مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان آنها

مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها
1. مبدلهای دو لوله ای 1
2. مبدلهای لوله مارپیچی
3. مبدلهای لوله پوسته ای
مبدلهای دو لوله ای
که به صورت U شکل ساخته می شود یکی ازدو سیال درلوله داخلی ودیگری درمجرای حلقوی بین دو لوله جریان دارند.
لوله های هم محور به صورت مستقیم ساخته شده اند وبوسیله زانوی c ْ180 در یک انتها به هم متصل می شوند مبدلهای حرارتی دولوله ای درمواقعی که سطح تبادل حرارت مورد نیاز کوچک باشد وبخصوص موقعی که یکی از دوسیال گازمایع لزج ویا دبی آن کم باشد کاربرد دارند. این مبدلها برای مواردی که سطح تبادل حرارت مورد نیاز از 50 متر مربع کوچکتر است مناسب است .
مبدل حرارتی به منظور انتقال انرژی حرارتی بین دو سیال در دماهای مختلف بکار می رود .مبدلهای حرارتی در سیستمهای تبرید، تهویه مطبوع ، پالایشگاهها، اتومبیلها ،صنایع تولید ،نیروگاهها، بازیابی حرارت و بسیاری موارد دیگر بکار میرود.
مبدلهای لوله مارپیچی
از یک یا چندحلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که داخل یک محفظه قرارمی گیرند .
ابتدا وانتها لوله های مارپیچ به لوله های اصلی ورودی و خروجی متصل می شوند.
جنس لوله های مارپیچ معمولاً فولاد کربن دار ، مس و آلیاژهای آن ، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل می باشد .
اگرسیالات لزج باشند از لوله های پره دار نیز استفاده می شوند.
این نوع مبدلها برای سطح تبادل حرارتی کمتر از m230وفشار های کمتر از 40 اتمسفرمناسب هستند .
1. مبدلهای لوله پوسته ای
از متداولترین نوع مبدلهای ،مبدلهای لوله پوسته ای است که برای انتقال حرارت مایع -مایع، مایع – سیال درحالت تبخیر و مایع -سیال درحالت تقطیر بکارمیروند.
این مبدل ازیک پوسته وتعدادی لوله U شکل با پره های طولی در داخل آن تشکیل شده است وسیال سمت پوسته در امتداد وموازی لوله ها جریان دارد .
لوله های مبدل
هر مبدل لوله پوسته ای از تعداد زیادی لوله تشکیل شده است که یک سیال در داخل وسیال دیگر درخارج آن جریان دارد . لوله ها اجزای اساسی ومهم مبدلها می باشند ،وسطح انتقال حرارت بین سیال جاری در درون لوله ها وسیال خارج آنرا تشکیل می دهند .
لوله ها معمولاً از نوع بدون درز کششی یا اکسیژن تولید می شوند ولی اخیراً نوع درزدار (جوشکاری شده) نیز متداول شده است و جنس آن به نوع سیال بستگی داردو معمولاًاز فلزات، آلیاژهای فلزی و یا موادغیر فلزی مانند پلاستیک ها است .
اگر ضریب انتقال حرارت جابجایی سمت پوسته کم باشد از لوله های فین دار استفاده می شود.
قطر خارجی لوله ها استاندارد ( ، ،1،1، 1)اینچ می باشد .
ضخامت دیواره لوله ها در واحدB.W.G2 اندازه گیری می شود.
اصول کلی در طراحی مبدلهای حرارتی
اولین مرحله درطراحی مشخصات و فرضیات مساله می باشد ،بطورکلی مساله خاصی که برای طرح یک مبدل حرارتی مطرح می گردد ممکن است حاوی اطلاعات خیلی کم از قبیل دماهاودبی ها ی دوجریان گرم و سرد بوده ویا در مقابل ،دارای اطلاعات بسیار زیاد همراه با جزئیات بیشتر باشد . در مساله مورد نظرما علاوه بر دبی هاودماهای وسیال ،عوامل دیگری ازقبیل فشارها ودماها ی کارکردی ،افت فشارهای مجاز، بارحرارتی لازم ، اندازه مناسب ،محدودیت وزن ، قیمت و هزینه مجاز ،مواد لازم و همچنین نوع وآرایش مبدل نیزمطرح است . با افزایش خواسته هها و قیود طراحی ،انتخاب وطرح مبدل مناسب ،مشکل تر گردیده ومبدلی که بتواند همه شرایط را ارضا نمایداز محدودیت بیشترو تنوع کمتری برخوردار است . بر اساس مشخصات مساله و نیز تجربه ، نوع مبدل وآرایش جریانها انتخاب می گرد .
