دانشگاه صنعتي شريف دانشكده مهندسي شيمي و نفت آزمايشگاه انتقال حرارت اصول و تي وري آزمايش شماره (8 و (9 دستگاه مبدل هاي حرارتي مقدمه هدف از انجام اين آزمايش بررسي ضراي ب انتقال حرارت و ميزان تبادل حرارت در چهار نوع مبدل در حالتهاي همسو و ناهمسو و مشاهده روند تغيير دماهاي سيالها يا تغيير دبي سيالها در چهار نوع مبدل ميباشد. چهار نوع مبدل عبارتند از: - مبدل با لولههاي مارپيچي xhang (l tub - مبدل چند لوله با يك پوسته Exhangr (Multtulb - مبدل تك لوله Exhangr (Mntub - مبدل صفحهاي Exhangr (Plat Hat H PH H تي وري موازنه انرژي: اگر سيستمي داشته باشيم كه در آن دو سيال سرد و گرم با هم در تماس باشند و سيستم كاملا ايزوله باشد بطوريكه هيچگونه تبادل حرارتي با محيط نداشته باشد خواهيم داشت: Q Q H m P Δ m Δ (8-2 ضراي ب انتقال حرارت و سطح انتقال حرارت در انواع مبدلها: ميتوان ميزان انتقال حرارت يك سيستم حرارتي يك مبدل را براساس ضريب انتقال حرارت كلي نوشت: Q U A F LMD (8-2 Q ميزان حرارت مبادله شده بين دو سيال A سطح انتقال حرارت مبدل U ضريب كلي انتقال حرارتي LMD متوسط لگاريتمي تفاضل دماهاي ورودي و خروجي دو سيال
F ضريب تصحيح كه انحراف از حالت ايدهال آن كه همان تماس ناهمسوي دو جريان سرد و گرم است را نشان ميدهد. U را بايد براساس سطح انتقال حرارت خارجي يا داخلي بدست آورد يعني: Q U A F LMD U A F LMD ( LMD h ( h Ln( h h جريان همسو جريان ناهمسو (h (h LMD (h Ln( h و h دماهاي ورودي سيال سرد و گرم و h دماهاي خروجي سيال سرد و گرم در ادامه به ذكر روشهاي محاسبه U در مبدلهاي مختلف ميپردازيم: الف مبدل با لوله مارپيچي روابط زير جهت محاسبه ضريب انتقال حرارت سيال داخل مارپيچ پيشنهاد شده است: h Nu 0.027 R ( [ + 3.5 ] R > 0 D Nu h 0.8 0.33 0.4 4.86 R D 0.33 0.4 R < 200 (8-3 (8-4 قطر داخلي لوله مارپيچي D قطر متوسط لوله مارپيچي روابط اراي ه شده براي محاسبه ضريب انتقال حرارت سيال فرايند (در داخل مخزن و اطراف مارپيچ تابع نوع همزن هستند. اگر عدد رينولدز مايع فرايندي از 400 بيشتر باشد ميتوان همزدگي مخزن را آشفته در نظر گرفت. براساس روابط پيشنهادي ميتوان رابطه كلي ضريب انتقال حرارت را به صورت زير در نظر گرفت: h D b a R ( (8-5 2
h b a R ( (8-6 قطر خارجي لوله مارپيچ قطر پوسته مبدل با لوله مارپيچي ω ويسكوزيته مايع فرايندي بيرون مايع مارپيچ در دماي ديواره مارپيچ D براي حدس اول ميتوان ω و را مساوي فرض كرد و سپس h را محاسبه نموده و بعد حساب كرده و طي حدسهاي بعدي دوباره h را از روابط بالا محاسبه نمود. در جدول زير پارامترهاي موجود در روابط (8-5 همزن اراي ه شده است: و (8-6 جدول (8 ω را براي دو نوع همزن در مخازن همزده با Nu a b h K hd K 0/078 0/87 0/62 0/62 0/33 0/33 0/4 0/4 براي محاسبه رينولدز بايد سطح مقطع عبور سيال فرايند در پوسته را داشته باشيم. بنابراين بايد لوله مارپيچ را روي صفحه عمود بر جريان سيال فرايند تصوير كرده و سطح مقطع عبور سيال را بدست آوريم. نتيجه اعمال اين روش رابطه زير ميباشد: π 2 2 2 S [(D + + D (D ] (8-7 4 D قطر پوسته مبدل با لوله مارپيچي سطح انتقال حرارت در مبدلهاي با لوله مارپيچي از روابط زير بدست ميآيد: 2 2 / 2 A π n[( πd + n ] H (8-8 2 2 / 2 A π n[( πd + n ] H (8-9 H ارتفاع لوله مارپيچ A و A سطح انتقال حرارت براساس سطح داخلي و خارجي لوله مارپيچ 3
