري توسط جدارهي جامدي از هم جدا میشوند. به طور کلی مبدلها براساس معیارهاي زیر طبقهبندي میشوند. 1. Heat exchangers 2. Air conditioning

18 18 طراحی مبدلهاي حرارتی 2 1 بهبوددهنده و بازیاب فرایندهاي انتقال شامل تماس مستقیم و تماس غیرمستقیم هندسهي ساخت شامل لولهاي صفحهاي سطوح پرهدار نوع انتقال حرارت شامل تک فاز یا دوفازي آرایش جریان شامل همسو ناهمسو و عمود 3 تعداد گذر تعداد سیال میزان فشردگی بهبوددهنده و بازیاب مبدلها از نظر نوع ساختمان به دو دستهي کلی تقسیم میشوند. در نوع بهبوددهنده انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم به طور پیوسته و از طریق یک سطح میانی صورت میگیرد. در نوع دیگر مبدلها که به بازیاب معروفند انتقال حرارت بین سیال گرم و سرد به طور متناوب و با استفاده از یک عامل خارجی انجام میشود به این شکل که سیال گرم انرژي خود را به دیوارههاي مسیر داده و سپس سیال سرد با عبور از همان مسیر انرژي را از دیوارهها میگیرد. در شکل (1-1) قسمت فلا( ( این نوع بازیاب دیده میشود. گاهی نیز جسمی دوران کننده وجود دارد که به طور متناوب وارد سیال گرم شده و بعد از افزایش انرژي درونی چرخیده و وارد سیال سرد میشود و انرژي ذخیره شده در خود را آزاد میکند. چنین موردي در شکل (1-1) قسمت (ب) ملاحظه میشود. بر این مبنا بازیاب به دو نوع دورانی و ساکن تقسیمبندي میشود. از مبدلهاي بازیاب در توربینهاي گازي پیشگرمایش هوا در کورههاي ذوب آهن شیشه و کورههاي ذوب استیل استفاده میشود. 1. Recuperator 2. Regenerator 3. Pass

