مبدل حرارتی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

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.

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

[ویرایش] انواع مبدل‌های حرارتی

• مبدل‌های هوا خنک (Air cooler)
• مبدل‌های پوسته لوله‌ای (Shell and tube)
• مبدل‌های صفحه‌ای

[ویرایش] استاندارد های مرتبط

• TEMA که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل‌های لوله‌ای (امریکا) تدوین شده است. برای طراحی و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• API 660 که توسط انجمن نفت امریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای استفاده می‌گردند.
• API 661 که توسط انجمن نفت امریکا 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 طراحي مبدل هاي حرارتي صفحه اي 

     مبدل حرارتي صفحه اي اساسا" با توجه به سادگي نت و با توجه به نيازهاي صنايع غذائي در دهه 1930 ابداع شدند و طراحي بهينه آن در دهه 1960 با تکامل موثرتر هندسه صفحات ، مونتاژ اجزا و مواد بهينه تر براي ساخت واشرهاي مورد استفاده در اين نوع مبدل ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبيني قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامي صنايع راه پيدا کرد و توانسته است از رقيب خود (مبدل هاي لوله اي ) پيشي بگيرد .
   با عنايت به تنوع بسياز زياد محدوده هاي طراحي اين نوع مبدل ها که در نوع صفحات و آرايش آنها قابل بررسي است و همينطور شرايط طراحي پيچيده اين نوع از مبدل ها عملا شرکت هاي سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحي را اعلام نمي کنند اما در اين صفحات سعي شده است از اين اطلاعات رمز گشائي شود تا همه به اصول طراحي اين تجهيز بي نظير پي ببريم . 

مبدل هاي صفحه اي واشردار تشکيل شده است از تعدادي صفحات نازک با سطح چين دار و يا موج دار که جريان سيال گرم و يا سرد را از هم جدا مي کنند .صفحات داراي قطعاتي در گوشه ها هستند و به نحوي چيدمان شده اند که دو سيال عامل بصورت يک در ميان ميان صفحات جريان دارند .طراحي و واشربندي بهينه اين امکان را ايجاد مي کند که مجموعه از صفحات در کنار يگديگر تشکيل يک مبدل صفحه اي مناسب را بدهند . .مبدل هاي حرارتي صفحه اي معمولا "در جريان سيالتي با فشار پائين تر از 25bar و دماي کمتر از 250 درجه محدود مي شوند .از آنجا که کانالهاي جريان کاملا کوچک هستند جريان قوي گردابه اي و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرايب انتقال حرارت و افت فشارها مي گردد بعلاوه بزرگ بودن تنش برشي موضعي باعث کاهش تشکيل رسوب مي شود . واشرها از نشتي سيال به بيرون مبدل جلوگيري مي کنند و سيال ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدايت مي نمايند. شکل جريان عموما" به نحوي انتخاب مي شوند که جريان سيالها خلاف جهت يکديگر باشند . مبدل هاي صفحه اي را مي توان در سه دسته بندي مشخص از هم جدا کرد :

	صفحه اي حلزوني 

با پيچاندن دو صفحه بلند موازي به شکل يک حلزوني و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه هاي صفحات مجاور به صورتي که يک کانال را تشکيل دهند ، شکل داده مي شود . در هر يک از دو مسير حلزوني يک جريان ثانويهايجاد مي شود که تنتقال حرارت را افزايش و تشکيل رسوب را کاهش ميدهد اين نوع مبدل هاي حرارتي بسيارفشرده هستند و طبعا گرن قيمت تمام مي شوند .سطح انتقال حرارت براي اين مبدل ها درمحدوده 0.5 تا m2500 و فشارکارکرد تا 15 بار و دماي 500 سانتيگراد محدوده مي شود . اين نوع مبدل بيشتر در کاربرد سيال لجن آلود ، مايعات لزج و مايعاتي با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جريان دو فازي مايع – جامد استفاده مي شود .

	لاملا

مبدل حرارتي نوه لاملا (ريمن ) شامل مجموعه کانالهاي ساخته شده از صفحات فلزي نازک است که بطور موازي جوشکاري شده است .بدليل آشفتگي زياد جريان توزيع يکنواخت جريان و سطوح صاف بسادگي رسوب نمي گيرند .اين طرح از مبدل مي تواند تحمل فشار تا 35 بار و دماي 200 درجه سانتيگراد براي واشرهاي تفلون و 500 درجه سانتيگراد براي واشرهاي آزبست مي باشد .