تجزیه و تحلیل مبدلهای حرارتی شامل محاسبات انتقال حرارت ،افت فشارویا تعیین ابعاد هندسی بوده و برای انجام محاسبات مربوطه ،عواملی از قبیل مشخصات سطوح وخواص هندسی انها، خواص فیزیکی سیالها ونیز مشخصات مساله لازم هستند. منظوراز مشخصات سطوح ،خواص حرارتی واصطکاک آنها مانند منحنی های JH وfبرحسبRe می باشد.
وبا استفاده ازروشهای مختلف بهینه سازی درریاضیات بهترین ومناسبترین طرح راباید انتخاب نمود . ممکن است با توجه به متغییرهای طراحی ،تعداد زیادی جواب بدست آید که همگی شرایط طرح را داشته باشند .مسایل محاسبات حرارتی درمبدلها بطورکلی دو دسته هستند : اول مسایلی هستندکه درآنها نوع مبدل و اندازه آن معلوم بوده و موضوع اصلی تعیین نوع انتقال حرارت ودماهای خروجی سیال براساس دبی هاو دماهای ورودی می باشد . این نوع مسایل به مسایل عملکردی مبدلهای حرارتی شهرت دارند .
مسایل نوع دوم ،دبی هاو دماهای ورودی وخروجی در سیال گرم و سرد داده شده است .در این مسایل انتخاب یک نوع مبدل حرارتی مناسب ،تعیین اندازه و محاسبه سطح موردنیاز برای حصول به دمای خروجی موردنظر طراحی می شوند. پس از محاسبات حرارتی وانتخاب مبدلهای مناسب ،مرحله طراحی مکانیکی مبدلها می رسد.پایداری و مقاومت مبدلها در برابر عوامل خارجی در این مرحله بررسی می شوند.
محاسبات مقاومتهای داخلی وتنشها جهت تعیین ابعاد و ضخامتهای لازم برای صفحه ها، پرده ها،لوله ها ،پوسته و اجزای دیگر بکاربرده می شود.انتخاب مناسب مواد و روش اتصال پره ها به صفحه ها یا لوله ها، بستگی به فشارها و دماهای سیال دارد ونیز بستگی به عواملی از قبیل دماها و فشارها ،افت فشارها مجازنیز شرایط تمیزکاری دارد .محاسبات مربوط به تنشهای حرارتی ،برای تعیین دوام و طول عمر مبدل بکار رفته و پیش بینی لازم را برای خاموش و روشن کردن های متوالی و شرایط کارکرد نیمه بار انجام می دهند.
همچنین باید سرعتهای مجاز جریانها برای به حداقل رساندن ارتعاشات ،فرسایش ،خوردگی ورسوب گذاری تعیین شوند .علاوه بر اینها قیود خاصی که ممکن است درطرح وجود داشته باشند باید درنظر گرفته شوند .مانند تعویض قطعات و قابلیت سرویس و نگهداری و نوع تمیز کردن. بنابراین یک طرح مکانیکی به همان اندازه و شایدهم بیشتراز طرح حرارتی اهمت داشته واز پیچیدگی نسبی بیشتری برخوردار است .اغلب ملاحظات مکانیکی بطور همزمان با طرح حرارتی موردبررسی قرار می گیرند.
پس از آن مساله ارزیابی برآورد هزینه درمبدلها مطرح می گردد .وهمچنین عوالی از قبیل معیارها. روشهای ارزیابی وقیمت و هزینه درنظر گرفته می شود. محدودیتهای ساخت از قبیل قطعات مورد نیاز از موادخام ،قالب، ابزار،کوره ها،وماشینها می باشندو هزینه تمام شده برای یک مبدل که ازدو قسمت تشکیل می گردد :
1. هزینه های مربوط به سرمایه گذاری درطرح ، مواد،ساخت، آزمایش،حمل و نقل و نصب .
2. هزینه های حین کارکرد مبدل مانند هزینه پمپ کردن سیالها ، نگهداری و تعمیر یا تعویض قطعات و تمیز کاری و…
طراحی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله
بطورکلی هدف از طرح یک مبدل حرارتی ونیز تجزیه و تحلیل آن تعیین سطوح لازم جهت تبادل حرارت مورد نیاز می باشد .برای طراحی مبدلهای حرارتی دوروش عمده وجود دارد.
1.روش استفاده از اختلاف دمای توسط لگاریتمی
2. روش راندمان وتعداد واحدهای انتقال