19 ﻓﺼﻞ اول : ﻣﻌﺮﻓﯽ اﻧﻮاع ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ 19 ﺷﮑﻞ) (1-1 اﻟﻒ( ﺑﺎزﯾﺎب ﺳﺎﮐﻦ ب( ﺑﺎزﯾﺎب دوراﻧﯽ -2-1 ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑﻬﺒﻮددﻫﻨﺪهﻫﺎ ﺑﺮاﺳﺎس ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑﻪ دو ﻧﻮع ﺗﻤﺎس ﻣﺴﺘﻘﯿﻢ 1 و ﻏﯿﺮﻣﺴﺘﻘﯿﻢ 2 ﺗﻘﺴﯿﻢﺑﻨﺪي ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ. در ﻧﻮع ﺗﻤﺎس ﻣﺴﺘﻘﯿﻢ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑﯿﻦ ﺳﯿﺎل ﺳﺮد و ﮔﺮم ﺑﻪ دﻟﯿﻞ ﺗﻤﺎس ﻣﺴﺘﻘﯿﻢ دو ﺳﯿﺎل ﺑﺎ ﻫﻢ اﺗﻔﺎق ﻣﯽاﻓﺘﺪ. ﺑﺮاي ﻧﻤﻮﻧﻪ در ﺑﺮجﻫﺎي ﺧﻨﮏﮐﻦ آب از ﺑﺎﻻي ﺑﺮج اﺳﭙﺮي ﺷﺪه و وﻗﺘﯽ ﺑﺎ ﺟﺮﯾﺎن ﻫﻮاي ﺑﺎﻻروﻧﺪه ﺑﺮﺧﻮرد ﻣﯽﮐﻨﺪ ﺧﻨﮏ ﻣﯽﺷﻮد. در اﯾـﻦ ﻧـﻮع ﻣﺒـﺪل اﻧﺘﻘـﺎل ﺣـﺮارت و ﺟـﺮم ﻫﻤﺰﻣـﺎن ﺻﻮرت ﻣﯽﮔﯿﺮد. در ﻣﺠﻤﻮع ﺳﻪ وﯾﮋﮔﯽ اﺻﻠﯽ اﯾﻦ ﻧﻮع ﻣﺒﺪل در ﻣﻘﺎﯾﺴﻪ ﺑﺎ ﮔﻮﻧﻪي ﻏﯿﺮﻣﺴﺘﻘﯿﻢ ﻋﺒـﺎرت اﺳﺖ از :.1 ﻗﺎﺑﻠﯿﺖ دﺳﺘﯿﺎﺑﯽ ﺑﻪ ﺿﺮﯾﺐ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑﺎﻻ.2 ﻫﺰﯾﻨﻪي ﺳﺎﺧﺖ ﮐﻤﺘﺮ.3 ﻋﺪم ﻣﺸﮑﻼت رﺳﻮبﮔﯿﺮي ﺑﻪ ﺧﺎﻃﺮ ﺑﯽﻧﯿﺎزي از ﺳﻄﺢ واﺳﻂ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت. در ﻧﻮع ﺗﻤﺎس ﻏﯿﺮﻣﺴﺘﻘﯿﻢ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑـﯿﻦ ﺳـﯿﺎل ﺳـﺮد و ﮔـﺮم از ﻃﺮﯾـﻖ ﯾـﮏ ﺳـﻄﺢ ﻣﯿـﺎﻧﯽ ﺻﻮرت ﻣﯽﭘﺬﯾﺮد. در اﯾﻦ ﺣﺎﻟﺖ اﻧﺘﻘﺎل ﺟﺮم وﺟﻮد ﻧﺪارد و ﺳﻄﺢ ﻣﯿﺎﻧﯽ اﻏﻠﺐ از ﺟﻨﺲ ﻓﻠﺰ اﺳﺖ. ﻣﺒﺪلﻫﺎي دوﻟﻮﻟﻪاي ﻟﻮﻟﻪﭘﻮﺳﺘﻪ و ﺳﺮﻣﺎﯾﺶ ﺑﺎ ﻫﻮا ﻫﺮ ﺳﻪ از ﻧـﻮع ﻣﺒـﺪل ﺑﻬﺒﻮددﻫﻨـﺪهي ﺗﻤـﺎس ﻏﯿﺮﻣﺴﺘﻘﯿﻢ ﻫﺴﺘﻨﺪ. در ﺷﮑﻞ ) (2-1 دﺳﺘﻪﺑﻨﺪي ﻣﺒﺪلﻫﺎ ﺑﺮ اﺳﺎس ﺑﻬﺒﻮددﻫﻨﺪه و ﺑﺎزﯾﺎب ﺧﻼﺻـﻪ ﺷـﺪه اﺳﺖ. 1. Direct contact 2. Indirect contact

20 20 طراحی مبدلهاي حرارتی شکل (2-1) انواع مبدلهاي بازیاب و بهبوددهنده شکل (3-1) الف) برج خنککن نمونهاي از مبدل تماس مستقیم ب) مبدل دولولهاي نمونهاي از مبدل تماس غیرمستقیم هندسهي ساخت مبدلهاي حرارتی تماس غیرمستقیم اغلب براساس نوع ساختمان به سه دستهي کلی لولهاي صفحهاي و پرهدار تقسیم میشوند.