	صفحه اي واشردار

خصوصيات مکانيکي صفحه اي واشردار

يک مبدل حرارتي صفحه اي که در شکل زير نمائي از آنرا مي بينيم تشکيل شده است از صفحات ثابت ، صفحات فشار دهنده و تجهيزات پنوماتيکي و يا مکانيکي متعلقه و connection ports ها. سطح انتقال حرارت از يک سري صفحات با مجاري ورودي و خروجي تشکيل مي شود .

الگوي جريان در يک مبدل حرارتي صفحه اي را در شکل زير مي بينيم .

مجموعه صفحات و فريم اصلي هنگاميکه تعدادي از صفحات اين نوع مبدل ها بهم فشرده مي شوند و تشکيل مبدل صفحه اي را مي دهند سوراخهاي واقع در گوشه هاي اين صفحات تشکيل تونلها و يا مجاري پيوسته اي را مي دهند که سيال را از مبدا ورودي به صفحات هدايت مي کند که در انجا با توجه به شکل شيارهاي صفحات بين آنها توطيع مي شود .مجموعه اين دسته از صفحات با وسائل مکانيکي و يا هيدروليکي بهم فشرده مي شوند . جويهاي جريان سيال که در مابين صفحات و خروجي گوشه هاي ان تشکيل مي شود به نحوي چيدمان شده است که جريانهاي سرد و گرم انتقال حرارت بشکل يک درميان در کنار يکديگر قرار مي گيرند بطوريکه هميشه داراي چيدمان مخالف جهت حرکت جريان مي باشند .در طي عبور از مبدل حرارتي ، سيال گرمتر بخشي از انرژي حرارتي خود را از طريق ديواره صفحه اي نازک به سيال سردتر در سمت ديگر منتفل مي کند و در نهايت سيالها به حفره هاي لوله اي شکلي که در انتهاي ديگر مجموعه صفحات وجود دارد سرازير مي شوند و از مبدل خارج مي شود .اين صفحات مي توانند تا صد عدد در يک مبدل در کنار هم قرار گيرند و خدمات حرارتي خود را به صنعت ارائه دهند . مجموعه صفحات بين دو صفحه فلزي انتهائي بوسيله پيچ بهم وصل مي شوند. صفحات و قطعات منفصل فريم از ميله حامل بالائي آويزان هستند و در انتهاي مبدل بوسيله ميله راهنما نگهداري مي شوند. ميله حامل و ميله راهنما به قطعه ثابت فريم پيچ و مهره مي شود و بجز مبدل هاي کوچک بقيه به تکيه گاه انتهائي متصل مي شوندهر چند اين نمي تواند هميشه يک قاعده کلي باشد. مجموعه صفحات مانند دسته لوله ها در مبدل هاي پوسته اي و لوله اي است با اين تفاوت مهم که دو سمت جريان گرم و سرد در يک مبدل حرارتي صفحه اي معمولا داراي مشخصه هاي هيدروديناميکي يکساني مي باشد. صفحه فلزي مبدل جزء اساسي اين سيستم حرارتي محسوب مي شود که اندازه بزرگترين صفحه از 3/4 متر ارتفاع و 1/1 متر عرض مي باشد.نرخ انتقال حرارت براي يک صفحه در محدوده رنج 01/0تا 6/3 متر مربع قرار دارد که براي اجتناب از توزيع غيريکسان سيال درعرض صفحه ،حداقل نسبت طول/عرض حدود 8/1 انتخاب مي شود. ضخامت صفحات مبدل در محدوده رنج 5/0 تا 2/1 ميلي متر که در فواصل 5/2 تا5 ميلي متر از يکديگر قرار گرفته اند تا قطر هيدروليکي 4 تا 10 ميلي متر را براي کانال عبور جريان ايجاد کند . با واشر بندي و عايقکاري دور لبه صفحه خارجي مي توان از نشتي جريان از کانالهاي صفحات به محيط بيرون جلوگيري نمود. صفحات مي توانند از جنس استنلس استيل ،تيتانيوم ، تيتانيوم-پالاديوم ، و.... ساخته شوند که با توجه به ضريب هدايت گرمائي متفاوتي که دارا مي باشند در طراحي مورد توجه واقع مي شوند .

