فرمت فایل:ٌword(قابل ویرایش)تعداد9 صحفه
مبدل های حرارتی پوسته-لوله ای
مبدل های حرارتی پوسته-لوله ای با مقطع دایره ای که در پوسته ای استوانه شکل نصب شده اند ساخته می شوند. بطوریکه محور لول ها موازی با محور پوسته است. این مبدل ها بصورت وسیعی بعنوان خنک کن های روغن و چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاه و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاه های هسته ای و در کاربردهای صنایع فرآیندی و شیمیایی استفاده می شود. ساده ترین شکل از یک چگالنده نوع پوسته ای و لوله ای افقی به همراه اجزاء در زیر نشان داده شده.
یک سیال داخل لوله ها و سیال دیگر در سمت پوسته بصورت متقاطع با لوله ها و یا در طول آن ها جریان دارد.
اهداف اصلی طراحی در این مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها و تمیز کردن آسانتر مجموعه و هزینه کم در روش ساخت و تولید آنها نسبت به سایرین می باشد.
در مبدل های پوسته ای و لوله ای با صفحه لوله های ثابت پوسته به صفحه لوله جوش شده است و هیچگونه دسترسی به خارج از دسته لوله ها برای تمیز کاری وجود ندارد. در این نوع از مبدل ها تمیز کردن لوله آسان است.
مبدل های پوسته لوله ای با دسته لوله u شکل دارای کمترین هزینه ساخت می باشد. زیرا در آنها فقط به یک لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها بدلیل خم u شکل تند را نمی توان با وسایل مکانیکی تمیز کرد. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرگاه لوله بکار می رود ولی محدویتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.
چندین طرح ایجاد شده که به صفحه لول ها امکان می دهد تا شناور باشد.
اجزای اصلی مبدل های پوسته-لوله ای
مبدل های پوسته-لوله ای از لوله های دایره ای قرار گرفته در یک پوسته استوانه ای ساخته می شوند که لوله ها موازی با پوسته می باشد. یک سیال در داخل لوله ها جریان دارد و سیال دیگر از روی دسته لوله ها
دسته لوله ها tube bundle
پوستهshell
سرhead
انتهای جلوییfront-end head
سر انتهای عقبیrear-end head
دیوارک ها baffles
صفحه لوله هاtube sheets
انواع دسته لوله ها
نوعی از طراحی که امکان انبساط گرمایی مستقل لوله ها و پوسته را فراهم می کند. لوله u شکل است. بنابراین در این نوع طراحی انبساط گرمایی می تواند وجود داشته باشد و محدود نیست. لوله u شکل دارای کمترین هزینه ساخت است. زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سمت لوله بدلیل شکل انحنای u نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این نوع دسته لوله ها تنها تعداد زوجی از گذرهای لوله می تواند بکار رود. تنها لوله های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله ها قابل تعویض می باشند. جزئیات بیشتر در شکل زیر نشان داده شده است.
پوسته به صفحه لوله جوش خورده و به سمت بیرونی دسته لوله برای تمیز کاری دسترسی وجود ندارد. در این مورد تمیز کاری لوله بصورت مکانیکی بسیار آسان است.طرحهای متعددی فراهم آمده که به صفحه لوله ها امکان دهند تا شناور باشند. یعنی بتواند با انبساط گرمایی حرکت کند.
مبدل های گرمایی با سطوح پره دار :
این نوع مبدل ها دارای پره ها و یا ضمائمی در سطح اصلی که انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از مایع است سطوح انتقال گرمای پره دار در سمت گاز برای افزایش سطح انتقال گرما استفاده می شوند. پره ها بصورت وسیع در مبدل گرمایی گاز-گاز یا گاز مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل فشرده گرما نیاز باشد استفاده می گردند.
مبدل صفحه ای پره دار:
نوع مبدل های صفحه ای پره دار عمدتا برای کاربردهای گاز-گاز و مبدل های لوله ای پره دار برای کاربردهای مایع – هوا استفاده می شود. در اکثر کاربردها کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بدلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن مبدل های فشرده گرما همچون بصورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم بازیابی انرژی و صنایع فرآیندی و تبرید و سیستم های تهویه مطبوع استفاده می گردند.
بفلها:
بفلها در پوسته برای تعیین جهت جریان در طول تیوبها و افزایش سرعت و افزایش نرخ انتقال حرارت استفاده می شوند.
جهت توصیف بافل این گونه می توان بیان شود که در واقع برش بافل ها در بخش های طولی بفل هستند که برای تغییر جهت حرکت سیال در آن بکار می رود.
حداکثر ضخامت بافل ها و نگهدارنده های آن ها در استانداردها وجود دارد. فاصله بافل ها حدود 0.2 تا 1 برابر قطر پوسته می باشد. فاصله کم بافل ها باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می شود اما افت فشار نیز زیاد می شود.
انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی (Heat exchanger) صورت می گیرد.
در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد .
مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :
1-مبدل های حرارتی لوله ای (tube" heat exchanger") :
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته
نمایی از یک مبدل حرارتی تک لوله ای
مبدل حرارتی دو لوله ای (Double tube" heat exchanger")
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
لوله های هم محور ری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی 180 درجه مطابق شکل فوق برگشت داده می شود . در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور میکند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود . به شکل زیر توجه کنید :
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریانهای سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمانبر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)
متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )
این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .
در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل (Baffle) استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار می گیرند . هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
_ مبدل های حرارتی صفحه ای (("plate" heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :
مبدل حرارتی صفحه و شاسی(("plate & farme" heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .
مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .
مبدل حرارتی صفحه پره((flat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها مو جب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود .
مهندسی شیمی طراحی و شبیه‌سازی مبدلهای حرارتی فشرده, / مژگان وفایی؛ به راهنمائی : غلامرضا اعتماد 112صفحه، تصویر، جدول، نمودار، کتابنامه TH پایان نامه (کارشناسی ارشد) -- دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده مهندسی شیمی، 1379. یک مبدل حرارتی فشرده به مبدلی گفته میشود که سطح انتقال حرارت با دانسیته سطح بالایی داشته باشد. با توجه به لزوم وجود یک نرم‌افزار جهت شبیه‌سازی و طراحی مبدلهای حرارتی نرم‌افزار تهیه شده قابلیت حل دو مسئله طراحی و شبیه‌سازی را دارا می‌باشد. مسئله طراحی تعیین ابعاد فیزیکی یک مبدل جدید به منظور دستیابی به افت فشار و انتقال حرارت معین می‌باشد. برعکس در مسئله شبیه‌سازی افت فشارها و نرخ انتقال حرارت برای یک مبدل موجود تعیین می‌گردد. نرم‌افزار تهیه شده در محیط ویژوال بیسیک نوشته شده و دارای چندین فرم برنامه‌نویسی می‌باشد. قابلیت دریافت ورودیهای برنامه و نیز نمایش نتایج خروجی در هر مرحله(که در هر دو مورد بوسیله پیامهای مناسبی دریافت و چاپ می‌گردد) زیبایی و تنوع بیشتری نسبت به برنامه‌نویسی‌های معمول به نرم‌افزار بخشیده است . در مرحله اول درجه حرارتهای ورودی دو سیال و دبی جرمی آنها در یافت می‌گردد. در مرحله بعد خواص فیزیکی سیالات مربوطه شامل گرمای ویژه، ویسکوزیته، هدایت حرارتی و عدد پرانتل در درجه حررت متوسط سیال ارزیابی می‌گردند.نتایج حاصل از اجرای نرم‌افزار چندین مثال تئوری از مراجع مختلف ، مقایسه گردیده که خطای محاسباتی اندکی را شامل می‌گردد. نهایتا"شبیه‌سازی برج خنک کن نیروگاه شهید منتظری اصفهان با نرم‌افزار موجود انجام گردیده و نتایج مطلوبی حاصل شده است . به زبان فارسی؛ چکیده به زبان فارسی، انگلیسی طراحی / شبیه سازی / مبدل حرارتی دوار Design / Simulation / Rotary heat exchanger اعتماد، غلامرضا, ار دانشگاه صنعتی اصفهان ، دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی اصفهان ، دانشکده مهندسی شیمی
دستیابی به دانش فنی افزایش راندمان مبدل های حرارتی از طریق نانو سیالات
۱۷:۰۰ (یکشنبه ۰۹ تیر ۱۳۸۷)
اخبار مرتبط
رئیس فناوری های نوین شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی اعلام کرد: برای نخستین بار در دنیا شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی به دانش فنی افزایش راندمان مبدلهای حرارتی به وسیلهنانو سیالات دست یافت.
دکتر یوسف محمدی در گفت و گو با خبرنگار شانا افزود: توجه به محدودیت سوخت‌های فسیلی در دنیا موجب شده است که امروزه موضوع بهینه‌سازی مصرف انرژی در واحدهای فرآیندی، بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد.
وی با اشاره به این که در فرآیندهای شیمیایی، مهمترین بخشی که به طور مستقیم با مصرف انرژی ارتباط دارد، مبدلهای حرارتی است، تصریح کرد: امروزه تلاش بسیاری به منظور افزایش شدت انتقال حرارت و یا کوتاه کردن زمان انتقال حرارت در مبدل ها صورت می‌گیرد.
وی ادامه داد: استفاده از پره‌ها (برای افزایش سطح انتقال حرارت) و سایر فناوری های موجود از روش هایی هستند که در افزایش انتقال حرارت به کار می‌روند؛ اما این روش ها پاسخگوی نیاز به انتقال حرارت بالا در صنایع مختلف نیستند و افزون بر آن سبب افزایش افت فشار هم می‌شوند، در نتیجه باید به روش های دیگری برای افزایش عملکرد حرارتی در این صنایع متوسل شد.