نکات مهم در طراحی کندانسوز وبررسی بهینه سازی آن
به لحاظ اینکه مبدلهای حرارتی پوسته ، لوله ای فاقد قستهای تحرک می باشند و تغییر دما بین دوسیال صورت می گیرد . یک مهندس طراح می تواند طرحی از دستگاه را به سادگی تهیه کند و حدس خود را گسترش دهد. با وجود آنکه مبدل حرارتی دارای قطعات پیچیده ای از تجهیزات مختلف نیست ولی ملاحظات زیادی در رابطه با انتخاب و اپتیمم طرح وجود ندارد زیرا که مسایل از فرایند به فرایندی دیگر تفییر می کند .طراحی مبدلهابراساس اطاعات طرح ، آزمایشات در انتقال حرارت ، طراحی مکانیکی ، نگهداری و هزینه می باشد . هدف هر مهندس طراح می بایست این باشد که مبدل حرارتی را بگونه ای طراحی کند که مبدل عمل کردبه ویژه خود را داشته باشد با کمترین زحمت حداقل قیمت را برای مصرف کننده داشته باشد.
به سبب پیچیدگی در طرح وارتباط بین متغیر ها ،کاربرد هر مبدل حرارتی می تواند برای طرحهای ختلف عنوان شود. که مصرف کنده می باید انتخاب نهایی را انجام دهد .
با وجود یکه هر خریدار وفروشنده ای مشخصات مربوطه برای کاربرد ویژه ای که مبدل برای آن طرح شده را می داند، ولی سوالاتی وجود دارد که استفاده کننده می بایست جهت اتخاب مبدل حرارتی انها را پاسخگوباشد . این موارد عبارتند از :
1. آیا سرعت های سیال درمحدودهقابل قبولی است تا هم ازسایش مولفه های مبدل جلوگیری شودو هم اثر ارتعاشات را محدود کند .
2. آیادریچه های ورود و خروج سیال در مکانهای مناسب هستند .
3. در مورد افت فشار،آیا درد محدوده مجاز است و حداکثر بازده را دارد.
4. آیا مسئله اختلاف انبساط بین پوسته و لوله ها در نظر گرفته شده است.
5. اتصال لوله بهTube Sheet ازچه نوعی است .
6. آیا فلزات بکاررفته در طراحی برای شرایط کارکرد مبدل مناسب هستند.
خیلی سوالات دیگر که باید جواب داده شود تا ارزیابی مبدل حرارتی در حد قابل قبولی واقع شود .
معمولاً هزینه های تعمیراتی در ارتباط با تصحیح عدم بازدهی مناسب در یک مبدل حرارتی فقط بخش کوچکی ازتاوان پرداختی بود .
طراحی ضعیف است ونتایج اتلاف درتولید نیروگاه برای یک روز چندین برابر قیمت خرید یک مبدل حرارتی هزینه دارد .
اطلاعات طراحی برای استفاده کننده
انتخاب یک طرح مبدل حرارتی نمی باید غیر جدی تلقی شود . زمان قابل ملاحظه ای می باسد در محاسبات انتقال حرارت و طراحی مکانیکی صرف شود تا طراحی مبدل حرارتی را بهینه کرده باشیم . کارخانه سازنده ویا طراحی می باید حداقل اطلاعات زیر را رابرای استفاده کننده فراهم آورد:
1. انتقال حرارت کلی
2. دبی سیال ورودی و خروجی مبدل
3. دماهای ورودی و خروجی ازمبدل
4. فشار عمل کرد دستگاه
5. ضریب رسوب
6. افت فشارهای مجاز
7. خوردگی مجاز
8. مواد سازنده
9. ضخامت دیواره لوله برای ملاحظات خوردگی
10. نوع مبدل حرارتی
11. مشخصات ،کدهاواستانداردها
12. محدودیت های اندازه و فضا
13. نصب عمودی یا افقی
14. حرارت مخصوص ، ضریب هدایت حرارت، ویسکوزیته و… سیال بکار رفته
شرایط فرایند در مبدل حرارتی
LMTD
از آنجائیکه اندازه ودرنتیجه قیمت یک مبدل حرارتی بستگی زیادی به اختلاف دما ی متوسط لگاریتمی" LMTD" دارد یک بایداین موضوع را در نظر داشته باشد مقدار
" LMTD" بزرگ معمولاً یک مبدل حرارتی کوچک تر نتیجه می دهد . برای یافتن بهینه دماهای عمل کرد باید براساس وظیفه کاری و کاربرد مبدل عمل شود .
طراحی غیر مفید و عملکرد ضعیف مبدل حرارتی وقتی رخ می دهدکه مقدار "LMTD" خیلی کم و یا خیلی زیادباشد . برای یک طراحی خوب که خیلی از کاربردها را در بر می گیرد اختلاف دمای 1T حدودF 10ْ باشد و اختلاف دمای T2 حدودF 40ْ باشد.