ماده ضريب هدايت گرمائي ( )

استنلس استيل(316) 16.5 تيتانيوم 20 اينکونل 600 16 اينکولوي 825 12 هستلوي C -276 6/ 10 مونل 400 66 نيکل 200 66 کاپرونيل 10/90 52 کاپرونيل 30/70 35

انواع صفحات مبدل در عمل محدوده نسبتا متنوع و زيادي از انواع صفحات مبدل وجود دارد اما به بررسي دو نوع نسبتا جديد از اين صفحات مي پردازيم که کاربرد وسيعتري دارند .اين دو نوع بنامهاي شورون(chervron )و واشبرد (washboard) در دسترس هستند .البته با توجه به تغييرات زياد انتقال حرارت و فشار در هر الگوي صفحات موجدار روشهاي پيشگوئي انتقال حرارت و فشار بر اساس داده هاي تجربي همان الگوي مشخص استوار مي باشد . در صفحات نوع واشبرد ، صفحات مجاور بصورتي مونتاژ مي شوند که کنال جريان سيال حرکتي آشفته و گردابي با سيال مي دهد .اين الگوي موجدار زاويه اي بنام دارد که از آن به زاويه شورون نام مي بريم .

که اين زاويه در صفحات مجاور هم معکوس مي شوند بصورتيکه وقتي صفحات به يکديگر محکم مي شوند موجهاي سطحي نقاط تماس زيادي برقرار مي کنند که به همين دليل صفحات مبدل مي تواند از مواد بسيار نازک تا حدود 6/0 ميليمتر طراحي شوند .تغيرات زاويه حدود بين رنج 65و 25 درجه مي باشد که اين زاويه تعيين کننده مشخصه هاي انتقال حرارت و افت فشار صفحه مبدل مي باشد.

مزاياي مبدل هاي صفحه اي

	تنوع در طراحي صفحات و چيدمان شيارها و سايز و زوايا 
	سطح انتقال حرارت با توجه به امکان در تغيير تعداد صفحات و شکل بندي ان براحتي قابل وصول است .
	انتقال حرارت بهينه که بدليل درهم بودن جريان و کوچکي قطر هيدروليکي براي هر دو سيال عامل داراي ضريب انتقال حرارت بزرگ هستند .
	باتوجه به فشردگي صفحات سطح انتفال حرات به حجم ارزشمند است .
	اتلاف حرارت بسيار ناچيز دارد و نياز به عايقکاري ندارد 
	در حالت خراب واشر لاستيکي دو سيال تحت هيچ شرايطي مخلوط نمي شوند .
	مبدل هاي حرارتي صفحه اي بدليل توربولانس جريان درصد بسيار کمي رسوب گذاري دارد .

مبدل هاي صفحه اي بصورت ويژه اي فشرده هستند و در نرخ انتقال حرارت حرارت مشابه فضاي محدودتري در مقايسه با مبدل هاي لوله دارد ضمن اينکه حجم کم و وزن کمتر و به طبع آن هزينه هاي کمتر در ساخت و بهره برداري و نگهداري را به همراه دارد .البته اين نوع مبدل مانند همه تجهيزات صنعتي داراي محدوديتهائي هستند که کارآن در هر شرايطي را امکانپذير نمي کند که در ادامه در مورد آن به بحث مي نشينيم .