l U h + l h + Ln( 2 + R + ( R R ضريب جرم گرفتگي داخل و خارج لوله مارپيچ (8-0 R و ب- مبدلهاي لولهاي ضريب انتقال حرارت آب در لوله قابل محاسبه از رابطه Eagl & Frgusn ميباشد: h 4200 (.35 + 0.02t u 0.8-0.2 t (8- (m/s سرعت خطي آب در لوله u (mm قطر داخلي لوله (/m 2 ( ضريب انتقال حرارت سيال داخل لوله h ( دماي متوسط آب در لوله t ضريب انتقال حرارت سيال داخل پوسته از رابطههاي زير قابل محاسبه است. h 0.4 2 / 3 0.33R G h G 0.33R 0.4 2 / 3 (0.6 (0.3 (8-2 جريان متقاطع مايع بدون تغيير فاز حريان موازي مايع بدون تغيير فاز (8-3 ظرفيت حرارتي متوسط مايع داخل پوسته G فلاكس جرمي سيال داخل پوسته از روش Krn سطح مقطع عبور سيال پوسته و عدد رينولدز را براي مبدلهاي پوسته بدست ميآوريم: Ds As ( Pt Lb Pt (8-4 G ρv A s (8-5. 2 2 ( Pt 0.97 0 (8-6 G R (8-7 P t فاصله محور تا محور دو لوله مجاور v دبي حجمي سيال پوسته طول مشخصه مربوط به رابطه محاسبه عدد رينولدز D s قطر داخلي پوسته فاصله دو بافل مجاور L b قطر خارجي لولهها 4
ضريب كلي انتقال حرارت برحسب انتقال حرارت داخلي بصورت رابطه زير محاسبه ميگردد: l l + + Ln( + R + ( R (8-8 U h h 2 R و R ضراي ب جرم گرفتگي طرف لوله وپوسته براي مبدلهاي پوسته و لوله با تعداد گذرهاي زوج منحنيهاي موجود است كه از روي آنها ميتوان ضريب تصحيح F را محاسبه كرد. در اين آزمايش مبدل پوسته و لوله سه گذره است.بنابراين براي محاسبه LMD و NU متناسب با اين مبدل از روش P NU استفاده ميكنيم. R روش P NU با پارامترهاي P و و NU مطابق زير تعريف ميشوند: و, دماي ورودي و خروي سيال پوسته,2 و,2 دماي ورودي و خروجي سيال لوله است. λ P R [ R A + 2 B NU 2,,, Δ 2,, X ( R + λ ( R λ ( ( /2 2 A X3δ X2 R λ2 R λ λ2 2λ + + R X B X (R λ2 X2(R λ + X3δ X (3 R + λ X (3 R + λ + X δ m, 2 3 2 3 λ NU xp[ ]/ 2δ,2.3 3 δ λ2 λ 3 + [ 9 + R ( R ] λ 3 [ 9 + R ( R ] 2 4 2 4 /2 /2 2 λ3 R ], ج- مبدل صفحهاي مبدل صفحهاي از تعدادي صفحات فلزي با هدايت حرارتي بالا كه با فاصله كمي از يكديگر قرار گرفتهاند تشكيل يافته است. طرز قرارگرفتن صفحات طوري است كه از هر وجه يك صفحه يك در ميان سيال سرد و گرم عبور كند. 5
روي صفحات شيارهايي وجود دارد. علاوه بر اينكه اين شيارها همچون فين عمل كرده و سطح انتقال حرارت را افزايش ميدهند باعث اغتشاش بيشتر و در نتيجه بالا رفتن ضريب انتقال حرارت و ميزان انتقال حرارت ميشوند. در مبدلهاي صفحهاي رژيمهاي جريان بصورت زير است: جريان لايهاي 0> R جريان آشفته R> 000 جريان انتقالي R< 000 0< روي هر صفحه مبدل چهار سوراخ دايرهاي وجود دارد كه درواقع كانال عبور دو سيال ميباشند و دوبدو و به يك سيال اختصاص دارد. از آنجا كه بين هر دو صفحه مجاور يك سيال بايد عبور كند بنابراين بايد مسير دو تا از دريچهها در فاصله بين دو صفحه مجاور بسته باشد تا سيال مورد نظر از يك دريچه كه مسير آن در بين دو صفحه باز است وارد فضاي بين دو صفحه شده و از دريچه باز مقابل خارج گردد. اين امكان باز و بسته بودن مسير عبور سيال بين دو صفحه را واشرهاي آب بندي بين صفحهها تامين ميكند. در مبدلهاي صفحهاي ميتوان جريانهاي همسو و ناهمسو برقرار كرد و نيز ميتوان بيش از يك گذر براي سيالها ايجاد كرد. براي مبدلهاي صفحهاي يك گذر F معمولا براي 0.95 در نظر گرفته ميشود. شكل كلي رابطه ضريب انتقال حرارت پيشنهادي بصورت زير است: b h a[r / L] [ ] h ar [ ] b (9-8 جريان لايهاي (20-8 جريان آشفته سازندگان مختلف مبدلهاي صفحهاي پارامترهايي براي روابط مذكور اراي ه كردهاند: h.86[r / L] [ ] /3 0.4 h 4.5(R / L] [ ] /3 0.4 (8-2 (8-22 6
h 0.28R 0.65 h 0.374 R 0.668 U 0.4 0.4 [ ] 0.5 ρv R 2b h ω V ρ S (8-23 (8-24 ω دبي جرمي يك سيال در يك كانال عبور V فاصله بين مركزهاي دو دريچه مقابل روي صفحه L فاصله بين مركزهاي دو دريچه مقابل روي صفحه b فاصله بين دو صفحه ضريب كلي انتقال حرارت در مبدلهاي صفحهاي بصورت زيراست: + h + + R + R (8-25 ضخامت هر صفحه ضريب هدايت حرارتي صفحه R و R ضراي ب جرم گرفتگي دوسيال دو طرف يك صفحه استفاده از مراجع زير در نوشتن گزارش ضروري است.. Krn, ss Hat ransfr 2. Saunrs, Hat xhangrs : sltn, sgn & nstrutn 3. Shlunr, Hat xhangr sgn hanb 4. Rhsn, Hanb f hat transfr funamntals مراجع 5- جزوه مخازن همزده, دكتر فرهادي, دانشكده مهندسي شيمي دانشگاه صنعتي شريف 7