21 فصل اول : معرفی انواع مبدلهاي حرارتی مبدلهاي حرارتی لولهاي این نوع مبدلها از لولههاي استوانهاي ساخته میشوند. یک سیال در داخل لوله و سیال دیگر در بیرون لوله جریان دارد و انتقال حرارت از طریق دیوارهي لوله صورت میگیرد. طراح میتواند قطر تعداد طول گام و آرایش لولهها را به دلخواه انتخاب کند. این نوع مبدل میتواند به سه دست هي زیر تقسیم شود: مبدل حرارتی دولولهاي مبدل حرارتی لولهپوسته 1 مبدل حرارتی لوله مارپیچی مبدلهاي حرارتی صفحهاي در این نوع مبدلها صفحات نازك بر روي هم قرار میگیرند و با توجه به شیارهاي موجود در این صفحات سیال میتواند از میان صفحات عبور کند. این مبدلها خود به سه دسته تقسیم میشود (شکل 4-1): صفحهاي واشردار 3 صفحهاي مارپیچ 4 برگی مبدلهاي حرارتی پرهدار.1.2 به دلیل کوچک بودن ضریب انتقال حرارت در گازها گاهی در سمت سیال گازي براي افزایش ضریب انتقال حرارت از پره استفاده میکنند. این نوع مبدل در حالتی که هر دو سیال گاز و یا یک سیال گاز باشد قابل استفاده است. یکی از معروفترین مبدلهاي پرهدار مبدل سرمایش با هواست. به طور کلی دو نوع مرسوم این مبدلها عبارتند از (شکل 5-1): 5 صفحهاي پرهدار 6 لولهاي پرهدار. 1. Spiral tube 2. Gasketed plate 3. Spiral plate 4. Lamella 5. Plate-fin 6. Tubular-fin

22 22 طراحی مبدلهاي حرارتی 4-1- سازوکارهاي انتقال حرارت مبدلهاي حرارتی میتوانند بر اساس سازوکارهاي انتقال حرارت به صورت زیر دستهبندي شوند: 1. انتقال حرارت جابهجایی به صورت تکفاز در هر دو سمت 2. یک سمت جابهجایی تکفاز و سمت دیگر جابهجایی دوفاز 3. هر دو سمت جابهجایی دو فاز. توجه شود که حالت دوفازي در شرایط تبخیر و میعان امکانپذیر است. شکل (4-1) الف) مبدل صفحهاي واشردار ب) مبدل صفحهاي مارپیچ ج) مبدل برگی

23 ﻓﺼﻞ اول : ﻣﻌﺮﻓﯽ اﻧﻮاع ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ 23 ﺷﮑﻞ ) (5-1 اﻟﻒ( ﻣﺒﺪل ﺻﻔﺤﻪاي ﭘﺮهدار ب( اﻧﻮاع ﻣﺒﺪل ﻟﻮﻟﻪاي ﭘﺮهدار -5-1 آراﯾﺶ ﺟﺮﯾﺎن ﯾﮑﯽ از ﻣﻬﻢﺗﺮﯾﻦ اﻧﻮاع دﺳﺘﻪﺑﻨﺪي ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ دﺳﺘﻪﺑﻨﺪي ﺑﺮ اﺳﺎس آراﯾﺶ ﺟﺮﯾﺎن اﺳﺖ. ﺑﺮ اﯾـﻦ ﻣﺒﻨﺎ ﺳﻪ ﻧﻮع ﺗﻘﺴﯿﻢﺑﻨﺪي ﺻﻮرت ﻣﯽﮔﯿﺮد :.1 ﺟﺮﯾﺎن ﻫﻤﺴﻮ 1.2 ﺟﺮﯾﺎن ﻧﺎﻫﻤﺴﻮ 2.3 ﺟﺮﯾﺎن ﻋﻤﻮد.3 در ﺟﺮﯾﺎن ﻫﻤﺴﻮ ﻫﺮ دو ﺳﯿﺎل از ﯾﮏ ﺳﻤﺖ وارد ﻣﺒﺪل ﺷﺪه در ﯾﮏ ﺟﻬـﺖ داﺧـﻞ ﻣﺒـﺪل ﺣﺮﮐـﺖ ﻣﯽﮐﻨﻨﺪ و در ﻧﻬﺎﯾﺖ ﺑﺎ ﻫﻢ از ﺳﻤﺖ دﯾﮕﺮ ﻣﺒﺪل ﺧﺎرج ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ. در ﺟﺮﯾﺎن ﻧﺎﻫﻤﺴﻮ ﺳﯿﺎل ﺳـﺮد و ﮔـﺮم از دو اﻧﺘﻬﺎي ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻣﺒﺪل وارد ﺷﺪه در ﺧﻼف ﺟﻬﺖ ﻫﻢ در ﻣﺒﺪل ﺣﺮﮐﺖ ﻣـﯽﮐﻨﻨـﺪ و در ﻧﻬﺎﯾـﺖ از دو ﺳﻤﺖ ﻣﺘﻔﺎوت ﻣﺒﺪل ﺧﺎرج ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ. در ﻧﻮع ﺟﺮﯾﺎن ﻋﻤﻮدي ﺟﻬﺖ ﺣﺮﮐﺖ ﯾﮏ ﺳـﯿﺎل ﻋﻤـﻮد ﺑـﺮ ﺟﻬـﺖ ﺣﺮﮐﺖ ﺳﯿﺎل دﯾﮕﺮ اﺳﺖ. 1. Cocurrent flow 2. Countercurrent flow 3. Cross flow