حداکثر فشار کارکرد 25 بار و در موارد کاملا خاص حداکثر 30 بار حداکثر دما و با واشرهاي مخصوص حداکثر حداکثر دبي جريان سطح انتقال حرارت ضريب انتقال حرارت واشرهاي لاستيکي محدوديت در حداکثر دماي قابل دستيابي و فشار کارکرد و نوع سيال را براي طراحي اين نوع مبدل ها ايجاد مي کند .ضمنا هندسه پيچيده کانالهاي جريان باعث افزايش ضريب اصطحکاک در مبدل هاي حرارتي صفحه اي مي شوند . علت اصلي عدم پيشرفت استفاده از اين نوع مبدل هاي در صنايع محدوديت ساخت صفحات بزرگ به جهت محدوديت در پرسکاري و ساخت صفحات مي باشد .که عملا مبدل هاي حرارتي با اندازه هاي بيشتر از قابل ساخت نيستند يعني در واقع بصرفه هم نيستند . دبي هاي بزرگ جريان باعث افت فشارهاي اضافي خواهد شد که از اين منظر باعث محدوديت در ظرفيت گرمائي مي شود که در مرتبه بالاتر طراحي واشرها به ترتيبي نيست که در فشارو دماهاي بالاتر بتوان از اين نوع مبدلها سود جست . مبدل هاي حرارتي صفحه اي را نمي توان براي کولينگ هوا استفاده کرد و حتي براي تبادل حرارت در کوپلهاي هوا-هوا و يا گاز-گاز نيز مناسب نيستند ضمنا سيالاتي با لزجت بالا بويژه وقتي خنک کاري مورد نظر باشد با توجه به اثرات توزيع جريان در اين نوع مبدلها ناکارآمد جلوه مي کنند .ضمنا سرعتهاي کم جريان سيال کمتر از ، ضرايب کوچک انتقال حرارت و به تبع آن بازدهي غير بهينه را در مبدلهاي صفحه اي ايجاد مي کند که به همين علت در سرعتهاي کمتر از نمي توان از اين نوع مبدلها سود جست . مبدلهاي حرارتي صفحه اي براي انجام کندانس خيلي مناسب نيستند که اين مورد بخصوص در مورد بخارها در خلا نسبي صدق مي کند زيرا فاصله هاي باريک صفحات و توربولانس ايجاد شده باعث بوجود آمدن افت فشارهاي قابل ملاحظه اي در سمت بخار مي شود .هرچند با توجه به پيشرفتهاي حاصل شده در حال حاضر مبدل هاي حرارتي صفحه اي با طراحي هاي ويژه را مي توان در سيستم هاي تبخير و کندانس نيز استفاده کرد . مسيرها و چيدمان جريان

 واژه مسير ياگذرگاه (passage) در مبدل هاي حرارتي صفحه اي به دسته اي از کانالها گفته مي شود که در آنها جهت جريان يکسان باشد .

شکل ذيل چيدمان تک مسيري را که بنام چيدمان "U"و "Z" اطلاق مي شود را مشاهده مي کنيد که هر چهار دهنه ورودي و خروجي در صفحه سر همگرا هستند (fixed-head plate ) که اين خاصيت امکان دمونتاژ مبدل را براي تعميرو نگهداري بدون ايجاد مشکل در سيستم لوله کشي خارجي آن را فراهم مي کند ضمنا دراين نوع چيدمان توزيع جريان توربولانس تر از چيدمان نوعZ مي باشد .

چيدمان چند مسيره شامل مسيرهاي متصل شده بشکل سري هستند که در شکل زير چيدمان شکل بندي با دو مسير و سه يا چهارکانال نمايش مي دهند که باختصار آنرا و يا مي نامند .اين سيستم بجز صفحه مرکزي که در آن جريان هم جهت روان است داراي جريان مخالف جهت مي باشد .

شکل زير سيستم جريان دو مسير –يک مسير (شکل بندي نوع 1/2) را نشان مي دهد که در آن يک سيال در مسير خط چين و سيال ديگر در دو مسير خط توپر جريان دارد .در اين نوع چيدمان نيمي از مبدل داراي جريان مخالف و نصف ديگر داراي جريان هم جهت مي باشد که از آن به عنوان سيستم نامتقارن نام برده مي شود و اگر يکي از سيالهاي مورد استفاده داراي دبي حجمي بزرگتر از ديگري و يا افت فشار مجاز کوچکتر از جريان ديگر باشد مورد استفاده قرار مي گيرد .

چيدمانهاي چند مسيره هميشه بايد ورودي و خروجي مبدل در هر دو سر ثابت و متحرک وجود داشته باشد .معمولا تعداد مسيرها، تعدادکانالها (مسبر جريان در دوصفحه مجاور )به ازاي هر مسير ،براي دو سيال يکسان و بصورت متقارن باشد.

 توزيع غيرمتقارن در هر سيستم با کانالهاي متصل بهم منجمله مبدل هاي صفحه اي مي تواند مشکل آفرين باشد که مسئله بايد در طراحي اين نوع سيستمهاي حرارتي بسيارمورد توجه قرار گيرد.