دبی جریان سیال
مقدار دبی هردو سیال پوسته و لوله میتواند طرح و اندازه یک مبدل را تحت تاثیر قرار دهد .
ضرایب رسوب
رسوبات تشکیل شده روی لوله ها(داخل وخارج ) که در مقابل جریان حرارات مقاومت ایجادمی کند (Fouling) نامیده می شود . اندازه وقیمت یک مبدل حرارتی در ارتباط با مقاومت رسوب نیزمی باشد .حدس تصادفی را می توان برای ضریب رسوب درنظر گرفت زیرادرعملکردمبل تاثیربسزایی دارد.
ارآنجائیکه یافتن ضرایب رسوب کارمشکلی می باشد ،لذا آنهااز طریق آزما یش بدست می آورند. بنابراین استفاده کننده از مبدل حرارتی باید اطینان خاطری از طراح داشته باشدکه ضرایب رسوب ویژه این عملکرد را تعیین کرده باشد .محدوده اطلاعات در قابل دسترس زیادی برای محاسبه صحیح درجه رسوب که می بایست برای شرایط عملکرد داده شود ، وجود دارد . رسوب به مواد سازنده لوله ها ، نوع سیال در جریان ، دماها، سرعتها،و شرایط دیگر بستگی دارد و تغییر می کند . لذا انتخاب ضرایب رسوب اختیاری است . اگر رسوب سنگین در کاربرد ویژه ای داشته باشیم، استفاده کننده باید برای جلو گیری از رسوب از سیستم ها ی تمیز کننده شیمیایی و یا مکانیکی در زمانهای متناوب استفاده کند.
افت فشارمجاز
انتخاب بهینه افت فشارمجاز با ملاحظات فرایند کلی سروکار دارد .افت فشار های بالا احتمالاً دریک مبدل ،اندازه کوچکترو قیمت کمتررا نتیجه می دهد .
برای طراحی قابل قبول افت فشار سمت لوله حدودpsi 10 وسمت پوسته دودpsi 2 است.
در بعضی مواقع استفاده از همه افت فشار قابل دسترس، عملی نیست زیرا که در اثر سرعتهای بالای سیال ، ارتعاشات و سایش به اجزاء مبدل حرارتی صدمه وارد می آورند.
نوع مبدل و نگهداری :
از آنجائیکه انواع زیادی از مبدلهای حرارتی پوسته و لوله و جود دار د برای انتخاب فرم انها باید برا ساس مشخصات مطلوب برای کاربرد و نگهداری عمل شود . انواع مختلف و شکلهای ساختمانی مختلف در استاندارد"T.E.M.A"نشان داده شده است . قیمتهای مقایسه ای بین انواع متداول مبدلهای حرارتی را می توان از منحنی های مربوطه بدست آورد. نوع مواد سازنده نیز از جمله مواردی است که مصرف کننده جهت مسائل خوردگی وعمرکار کردآن باید مورد بررسی قرار گیرد. مواد سازنده معمولاً بر اساس ملاحظات دما وفشار انتخاب می گردند،مقاومت خوردگی برای عمل کرد در جریان سیال و مسائل اقتصادی آن براساس پیش بینی عمر کارکرد و قیمت اولیه تعیین می گردند . ملاحظات دقیق باید برای انتخاب مواد لوله و ضخامت درباره لوله صورت گیرد . چون حرارت از طریق دیواره لوله انتقال می یابد ، لذا مشخصات مطلوب باید شامل مواد با ضرایب هدایت حرارتی بالا ویک دیواره بهینه شده باشد .
ویژگی های سیال :
اطلاعات خاص فیزیکی تا آنجاکه ممکن است باید دقیق باشند وحرارت مخصوص ، دانسیته،ضریب هدایت حرارتی ،ویسکوزینه و… باید برای طراح مشخص باشند.
برای بررسی اینکه کدام سیال در لوله وکدام سیال در پوسته جریان داشته باشد ، عوامل زیرباید مورد توجه قرار گیرند.
خوردگی : انواع آلیاژهای ارزانتر را در صورتیکه سیال درون لوله خورنده باشد بکار می بریم.
دما:برای مکانهایی که در داهای بالا کار می کنند ماد آلیاژی گران و مخصوصی لازم است لذا اگر سیال داغ در لوله ها جریان داده شود .آلیاژ های ارزان تر ی را می توان بکار برد .
فشار:با قرار دادن جریان فشار بالادر لوله ها ، اجزائی که بخواهند فشار بالا را تحمل کنند کمتر خواهند بود.
افت فشار: برای افت فشار یکسان ، ضریب انتقال حرارت بیشتر در سمت لوله ها بدست می آید .
ویسکوزیته :میزان انتقال حرارت بیشتر ، توسط قرار داد سیال ویسکوز در سمت پوسته است .
ملاحظات مهندس طراح مبدل حرارتی:
یک طراح مبدل حرارتی باید نخست اطلاعاتی د مورد محدودیتهای فضایی و اندازه مبدل بدست آورد. فضا های محدود شده وقتی وجود دارد که مبدل حرارتی در یک سا ختمان و یا به همراه سازه ای دیگر به کار بده شود. محدودیت اندازه مبدل بروی قیمت اولیه تا ثیر گذار خواهد بود ، چون طراح قادر نیست تا طرح بهینه ای بدست آورد.
در هر صورت یک مهندس طراح مبدل حرارتی باید متغییر های زیادی را محاسبه کند تا مشخصات زیررا در مورد یک مبدل حرارتی بدست آورد :
1. سرعت سایلهای بکار فته
2. تعداد گذرهای لوله
3. تعداد گذرهای پیوسته
4. تعداد پوسته ها
5. طول و قطرخارجی وbwg لوله ها
6. اندازه پوسته
7. توزیع سیال در ورود و خروج
8. ار تعاشات ، اختلاف انبساط
9. گام لوله ها
10. آرایش لوله ها
11. افت فشار
12. آسانی در بهره برداری و نگهداری