وی با بیان این که سیالات متداول در انتقال حرارت مانند آب، اتیلن گلیکول، روغن موتور و غیره نقشی حیاتی در فرآیندهای انتقال حرارت در صنعت ایفا می‌کنندف توضیح داد: این سیالات به طورکلی دارای ویژگی های انتقال حرارت ضعیفی در مقایسه با بیشتر جامدات هستند و همین امر سبب ایجاد مشکلات فراوانی در طراحی مبدل های حرارتی و فشرده ساختن آنها شده است.
وی با اشاره به این که پیشرفت های اخیر در معلق ساختن ذرات فوق العاده ریز جامد در سیالات، به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال حرارت مطرح شده است، اظهار داشت: انواع مختلفی از ذرات جامد شامل ذرات فلزی و اکسید فلزات برای تشکیل سوسپانسیون به سیالات افزوده می‌شوند تا عملکرد حرارتی آنها را بهبود بخشند.
وی اضافه کرد: با این وجود این سوسپانسیون های معمولی که حاوی ذرات معلق میلی متری و میکرومتری هستند با مشکلات ته نشینی ذرات، سایش تجهیزات، گرفتگی کانال ها و افت فشار زیاد رو به رو هستند.
وی یادآوری کرد: نانوسیال به محلول سوسپانسیونی اطلاق میشود که ذرات فوق العاده ریز (کوچکتر از یکصد نانومتر) در سیالی خالص به حالت تعلیق در آورده شده باشند.
وی افزود: این نانو ذرات از جنس فلز و یا اکسید فلزات و اغلب کروی شکل و یا استوانه‌ای هستند؛ این سوسپانسیون ها سری جدیدی از سیالات واسط حرارتی هستند که از معلق ساختن ذرات بسیار ریز در مایعات متداول مانند آب و اتیلن‌گلیکول به دست آمده‌اند و عملکرد حرارتی سیالات پایه را افزایش می‌دهند.
وی با اشاره به بررسی های انجام شده در شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی در زمینه انتقال حرارت نانو سیالات گفت: نتایج این بررسی ها نشان می‌دهد که استفاده از نانو سیالات سبب افزایش ضریب هدایت حرارتی و ضریب انتقال حرارت جا به جایی نسبت به سیالات پایه میشود.
وی ادامه داد: در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، به دلیل عملکرد حرارتی بالای نانوسیال نسبت به آب، می‌توان از نانوسیال در فرآیندهای گوناگون برای سرمایش و گرمایش استفاده‌کرد.
وی تصریح کرد: به این ترتیب با افزایش انتقال حرارت می توان دبی آب مصرفی را در بیشتر مواقع کاهش داد که این امر می تواند راه گشای مشکل آب مصرفی و پساب تولیدی صنایع بزرگ نظیر صنعت نفت و به ویژه صنعت پتروشیمی باشد؛ همچنین با افزایش انتقال حرارت می‌توان ابعاد مبدل های حرارتی مورد استفاده در این صنایع را کاهش داد.
وی با اشاره به این که تاکنون رفتار حرارتی نانو سیالات در مبدل های حرارتی پوسته و لوله بررسی نشده است، توضیح داد: بسیاری از نتایج به دست آمده در زمینه انتقال حرارت نانوسیالات، در باره دو شرط مرزی شار حرارتی ثابت و دمای ثابت در دیواره و در هندسه های مختلفی همچون لوله ها و کانال ها به دست آمده‌اند.
وی اضافه کرد: در مبدل های حرارتی، شرط مرزی حرارتی واقعی، متفاوت است بدین معنی که هیچ یک از شروط مرزی یاد شده وجود ندارد و دمای دیواره و همچنین شار حرارتی در طول مبدل تغییر میکند.
وی یکی از موانع موجود برای افزایش ظرفیت صنایع مختلف را عدم پاسخگویی دستگاه های حرارتی در ظرفیت های بالاتر خواند و اظهار داشت: افزون بر این، افزایش ظرفیت، افزایش افت فشار را به دنبال دارد و این مسأله یکی از مهمترین محدودیت ها در صنایع بزرگ به ویژه صنعت پتروشیمی به شمار می رود.
وی همچنین با بیان این که روش های متداول افزایش انتقال حرارت به شدت سبب افزایش افت فشار می شوند، گفت: بر اساس نتایج تحقیق حاضر که برای نخستین بار در دنیا انجام شده است، می توان با استفاده از نانو سیالات خاص، راندمان حرارتی مبدل های حرارتی را که از مهمترین دستگاه های حرارتی به کار رفته در صنایع است، به طور چشمگیری افزایش داد و این در حالی است که افت فشار نیز کاهش چشمگیری می یابد.
وی افزود: نتایج این تحقیق تحول شگرفی در صنایع مختلف از دیدگاه های محیط زیست، انرژی، افزایش ظرفیت و اقتصادی ایجاد خواهد کرد.
رئیس فناوری های نوین شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی یادآوری کرد: دکتر غلامرضا اعتماد عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان، مجری پروژه دستیابی به دانش فنی افزایش راندمان مبدل های حرارتی از طریق نانو سیالات است که هم اکنون به منظور فرصت مطالعاتی به کشور کانادا سفر کرده است.
تحقیق در مورد مبدل های حرارتی پوسته ,لوله ای