24 24 طراحی مبدلهاي حرارتی انتخاب نوع آرایش جریان به میزان افت فشار مجاز کارایی مورد نیاز بیشینه و کمین هي سرعت مجاز سیال تنش حرارتی مجاز حداکثر دما ملاحظات لولهکشی و معیارهاي دیگر بستگی دارد. در جریان عمودي گاهی اصطلاح «مخلوطشده» و «مخلوطنشده» بهکار میرود. به عنوان مثال در شکل (6-1) الف جریان سیال یک هم میتواند در راستاي X و هم در راستاي Y حرکت کند و در نتیجه توزیع دما در این سیال در حالت ایدهال تنها تابعی از X خواهد بود و به این جریان مخلوطشده میگویند. در شکل (6-1) ب جریان سیال یک فقط میتواند در راستاي X حرکت کند و در نتیجه توزیع دما در این سیال در حالت ایدهال هم تابع X و هم تابع Y خواهد بود و بنابراین به آن جریان مخلوطنشده میگویند. شایان ذکر است که گاهی یک مبدل میتواند ترکیبی از آرایشهاي همسو ناهمسو و عمود را در بر بگیرد. شکل( 6-1 ) الف) مبدل جریان عمودي مخلوطشده ب) مبدل جریان عمودي مخلوطنشده ج) مبدل جریان همسو و د) مبدل جریان ناهمسو 6-1- تعداد مسیر به دفعاتی که سیال طول مبدل را طی میکند «مسیر» «گذر» یا «پاس» میگویند. براي مثال اگر سیال دوبار طول مبدل را طی کند به این معناست که داراي دوپاس است. در شکل (7-1) شماتیکی از یک مبدل لولهپوسته نشان داده شده است. در این شکل سیال داخل لوله چهار بار و سیال داخل پوسته دوبار طول مبدل را طی میکند بنابراین به این مبدل چهارگذر در لوله و دوگذر در پوسته میگویند.

25 ﻓﺼﻞ اول : ﻣﻌﺮﻓﯽ اﻧﻮاع ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ 25 ﺷﮑﻞ) (7-1 ﻣﺒﺪل ﻟﻮﻟﻪﭘﻮﺳﺘﻪ ﺑﺎ ﭼﻬﺎر ﮔﺬر در ﻟﻮﻟﻪ و دو ﮔﺬر در ﭘﻮﺳﺘﻪ -7-1 ﺗﻌﺪاد ﺳﯿﺎل ﺑﯿﺸﺘﺮ ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ ﻣﻮﺟﻮد ﺣﺮارت را ﺑﯿﻦ دو ﺳﯿﺎل ﻣﺒﺎدﻟـﻪ ﻣـﯽﮐﻨﻨـﺪ و ﻣﺒـﺪلﻫـﺎي ﺣﺮارﺗـﯽ ﺑـﺎ ﺳﻪﺳﯿﺎل ﺑﻪﻃﻮر ﮔﺴﺘﺮدهاي در ﺻﻨﺎﯾﻊ ﺑﺮودﺗﯽ 1 و ﺑﺮﺧﯽ ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ اﺳـﺘﻔﺎده ﻣـﯽﺷـﻮﻧﺪ. ﺑـﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺜﺎل در ﺳﯿﺴـﺘﻢﻫـﺎي ﺟﺪاﺳـﺎزي ﻫـﻮا واﺣـﺪﻫـﺎي ﺟﺪاﺳـﺎزي ﻫﻠﯿـﻮم - ﻫـﻮا ﺧـﺎﻟﺺﺳـﺎزي و ﻣﺎﯾﻊﺳﺎزي ﻫﯿﺪروژن و ﺳﻨﺘﺰ ﮔﺎز آﻣﻮﻧﯿﺎك از ﻣﺒﺪل ﺑﺎ ﺳﻪ ﺳـﯿﺎل اﺳـﺘﻔﺎده ﻣـﯽﺷـﻮد. اﻟﺒﺘـﻪ در ﺑﺮﺧـﯽ ﻣﻮارد ﻣﺒﺪلﻫﺎﯾﯽ ﺑﺎ ﺑﯿﺶ از ده ﺳﯿﺎل ﮐﺎري ﻧﯿﺰ در ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎي ﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ اﺳﺘﻔﺎده ﻣﯽﺷﻮد. ﻃﺮاﺣـﯽ اﯾـﻦ ﻧﻮع ﻣﺒﺪلﻫﺎ ﺑﺴﯿﺎر ﭘﯿﭽﯿﺪه ﺑﻮده و ﺧﺎرج از ﻣﺒﺎﺣﺚ اﯾﻦ ﮐﺘﺎب اﺳﺖ ﻣﯿﺰان ﻓﺸﺮدﮔﯽ در ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺻﻔﺤﻪاي ﺻﻔﺤﻪاي ﭘﺮهدار و ﺑﺎزﯾﺎبﻫﺎ ﭘﺎراﻣﺘﺮي ﺑﻪ ﻧـﺎم» «ﺑـﻪ ﺻـﻮرت زﯾـﺮ ﺗﻌﺮﯾـﻒ ﻣﯽﺷﻮد : ﺳﻄﺢ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺳﻤﺖ ﺳﺮد )ﯾﺎ ﮔﺮم( ﺣﺠﻢ ﻣﺒﺪل ﺳﻤﺖ ﺳﺮد )ﯾﺎ ﮔﺮم( اﯾﻦ ﭘﺎراﻣﺘﺮ در ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﻟﻮﻟﻪﭘﻮﺳﺘﻪ و ﻟﻮﻟﻪاي ﭘﺮهدار ﺑﻪ اﯾﻦ ﺷﮑﻞ ﺗﻌﺮﯾﻒ ﻣﯽﺷﻮد : = ﺳﻄﺢ ﮐﻠﯽ ﺗﺒﺎدل ﺣﺮارت ﺣﺠﻢ ﮐﻞ ﻣﺒﺪل V = = V V = β = β 1. Cryogenic

26 26 طراحی مبدلهاي حرارتی اگر در سمت سیال گازي از 700 و در سمت مایع از 400 بزرگتر باشد مبدل را فشرده به حساب میآورند. در صنایع توربین گازي مبدلهایی با ضریب فشردگی 6600 ساخته شده است. جالب است بدانیم فشردهترین مبدل در طبیعت ریهي انسان است! 9-1- ملاحظات کلی در طراحی و ساخت مبدل در طراحی و ساخت مبدل حرارتی باید به موارد زیر توجه کرد: 1. مبدل باید مشخصات فرایند را ارضا کند یعنی باید نیازهاي مساله مانند دماهاي خروجی افت فشارها و سایر شرایط مورد نظر را برآورده کند. همچنین بتواند تا زمان مشخص شده براي انجام عملیات تعمیر و نگهداري بدون خرابی کار کند 2. مبدل حرارتی باید در برابر وضعیت محیطی خوردگی ناشی از سیال کاري و سیال مورد استفاده هنگام سرویس دستگاه و همچنین در برابر رسوب مقاوم باشد 3. مبدل حرارتی باید قابلیت تعمیر داشته باشد یعنی باید طوري ساخته شود که اجازهي تمیز کردن و تعویض اجزاي آسیبپذیر در مقابل خوردگی سایش و ارتعاش را فراهم کند 4. مبدل حرارتی باید مقرون به صرفه باشد هزینههاي نصب و نگهداري مبدل نیز باید در برآورد هزینههاي آن منظور شود 5. محدودیتهاي موجود در ساخت نظیر قطر طول وزن آرایش لولهها و نیازهاي محل نصب دستگاه شامل امکان حمل و بلند کردن و جابهجایی دستگاه و امکان سرویس مبدل در نظر گرفته شود 6. براي سرعت سیال محدودهي معینی در نظر گرفته میشود. به طور کلی سرعت براي مایعات بین 6 تا 0.6 متر بر ثانیه و براي گازها بین 30 تا 3 متر بر ثانیه در نظر گرفته میشود البته در موارد خاص بنا بر نیاز مساله ممکن است این حدود رعایت نشود 7. بیشتر مواقع سیال خورنده و یا رسوبگذار را داخل لوله قرار میدهند زیرا تمیز کردن و تعویض آن آسانتر است و در صورتی که سیال خورنده و یا رسوبگذار داخل پوسته قرار گیرد هم لوله و هم پوسته را از بین میبرد 8. مبدل باید از لحاظ آببندي و نشتی بررسی شود.