ابعاد مبدل را با افزایش ضریب کلی انتقال حرارت "U " می توان کاهش داد. ضریب انتقال حرارت کلی را می توان با افزایش سرعت آب در لوله تغییر داد .از طرفی هر گونه افزایش سرعت در لوله موجب افزایش افت فشار در درون ان می گردد و هزینه پمپاژ بالا خواهد رفت ، لذا یک سرعت اپیتیمم وجود داردکه اقتصادی ترین انتقال حرارت را می دهد. معمولاً اقتصادی ترین سرعت آب بین 1/5m/cتاm/s2است.

جدول (-a 3) محدود های مجاز سرعت آب در لوله ها

در طراحی های جدید از مبدل های یک گذره استفاده نمی شود .زیرا که طول لازم برای لوله بلند خواهد بودوبرای سازندگان لوله عملی نیست و به علاوه ساخت کندانسور طویل مشکل است . بنابراین درعمل از کندانسوها ی چند گذاره به ویژه کندانسورهای دو گذره استفاده می شود .
سطح انتقال حرارت :
سطح انتقال حرارت Aبرحسب m2یا ft2 در یک مبدل عبارت است از سطح خارجی همه لوله های بدون فین ویا درمورد مبدلهای فین دارسطح کل لوله ها فین می باشد . سطح واقعی قابل دسترسی برای مبدل حرارتی از طریق ترسیم لوله بندی ان بدست می آید.
تعداد لوله ها :
تعداد لوله ها یی که در پوسته مختلف وبا ارایش های مختلف میتوان جایگذاری کرد در جداولی وجود می باشد ، که البته تلرانس های ساخت و تولید می تواند حذف بعضی از لوله هایی که درطرح مقدماتی وجداول مشخص شده اند ، ایجاد نماید .
درجه حرارت دیواره لوله :
اگر فرض کنیم توزیع درجه حرارت میان دو جریان نسبت به توزیع مقاومتهای حرارتی خطی باشد ، در این صورت اگر فقط سه مقاومت فیلم داخلی ، مقاومت دیواره لوله و مقاومت فیلم خارجی وجود داشته باشد می توان درجه حرارت دیواره را از تقسیم به نسبت اختلاف در جه حرارت میان مقاومت ها به صورت زیر نوشت:
Two=
اگر علاوه بر سه مقاومت فوق مقاومت رسوب در دو طرف لوله نیز مورد نظر باشد،باز هم درجه حرارت دیواره رامی توان با تقسیم به نسبت خطی درجه حرارت برروی مقاومت هابدست آورد.

()×(ri-rdi) = Rio
(Ro =( ro+rdo
که در این روابط علائم بکار رفته عبارتند از :
Two= در جه حرارت دیواره خارجی لوله
TH= دمای سیال گرم خارج لوله
Ri= مقاومت فیلم داخلی ri=1/hi
Rid=مقاومت ضریب رسوب داخلی
Ro= مقاومت فیلم خارجی
Rdo=مقاومت ضریب رسوب خارج لوله ها
rmo= مقاومت دیواره لوله rmo=
Do=قطر خارجی لوله
Di= قطرداخلی لوله
ضریب انتقال حرارتی کلی :
ضریب انتقالی حرارت بکار رفته در رابطهQ=UATمجموع چند ضریب انتقال حرارت می باشند که عبارتند از :
1. لایه سیال داخل لوله 2.لایه رسوب خارج لوله 3. دیواره لوله
4. لایه رسوب خارج لوله 5. سیال داخل لوله
هر کدام ازموارد ذکر شده بال می بایست درطراحی مبدل در نظر گرفته شوند .
شکل زیر عواملی که بر ضریب کلی انتقال حرارت تاثیر می گذارندرا به طور شماتیکی و ترسیمی نشان داده است .