سطوح کاربرد و استفاده مبدل هاي حرارتي صفحه اي

مبدل هاي حرارتي صفحه اي با داشتن مشخصات خاص بطور گسترده اي در صنايع غذائي مورد استفاده قرار مي گيرند که به دليل همين خاصيت يعني تعمير و نگهداري آسان و تميز کاري بسيار راحتر دامنه نفوذ خود را حتي تا صنعت خودرو سازي نيز گسترش داده است . کاربردهاي عمومي مبدل هاي حرارتي صفحه اي اصولا در شرايط فازي مايع – مايع و جريانهاي توربولانس مي باشد. از موارد بسيار مهم استفاده از اين نوع سيستم هاي حرارتي مي توان به سيستم هاي خنک کن مرکزي که از آب دريا بعنوان چاه گرمائي استفاده مي کند ،اشاره کرد وهمچنين وقتي بحث موادخورنده مطرح است برگ برنده مبدل هاي حرارتي صفحه اي در استفاده بدون محدوديت از مواد با تحمل خوردگي بالا در ساخت صفحات مبدل مي باشد که مي توان به عنوان نمونه از تيتانيوم در آن نام برد . برخي اطلاعات مهم و ارزشمند در مبدل هاي حرارتي صفحه اي در پايان اين بخش باعث آشنائي بيشتر با اين تجهيز صنعتي ارزشمند مي گردد .

خوردگي وقتيکه از مواد با خورندگي بالا استفاده مي کنيم مبدل هاي حرارتي صفحه اي بهتر گزينه است حتي اگر اين مبدل را با صفحات گران قيمت بسازيم در مقايسه با مبدل هاي ديگر بصرفه ترند ضمنا با توجه به نازکي صفحات اين نوع مبدل ها عملا نيازي به گرفتن اضافه ضخامت در زمان طراحي نسبت به انواع ديگر بسيار ناچيز مي باشد البته با توجه به وجود جريان آشفته در صفحات اين نوع مبدل ها وقتي که مواد شيميائي با خورندگي بالا در اين صفحات جريان دارد بايد از مواد با کيفيت تر براي ساخت صفحات استفاده کنيم که البته با لحاظ تمام اين شرايط ارجحيت استفاده ازاين نوع مبدل ها اثبات شده است .

انتخاب مواد براي ساخت صفحات مبدل با توجه به تجربه هاي سازندگان در جدول صفحه قبل خلاصه که در سفارش اين نوع مبدل ها مي تواند به کارشناسان تعمير و نگهداري و يا طراحان کمک شاياني نمايد . افزايش غلظت مواد خورنده در يک لايه رسوبي سطحي که با اثر دمائي ديواره فلزي که زير رسوب قرار دارد خوردگي موضعي را افزايش مي دهد که مي تواند باعث تخريب قابل ملاحظه گردد که در مبدل هاي صفحه اي اين مشکل کمتر ديده مي شود چون تمايل به رسوب گذاري با توجه به جريان هميشه آشفته گذرهاي جريان در اين نوع صفحات کمتر از مبدل هاي نوع ديگر مي باشد .مشکل تشکيل رسوب مبحث مهمي را در طراحي مبدل هاي حرارتي به خود اختصاص مي دهد اما بيشتر اين اطلاعات بصورت تجربي در اختيار سازندگان قرار دارد اما با توجه به دلائل زير عدم تمايل به تشکيل رسوب در مبدل هاي حرارتي بسيار کمتر از مبدل هاي نوع لوله اي مي باشد .

	جريان توربولانس باعث عدم ماند مواد معلق مي شود 
	نمودارتغييرات سرعت در مقطع صفحه با توجه به عدم وجود ناحيه سرعت پائين يکنواخت مي باشد .
	با توجه به سطح صاف صفحات مبدل امکان صيقلي کردن آنها وجود دارد .
	دپوي مواد خورده شده با توجه به نرخ بسيار پائين رسوب گذاري عملا ناچيز بشمار مي آيد .
	با توجه به سادگي تميز کاري مبدل هاي صفحه اي عملا زمان مورد نياز براي تشکيل رسوب ارضاء نميشود .

محاسبات انتقال حرارت و افت فشار با توجه به اشکال مختلف طراحي مبدل هاي حرارتي که در اثر وجود چيدمانهاي متنوع و استفاده از صفحات مختلف وجود دارد طراحي اين نوع مبدل ها بسيار تخصصي است .طراحي اين نوع مبدلها بر خلاف مبدل هاي پوسته اي به طور کاملا" انحصاري در اختيار سازندگان آن مي باشد .هرچند سعي فراواني براي بهينه سازي دقت روابط انتقال حرارت و افت فشاردرمبدل هاي حرارتي صفحه اي شده است اما اکثر اين روابط نمي توانند بطور عمومي بکار روند وداراي قابليت پيش بيني زيادي باشند .متاسفانه روشهاي طراحي که ارائه شده است اکثرا"تقريبي هستند و براي تعيين اوليه اندازه نامي واحدهاي صفحه اي براي يک وظيفه گرمائي مشخص مناسب مي باشند و هيچ اطلاعات منتشر شده اي راجع به طراحي دقيق مبدل هاي حرارتي صفحه اي منتشر نشده است .