27 آﻧﭽﻪ در اﯾﻦ ﻓﺼﻞ ﻣﯽﺧﻮاﻧﯿﺪ : ﻓﺼﻞ ﻣﻌﺎدﻻت اﺳﺎﺳﯽ در ﺗﺤﻠﯿﻞ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎ 2 روش اﺧﺘﻼف دﻣﺎي ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﻟﮕﺎرﯾﺘﻤﯽ ) (LMTD روش ε NTU روﻧﺪ ﻃﺮاﺣﯽ ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ. روشﻫﺎي ﻃﺮاﺣﯽ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ در اﯾﻦ ﻓﺼﻞ ﺑﻪ ﺑﺮرﺳﯽ روشﻫﺎي اﺻﻠﯽ ﻣﻮﺟﻮد در ﺗﺤﻠﯿﻞ و ﻃﺮاﺣﯽ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ از ﻧﻮع ﺑﻬﺒﻮددﻫﻨﺪهي ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ ﻣﯽﭘﺮدازﯾﻢ. روشﻫﺎي ﻣﺘﻨﻮﻋﯽ ﺑﺮاي ﺗﺤﻠﯿﻞ و ﻃﺮاﺣﯽ اﯾﻦ ﻧﻮع ﻣﺒﺪلﻫﺎ وﺟﻮد دارد. اﯾﻦ روشﻫﺎ ﻋﺒﺎرﺗﻨﺪ از :.1 روش اﺧﺘﻼف دﻣﺎي ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﻟﮕﺎرﯾﺘﻤﯽ ).2 روش ﮐﺎراﯾﯽ - ﺗﻌﺪاد واﺣﺪﻫﺎياﻧﺘﻘﺎل ).3 روش ( ( ﯾﺎ ) (ε.4 روش ψ.5 روش. P در اﯾﻦ ﻓﺼﻞ ﺗﻨﻬﺎ ﺑﻪ ﺑﺮرﺳﯽ دو روش اﺻﻠﯽ و ε ﻣﯽﭘﺮدازﯾﻢ زﯾﺮا اﯾﻦ دو روش ﺷﻨﺎﺧﺘﻪﺷﺪهﺗﺮ و ﺳﺎدهﺗﺮ از ﺳﺎﯾﺮ روشﻫﺎ ﻫﺴﺘﻨﺪ. در اداﻣﻪ ﺑﻪ ﺑﯿﺎن ﭼﻨﺪ ﻣﺜﺎل و ﺣﻞ آﻧﻬﺎ ﭘﺮداﺧﺘﻪ و روﻧﺪ ﮐﻠﯽ ﻃﺮاﺣﯽ ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از روشﻫﺎي ﺑﯿﺎن ﺷﺪه ﺷﺮح داده ﺷﺪه اﺳﺖ.