عومل نشان داده شده در شکل صفحه قبل را می توان به صورت معادله ریاضی زیر برای ضریب انتقال حرارت کلی نشان داد :
Uo=
برای بدست آوردنU روش دیگر آن است که مقاومت های رسوب دو طرف لوله را در نظر بگیریم و U حالت تمیز را محاسبه کرده سپس با مراجعه به نمودار صفحه بعد و در نظر گرفتن مجموع ضرایب رسوب از روی نمودار Uو قعی را بدست می اوریم.
جداول صفحات بعد ضرایب کلی انتقال حرارت را بطور تقریبی نشان می دهند . همچنین ضرایب رسوب برای کاربردهای مختلف صنعتی نشان داده شده است .
ضریب فیلم سیال سمت لوله
از آنجا که سعی می شود در درون لوله ها جریان در هم داشته باشیم لذا به بررسی جریان مغشوش مایعات در داخل کانال می پردازیم:
دوویژگی مهم در مایعات وجود دارد که انها را از گازها متمایز می کند ،اول آنکه عدد پرانتل آنها بزرگتراز گازهاست و دیگر اینکه لزجت آنها با تغییرات دما محسوس است.
زمانی که دمای سطح لوله از دمای سیال بیشتر باشد (گرمایش ) لزجت سیال در نزدیکی سطح کم می شود و لذا سرعت در این نواحی بیشترمی شود ازحالتی که سرمایش سیال داشته باشیم . روابط زیرکه بر اساس آزمایش بدست امده به این شرح است:
گرمایش سیال 0.054 pr0.37 =0.032Re0.8 NU=
سرمایش سیال 0.054 3.pr0 =0.032Re0.8 NU=
دربسیاری از کاربردهای صنعتی که (جریان توسعه یافته )
به جای حاصل ضرب ((0.032× 0.054 ))در معادلات فوق یم توان از عدد ثابت (0.024) استفاده کرد .
از دیگر روابطی که می توان عدد ناسلت را در کانالهای پیش بینی کند ، رابطه معروف"DihusوBoelter" می باشد .
این رابطه برای شرایط زیر برقرار است .
رینولدز1000<Re<120000
پرانتل 0.5<pr<120
جریان توسعه یافته L/D>60
توضیح اینکه خواص در دمای متوسط حساب می شود.
Tm=(Tci+Tco)/2
رابطه "DihusوBoelter"
pr0.4 =0.023Re0.8 NU=
اگر اثرات دهانه ورودی قابل ملاحظه باشد.یعنی L/D<60 دراین صورت عدد "NU"از رابطه زیر بدست می آید .
NU=0.023[1+(D/L)0.7]RE0.8Pr0.4

محاسبات طراحی
محاسبات طراحی
آب ورودی به مبدل با دمایc ْ.2 وارد شده ، فشار آنat 5و دبی 1t/h را می خواهیم بدون تغییر فازc 150ْ برسانیم . از طرف دیگر دود (هوا)خروجی از دود کش توربین گازبا دمای متوسط‍C 400ودبی kg/s ْ1/ 111 خارج میشود.باتوجه به دادهای بالا طراحی مبدل رابدین صورت شروع می کنیم دمای میانگین برای اب چنین است :
Cْ= = 85 = =>

از جدول 5 مشخصات آبc 85ْ را استخراج می نماییم:( از طریق میان یابی )

مشخصات آبc 85ْ

از داده های ابتدای مفروضات تناژ آب را به واحد کوچکترتبدیل می کنیم.
kg/s m =1t/h=>m =
انتقال حرارت در قسمت آب چنین محاسبه می شود :
(1) qc=mccp(Tc1+TC2)
که دراین معادله qc مقدار انرژی مبادله شده ،mcدبی آب وCp ضریب گرمای ویژه آب و Tc1وTc2 بترتیب دمای ورودی و خروجی سیال سرد است. با جایگزینی اعداد در رابطه (1):
qc =0/2777(4197)(150-20)=>151515/897j براساس موازنه یا تعادل انرژی که انچه سیال گرم از دست می دهد همان مقدار را سیال سرد جذب می کند، مقدار درجه حرارت هوای خروجی از مبدل را از روابط زیر می نویسیم:
151515/897j = n q (گرم) =qc (سرد)
از طرفی مقدار حرارت منتقله ازرابط زیر خواهد بود :
(2) qh =mhcp(Th1-Th2)

دراین رابطه n q انرژی مبادله شده mh دبی سال گرم ، cp گرمای ویژه هوا و Th1و Th2 بترتیب گرمای ورودی و خروج هوا از مبدل است .مقادیر موجود رادر رابطه (2) قرار می دهیم .
qh=151515/897=>151515/897=111/1(1046/5)(400-Th2)=> Th2=398c
با توجه به اینکه دمای ورود و خروج سیال گرم بسیاربه هم نزدیک می باشند دما ی متوسط را همانc 400ْ را از جدول 6 می نویسیم :

(ازطریق میان یابی )