مساحت سطح انتقال حرارت موجهاي ايجاد شده در صفحه مساحت صفحه را در مقايسه با سطح اوليه افزايش مي دهد که براي بيان اين افزايش نسبت به طول تصوير شده ضريبي بنام ضريب افزايش سطحي استفاده مي شود که تعريف آن بصورت ذيل فرموله مي شود :

طول تصوير شده / افزايش طول  

مقدار تابعي از گام و عمق موج و يا گام صفحه است ضريب افزايش طول بين 15/1 و25/1 متغير است . مقدار نسبت مساحت موثر واقعي که توسط سازنده اعلام مي شود به مساحت سطح تصوير شده مي باشد :

که را مي توان بصورت ذيل تقريب زد :

که و مي تواند از فاصله عمودي دهانه ها ، ، و فاصله افقي دهانه ها ، ، و قطر دهانه ها را بصورت ذيل تخمين مي زنيم :

مقدار برا محاسبه مسير موثر جريان استفاده مي شود.

فاصله متوسط کانال جريان سيال

   کانال جريان ، مجرائي است که بوسيله صفحات جسبده بهم بين واشرهاي لاستيکي تشکيل مي شود . به دليل پيچدگي سطح مقطع سطوح موجدار 

متوسط فاصله به صورت ذيل فرموله مي شود :

که در آن گام صفحه و يا عمق سطح خارجي صفحه موجدار و ضخامت صفحه مي باشد ، زمانيکه موجهاي دو صفحه فلزي در تماس با هم باشند ضخامت يک واشر کاملا فشرده مي باشد . گام صفحه نبايد با گام موج اشتباه شود .فاصله کانال براي محاسبه سرعت جرمي و عدد رينولدز مناسب مي باشد و بنابراين مقدار موثري مي باشد که معمولا توسط سازندگان مشخص نمي شود .اگر گام صفحه مورد نياز باشد مي توان از طول صفحات فشرده که معولا روي نقشه ها مشخص مي شوند بصورت ذيل محاسبه مي گردد :

که در آن تعداد کل صفحات مي باشد .

قطر معادل کانال قطر معادل کانال با رابطه زير محاسبه مي شود:

  سطح تر شده  / سطح جريان در کانال  4

(رابطه kumar) با اين تقريب که مي باشد .

ضريب انتقال حرارت هر سعي و تلاشي براي حدس ضريب فيلم انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي صفحه اي شامل بسز روابطي است که براي انتقال حرارت بين گذرگاههاي جريان در دسترس هستند .روابط متداول براي محاسبات چنين گذرگاههاي استفاده از روابط لوله هاست با اين فرق که با تعريف قطر معادل براي گذرگاه غيردايره اي اين قطر بجاي قطر لوله دايره اي در رابطه جايگزين مي شود :

که در آن قطر معادل تعريف شده بوسيله معادلات صفحه قبل است . مقادير و n بستگي به مشخصه هاي جريان و زواياي شورون دارند که در جدول زير مي توان آنرا بدست آورد .انتقال از جريان آرام به آشفته در اعداد رينولدز کم رخ مي دهد و در نتيجه مبدل هاي حرارتي صفحه اي ضرايب انتفال حرارت بزرگي را ايجاد مي کنند . روش کاملا مستندي که براي حدس انتقال حرارت و افت فشارهاي مبدل حرارتي صفحه اي براي محدوده وسيعي از صفحات با الگوي شورون وجود دارد را در ادامه به بحث خواهيم نشست . عد رينولدز بر مبناي سرعت جرمي در کانال بصورت ديل فرموله مي شود :

و سرعت جرمي در کانال با رابطه ذيل ارائه مي شود :

که در اين رابطه تعداد کانال به ازاي هرگذر بدست مي آيد :

که در آن تعداد کل صفحات و تعداد گذرها مي باشد .