28 28 طراحی مبدلهاي حرارتی 1-2- انواع مسایل مبدل حرارتی.1.2 در هنگام بررسی مبدلهاي حرارتی با دو نوع مسالهي اساسی روبهرو میشویم: مسایل تعیین 2 مسایل طراحی عملکرد در مسایل تعیین عملکرد دادههاي مساله عبارتند از: نوع و ابعاد مبدل دبیهاي جرمی سیال سرد و گرم دماهاي ورودي سیال سرد و گرم حدود مجاز افت فشار در هر دو سمت مبدل نوع سیال سرد و گرم و خصوصیات ترموفیزیکی آنها. و خواستههاي مساله عبارتند از: دماهاي خروجی سیال سرد و گرم نرخ کل انتقال حرارت در مبدل افت فشار در هر دو سمت مبدل. اما در مسایل طراحی دادههاي مساله عبارتند از: دبیهاي جرمی سیال سرد و گرم دماهاي ورودي سیال سرد و گرم و یکی از دماهاي خروجی (سیال سرد یا گرم) حدود مجاز افت فشار نوع سیال سرد و گرم و خصوصیات ترموفیزیکی آنها. و خواستههاي مساله در این حالت عبارتند از: تعیین نوع مبدل تعیین آرایش جریان تعیین ابعاد مبدل. در حل مسایل مبدل حرارتی باید ابتدا نوع مساله را مشخص کرده و سپس با استفاده از یکی از روشهایی که گفته شد به حل آن بپردازیم. 1. Rating 2. Sizing

29 ﻓﺼﻞ دوم : روشﻫﺎي ﻃﺮاﺣﯽ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ ﻣﻌﺎدﻻت اﺳﺎﺳﯽ ﺑﺮاي ﺗﺤﻠﯿﻞ ﮔﺮﻣﺎﯾﯽ ﻣﺒﺪلﻫﺎي ﺣﺮارﺗﯽ در اﯾﻦ ﺑﺨﺶ ﻣﻌﺎدﻻت اﺳﺎﺳﯽ ﺑﺮاي ﺗﺤﻠﯿﻞ ﮔﺮﻣـﺎﯾﯽ ﻣﺒـﺪلﻫـﺎي ﺣﺮارﺗـﯽ از ﻧـﻮع ﺑﻬﺒﻮددﻫﻨـﺪه را ﺑﯿـﺎن ﻣﯽﮐﻨﯿﻢ اﮔﺮﭼﻪ ﻃﺮاﺣﯽ ﮐﺎﻣﻞ ﯾﮏ ﻣﺒﺪل ﺣﺮارﺗﯽ ﻧﯿﺎز ﺑﻪ در ﻧﻈﺮ ﮔﺮﻓﺘﻦ ﻣﺴﺎﯾﻞ ﻣﺘﻌﺪدي از ﺟﻤﻠﻪ ﻣﺴـﺎﯾﻞ اﻗﺘﺼﺎدي ﻣﺤﺪودﯾﺖﻫﺎي ﻣﮑﺎﻧﯿﮑﯽ و ﺷﺮاﯾﻂ ﻣﺤﯿﻄﯽ ﻣﺒﺪل دارد. ﺗﻐﯿﯿﺮات دﻣﺎ در ﯾﮏ ﻓﺮاﯾﻨﺪ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت ﺑﯿﻦ دو ﺳﯿﺎل ﺑﻪ ﻧﻮع آراﯾﺶ ﺟﺮﯾﺎن ﺑﺴﺘﮕﯽ دارد ﮐﻪ اﯾﻦ ﻣﻮﺿﻮع در ﺷﮑﻞ ) (1-2 ﻧﺸﺎن داده ﺷﺪه اﺳﺖ. در اﯾﻦ ﺷﮑﻞﻫﺎ ﻣﺤﻮر اﻓﻘﯽ ﻧﺸﺎندﻫﻨﺪهي ﺳﻄﺢ اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت و ﻣﺤﻮر ﻋﻤﻮدي ﻣﻌﺮف دﻣﺎﺳﺖ. در ﺷﮑﻞﻫﺎي ) 1-2 اﻟﻒ( ﺗﺎ ) 1-2 د( ﺑﻪ ﺗﺮﺗﯿﺐ ﺗﻮزﯾﻊ دﻣﺎ در ﻣﺒﺪل ﺟﺮﯾﺎن ﻫﻤﺴﻮ ﺟﺮﯾﺎن ﻧﺎﻫﻤﺴﻮ ﻣﺒﺪل ﺑﺎ ﺳﯿﺎل ﺳﺮد دﻣﺎﺛﺎﺑﺖ )ﺗﺒﺨﯿﺮﮐﻨﻨﺪه (1 و ﻣﺒﺪل ﺑﺎ ﺳﯿﺎل ﮔﺮم دﻣﺎ ﺛﺎﺑﺖ )ﭼﮕﺎﻟﻨﺪه (2 ﻧﺸﺎن داده ﺷﺪه اﺳﺖ. ﺷﮑﻞ ) (1-2 ﻧﻤﺎﯾﺶ ﺗﻮزﯾﻊ دﻣﺎ در اﻟﻒ( ﻣﺒﺪل ﺟﺮﯾﺎن ﻫﻤﺴﻮ ب( ﻣﺒﺪل ﺟﺮﯾﺎن ﻧﺎﻫﻤﺴﻮ ج( ﺗﺒﺨﯿﺮﮐﻨﻨﺪه و د( ﭼﮕﺎﻟﻨﺪه ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻗﺎﻧﻮن اول ﺗﺮﻣﻮدﯾﻨﺎﻣﯿﮏ ﺑﺮاي ﺳﯿﺴﺘﻢﻫﺎي ﺑﺎز در ﺷﺮاﯾﻂ ﭘﺎﯾﺎ و ﻧﺎﭼﯿﺰ ﻓﺮضﮐﺮدن ﺗﻐﯿﯿﺮات اﻧﺮژي ﭘﺘﺎﻧﺴﯿﻞ و ﺟﻨﺒﺸﯽ ﻣﯽﺗﻮان ﻣﻌﺎدﻟﻪ زﯾﺮ را ﺑﺮاي ﯾﮏ ﺳﯿﺎل ﻧﻮﺷﺖ : ) (1-2 δ = ℎ 1. Evaporator 2. Condenser