مشخصات هوایی C 400ْیا k 673ْ

برای محاسبه عدد رینولدز نیاز به تخمین قطرلوله می باشد
که ازجدول (11) لوله یک اینج یا شماره 40 به ابعاد
M 0344/0= OD وm0266/0ID= وضخامت0038/0t=
در نظرگرفته وابعاد دودکش که قبلاً در محل اندازه گیری شده که مستطیلی به ابعاد 3.8 ×3.1 متر نیز در دسترس می باشد.
نوع لوله فولادی با ترکیب5/0 ‍C≈%و C 400مقدار‍C ْ w/m 40=k است.
نوع آرایش لوله ها را ردیفی فرض نموده و مقدار slوst را مقدار 2 فرض کرده و ضرایبcوn را از جدول خارج می کنیم .
do=0/0334 di =0/0266 sp=st=0/0668
623/0=n 254/0=C 2== 2= =
سطح مقطع کانال عبورهوا از دودکش با توجه به ابعاد موجودخواهد بود .
M2 78/11=Al => 1/3×8/3 A1=
و از طرفی سرعت هوادرکانال چنین محاسبه می گردد.
m/s 98/17==>Vh => ( ) vh= Mh=Q Q=VA=>Vh=
محاسبه عدد رینولدزبرای دود به قرار زیراست ،ابتداسرعت ماکزیمم vmax:
× 98/17 vmax= ( )× vmax=v
Reh= Reh=
روابط زیرکه ازطریق عدد ناسلت مقدار ho محاسبه می شود بدین شکل است :
مقادیرnوc قبلاً از جدول یادداشت شده است:
CRnepr1/3 Nu=
= CRnepr1/3 => =>ho=
=> ho=174/49w/m2.C
اکنون محاسبات برای سیال سردکه آب داخل لوله است باتوجه به اینکه تعدادلوله ها
وسطح حرارتی مجهول است برای سرعت آب مقدارتقریبی0/258m/s را فرض نموده وازروابط زیرسود می جوییم :
V2=0/258m/s=> mc=
که N تعداد لوله ها می باشد بنابراین:
تعداد لوله ها با توجه به دبی و سرعت :
2 =>N≈ 258/0×4/968×)02662/0×=>0/277=N
اکنون با پیش فرض سرعت می توان عددرینولدز وناسلت رامحاسبه نمود :

نوع جریان مغشوش است پس:
=0/023Rec0/8prc0/4 Nuc=

از رابطه ( ) می توان hi را به صورت زیر بدست آورد .
w/m2.C => hi=
حالا با داشتن hi و hoونیزاستخراج ضریب فولینگ (رسوب ) ازجدول ( ) می توان ضریب انتقالی حرارت u را که به نظرطراح می توان بر حسب سطح داخلی یا خارجی گرفته شودمحاسبه کرد در اینجا براساس سطح داخلی محاسبات را انجام می دهیم .
Rdi++++
ضریب فولینگ برای هوای صنعتیcْw/m2 . 0004/0
ضریب فولینگ برای تغذیه دیگر تصفیه شده بالایfْ 125 ،cْ w/m2 . 002/0
kw ضریب هدایت گرمای فولاد، dw=قطرمتوسط، t ضخامت لوله
Rdi=Ri+Ro
Rdiضریب رسوب ،Ri ضریب رسوب خارجی است .
4-10×186/5= 0004/0+0002/0= Rdi
اعداد موجودرا در فرمول ( ) جایگزین می نماییم :

4-10×186/5+×++ =
3-10× 487/5=>=
w/m2.C 25/182 u1 =
فرمول نهای برای بدست آوردن سطح حرارتی :
q=UAFTm
U ضریب انتقال حرارت،A سطح حرارتی کل ،F ضریب تصحیح Tm اختلاف دمای متوسط لگاریتمی:
روش محاسبهTm:
Tm=LMTD=
Tm=
ونیزضریب تصحیح F چنین است:

مقادیرt1وt2 مربوط به دمای ورودو خروج سیال سرد و T1وT2 مربوط به سیال گرم می باشند.
باتوجه به مقادیرPوR از روابط ( ) و( ) به سراغ جدول ( ) رفته ومقدارضریب تصحیح F را از آن می خوانیم:F≈1
بابدست آوردن مقدارF، LMTDوUوq از قبل و با قرار دادن آنها در رابطه ( ) مقدارسطح حرارتی کل چنین خواهد بود .
( ) q=Ui.A.FTm=>A=
=>A.=2/727m2 =>A=
از طرف دیگر ولوله ها از رابطه زیر( ) پیدا می شود:
A=NdiL ( )=>2/727=2(3/14)(0/0266)L=>L=16/266m
عرض کانال هوا برابر 3/1 متر بود بنابراین :
پاس 25/5 =1/3÷266/16  266/16=L
nتعدادپاس ها حدود 5 برابرمی آید.