افت فشار در کانال

کل افت فشار شامل افت فشار اصطحکاکي کانال و افت فشار دهانه هاي خروجي و ورودي مي باشد ضريب اصطحکاک براي افت فشار اصطحکاکي توسط معدله ذيل تعريف مي شود :

که در اين فرمول طول موثر جريان سيال بين دهانه هاي ورودي و خروجي مي باشد و اين طول موثر بايد ضريب افزايش شکل موجي سطح نيز در نظر گرفته شود .اين اثر در تعريف ضريب اصطحکاک و قطر معادل براي محاسبه عدد رينولدز به کمک رابطه kummar وارد شده است .بنابراين مي توان را در نظر گرفت که فاصله عمودي دهانه ها مي باشد که در شکل صفحات آنرا ديده ايم . ضريب اصطحکاک معادله افت فشار کانال بصورت ذيل فرموله مي گردد :

مقادير و در جدول صحه قبل بصورت توابعي از عدد رينولدز براي مقادير متفاوت زاويه شورون ارائه شده است براي چيدمان هاي متفاوت سطح صفحه ، ضريب اصطحکاک برحسب عدد رينولدز بايد توسط سازنده ارائه گردد .

افت فشار دهانه هاي ورودي و خروجي

مجموع افت فشار در دهانه هاي ورودي و خروجي جريان به فضاي مابين دو صفحه مجاور (کانال ) مي تواند بصورت تقريب 4/1 برابر مقدار هد سرعتي جريان تخمين زده شود بنابراين :

که در آن :

و در اين فرمول کل نرخ جريان جرمي در دهانه و قطر دهانه است .

در نتيجه کل افت فشار اصطحکاکي کانال و دهانه ها عبارتست از :

ضريب کلي انتقال حرارت ضريب کلي انتقال حرارت براي سطح تميز مطابق آنجه از يافته هاي انتقال حرارت بياد داريم عبارتست از :

و تحت شرايطي که صفحات رسوب مي گيرند و يا اصولا" در زمانهاي بهره برداري مي توان فرمول ذيل را جايگزين نمود :

که در آن c ,h به ترتيب نشانگر جريانهاي گرم و سرد مي باشد .رابطه بين براي شرايط تميز و براي شرايط رسوب گرفته و ضريب تميزي CF بصورت ذيل فرموله مي شود :

مساحت سطح انتقال حرارت

رابطه موازنه گرمائي در مبدل هاي حرارتي صفحه اي مشلبه مبدل هاي حرارتي لوله اي مي باشد و مقدار حرارت مورد نياز Q براي جريانهاي سرد و گرم عبارتست از :

از سوي ديگر مقدار حرات مورد نياز بدست آمده Qf براي شرايط رسوب گرفته بصورت ذيل تعريف مي شود :

که در اين معادله کل مساحت افزايش يافته بدليل حرارت صفحات موثر يعني مي باشد که عدد 2 مربوز به دو صفحه در مجاورت صفحات سر مي باشد . در چيدمان هاي چند گذر يکسوي صفحه جداکننده گذرها داراي جريان هم جهت هستند که اثر ناچيزي بر متوسط اختلاف دما خواهد داشت .اگر جريان در تمامي گذرها هم جهت باشد براي بدست آوردن متوسط اختلاف دمايئ ضريب تصحيح f بکار مي رود در غير اينصورت براي آرايش مخالف جهت از متوسط واقعي اختلاف دما بشکل رابطه ذيل استفاده مي شود :

که در آن و اختلاف دماي سيال گرم و سرد در انتهاي ورودي و خروجي مبدل حرارتي هستند .

نمونه کاربرد روابط در طراحي مبدل هاي حرارتي صفحه اي

فرض مي کنيم براي فرآيندي خاص سازنده اي مبدل حرارتي صفحه اي را پيشنهاد مي کند براي محاسبه مقادير نامي عملکرد مبدل مذکور بصورتي که در صفحات بعد خواهيم داد پيش خواهيم رفت .

مثال : اب سرد بوسيله جريان آب wastewater گرم خواهد شد .جريان آب سرد با نرخ جرمي ( ) در 22 درجه سانتيگراد وارد مبدل حرارتي صفحهاي مي شود و تا 42 درجه گرم مي شود آب wastewater داراي همان نرخ جريان مي باشد و در 65 درجه وارد مبدل مي شود و در 45 دجه از آن خارج مي شود .حداکثر افت فشار مجاز براي هر جريان مي باشد . در زير مشخصات فرآيند بصورت جدول زير خلاصه مي شود :

داده هاي ساختاري مبدل حرارتي صفحه اي پيشنهادي

حل : بار گرمائي مورد نياز مي تواند از موازنه حرارتي بصورت زير محاسبه گردد :

متوسط اختلاف دما با مقادير زير محاسبه شود.