30 30 طراحی مبدلهاي حرارتی که نشاندهندهي دبی جرمی h آنتالپی مخصوص و حالت بینهایت کوچک است. با انتگرالگیري از رابطهي (1-2) خواهیم داشت: δ نرخ انتقال حرارت ب ه سیال برا ي تغیی ر = (h h ) (2-2) h و h که به ترتیب نشان دهندهي آنتالپی جریان ورودي و خروجی هستند. با فرض آدیاباتیک (عدم انتقال حرارت با محیط) انتگرال رابطهي (1-2) براي سیالات گرم و سرد به شکل زیر در خواهد آمد: = (h h ) (3-2 الف) ب 3 (2- = (h h ) ( در این کتاب زیروندهاي و h به ترتیب معرف سیال گرم و سرد و زیروندهاي به 2 و 1 ترتیب معرف جریان ورودي و خروجی هستند. در صورتی که سیالهاي سرد و گرم تغییر فاز نداشته باشند و با فرض گرماي ویژهي ثابت میتوان با استفاده از رابطهي h = (3-2 الف و ب) را به شکل زیر بازنویسی کرد: (4-2) روابط = ( ) = ( ) = ( ) = ( ) (5-2) همانطور که در شکلهاي (1-2) مشخص است اختلاف دما بین سیال سرد و گرم با حرکت در طول مبدل تغییر میکند در نتیجه براي تحلیل گرمایی مبدل یک اختلاف دماي میانگین به نحوي تعریف میشود که بتوان با استفاده از رابطهي زیر نرخ انتقال حرارت کل (6-2) در این رابطه متناظر با آن است. مساحت انتقال حرارت کل سمت سرد یا گرم و را یافت: = ضریب انتقال حرارت کلی اختلاف دماي میانگین است که تابعی از دماهاي ورودي و خروجی سیالات سرد و گرم است و باید رابط هي جبر ي آن مشخص شود. در روش استخراج خواهد شد. اگر نرخ کل انتقال حرارت میتوان با استفاده از رابطه (6-2) و دانستن رابطهاي برا ي از معادلات (4-2) یا (5-2) مشخص باشد آنگاه مساحت سطح انتقال حرارت کل تعیین ضریب انتقال حرارت ک یل اصلیترین تحلیل در مرحله مبدلهاي حرارتی تعیین ضریب کلی حرارت انتقال را یافت. براي است. محاسبهي این ضریب لازم است تا از مفهوم مقاومت گرمایی استفاده کنیم. رسانش گرما و جریان الکتریکی شباهتهایی دارند و میتوان از این شباهت استفاده کرد. با استفاده از قانون اهم مقاومت الکتریکی به شکل زیر به دست میآید: اختلاف پتانسیل = = جریان ( 7-2)