بنابراين :

تعداد صحات موثر برابر است با :

طول موثر جريان بين دو دهانه در امتداد ارتفاع عبارتست از :

گام صفحه نيز بترتيب زير محاسبه مي شود :

متوسط فاصله کانال جريان بطريق ذيل محاسبه مي شود :

سطح جريان يک کانال نيز بصورت ذيل محاسبه مي شود :

و بنابراين مساحت سطح انتقال حرارت يک صفحه عبارتست از :

مساحت تصوير شده صفحه عبارتست از :

ضريب افزايش طول که توسط سازنده تعيين مي شود ولي مي توان با معادله زير آنرا تائيد کرد :

قطر معادل کانال برابر است با :

تعداد کانالها به ازاي هر گذر بدست مي آيد :

تحليل انتقال حرارت : نرخ جرمي جريان به ازاي هر کانال با رابطه زير محاسبه مي شود :

سرعت جرمي عبارتست از :

اعدا رينولدز سيال گرم و سرد عبارتست از :

بنابراين جريان هر دو سيال سرد و گرم ،آشفته است . ضريب انتقال حرارت سيال گرم  : اين ضرائب که از جدول ضرائب بدست ميآيد و و مي توان ضريب انتقال حرارت را بطريق ذيل محاسبه کرد :

و با فرض پس :

ضريب انتقال حرارت سيال سرد  : اين ضرائب با استفاده از جدول ضرائب بطريق ذيل محاسبه مي شود :

ضريب کلي انتقال حرارت : ضريب کلي انتقال حرارت مبدل هاي با سطوح تميز بطريق ذيل محاسبه مي شود:

ضريب کلي انتقال حرارت با سطوح رسوب گرفته (تحت بهره برداري )با معادله زير محاسبه مي شود :

ضريب تميزي مربوطه عبارتست از :

که مقدار آن بدليل رسوب زياد نسبتا" کوچک است .

مقدار حرارت حقيقي براي سطح تميزعبارتست از :

ضريب اطمينان عبارتست از :

درصد اضافه سطح طراحي برابر است با :

و براي اين مبدل عبارتست از :

که اين نشان مي دهد مبدل حرارتي نسبتا" بزرگي است و مي تواند علاوه بر جوابگوئي به نيازها و مشخصه هاي فرآيند ، کوچکتر انتاب شود . لذا اضافه سطح طراحي برابر 30% براي کاهش هزينه سرمايه گذاري ، ترجيح داده مي شود و برنامه زمان بندي تميزکاري مي تواند بر طبق آن تنظيم گردد .بنابراين طرح پيشنهاد شده مي تواند اصلاح گردد و مقادير نامي عملکرد آن مجددا تعيين گردد . تحليل افت فشار : براي محاسبه ضرائب اصطحکاک سيال گرم و سرد با استفاده از معادله ضريب اصطحکاک مي توان محاسبه کرد :

افت فشار اصطحکاکي مربوط به جريانهاي سرد و گرم بطريق زير محاسبه مي شود : براي سيال گرم :

و براي سيال سرد :

افت فشار در دهانه هاي ورودي و خروجي از معادله محاسبه مي شود . با تعيين سرعت جرمي در دهانه ها :

براي سيال گرم :

و براي سيال سرد :

کل افت فشار براي سيال گرم که از معادله محاسبه مي شود برابر است با :

و براي سيال سرد عبارتست از :

محاسبه نشان مي دهد که مبدل پيشنهاد شده فرآيند مورد نياز و محدوديت افت فشار را جوابگو خواهد بود اما اين مبدل مي تواند کوچکتر باشد مگر آنکه تحت شرايط سخت رسوب استفاده شود .

پايان – مهرماه 85 – پيمان زنديه منابع و ماخذ Heat exchangers: selection ,rating and thermal design

by :sadik kakac and hongton liu 

Translate by dr.sepehr sanaye Elm & sanat university

[ویرایش] منبع

• Perry, Robert H. and Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Edition, McGraw-Hill