محاسبه کلیه پارامتر برای لوله اینچ:
اکنون مشابه این محاسبات رابرای لوله های استاندارد مختلف انجام می دهیم:
‍c=254/0
n=623/0
Pro=683/0
Kw=42
do=0102/0m
di=83/63-10
t=73/13-10
Pri=095/2
i=37/33-10
Vc=258/0 m/s
Mc=277/0k/s
=24/35-10m/s
Vmax=29/35m/s
Ki=675/0
Ko=0508/0
µo=5-10×24/3

از رابطه ( ) تعداد لوله ها را بدست می اوریم :
Mc=N()Vc = N =
محاسبه عدد رینولدزبرای آب داخل لوله وهوای اطراف آن :

=0/023Rec0/8prc0/4 Nuc=
hi= =>hi=
=73/2809w/m2.C

5/266= ho==CRenpe1/3 =>ho=
اختلاف فشاری که دردوطرف مبدل به وجود می اید.از رابطه زیر معروف به رابطه زوکاس کاس محاسبه می شود ،مقادیرf1وf2 ازروی شکل صفحه 46 و بر اساس عدد رینولدز بدست می آید وn تعدادلوله ها می باشد.
Pa(N/m2) 4-10×676/4 ()1 × 5/2 ×30 =>p=p=Nf1f2
محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی :
( ) Rdi=Ri+Ro
4-10×676/4=()0004/0+0002/0= Rdi

( ) Rdi++++

300 =>ui=
از رابطه ( ) با معلوم بودن مقادیر qوF وTm سطح حرارتی Aدست می آید :
q=Ui.A.FTm=>A= ( )

از رابطه ) )مقدار L چنین است.
A=NdiL ( )=>83/6)(14/3)30=63/1×(3-10 L => L 54/2=m
Nتعداد پاس ها تقریباً یک است. 8/0=1/3÷54/2

محاسبه کلیه پارامتر برای لوله اینچ:
اکنون مشابه این محاسبات رابرای لوله های استاندارد مختلف انجام می دهیم:
‍c=254/0
n=623/0
Pro=683/0
Kw=42
do=213/0m
di=0158/0
t=77/23-10
Pri=095/2
i=37/34-10
Vc=258/0 m/s
Mc=277/0k/s
=4/968m/s
Vmax=29/35m/s
Ki=675/0
Ko=0508/0
µo=5-10×24/3

از رابطه ( ) تعداد لوله ها را بدست می اوریم :
Mc=N()Vc = N =
محاسبه عدد رینولدزبرای آب داخل لوله وهوای اطراف آن :

=0/023Rec0/8prc0/4 Nuc=
hi= =>hi=
=73/2809w/m2.C

محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی :
( ) Rdi=Ri+Ro
4-10×968/4=()0004/0+0002/0= Rdi

( ) Rdi++++

300 =>ui=
از رابطه ( ) با معلوم بودن مقادیر qوF وTm سطح حرارتی Aدست می آید :
q=Ui.A.FTm=>A= ( )

از رابطه ) )مقدار L چنین است.
A=NdiL ( )=>58/1)(14/3)6=23/2×(3-10 L => L 54/7=m
n تعداد پاس ها تقریباً 3 است. 5/2=1/3÷52/7

محاسبه کلیه پارامتر برای لوله اینچ:
اکنون مشابه این محاسبات رابرای لوله های استاندارد مختلف انجام می دهیم:
‍c=254/0
n=623/0
Pro=683/0
Kw=42
do=0583/0m
di=0409/0
t=68/33-10
Pri=095/2
i=37/34-10
Vc=258/0 m/s
Mc=277/0k/s
=4/968m/s
Vmax=29/35m/s
Ki=675/0
Ko=0508/0
µo=5-10×24/3

از رابطه ( ) تعداد لوله ها را بدست می اوریم :
Mc=N()Vc = N =
محاسبه عدد رینولدزبرای آب داخل لوله وهوای اطراف آن :

=0/023Rec0/8prc0/4 Nuc=
hi= =>hi=
=24/1946w/m2.C

محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی :
( ) Rdi=Ri+Ro
4-10×385/5=()0004/0+0002/0= Rdi

( ) Rdi++++

75/149 =>ui=
از رابطه ( ) با معلوم بودن مقادیر qوF وTm سطح حرارتی Aدست می آید :
q=Ui.A.FTm=>A= ( )

از رابطه ) )مقدار L چنین است.
A=NdiL ( )=>0409/0)(14/3)6=23/2×(3-10 L => L 46/25=m
n تعداد پاس ها تقریباً 8 است. 2/8=1/3÷46/25

مشخصات سیالها
سرعت
m/s
دبی
Kg/s
دمای خروجی
C ْ
دمای ورود
C ْ
نوع سیال

258/0
277/0
150
20
آب
سیال سرد
98/17
1/111
398
400
هوا(دود)
سیال گرم

مشخصات مبدل با لوله 1 اینچ
897/151515
qمقدارانرژی تبادل
2m688/2
A سطح تبادل حرارت
2
N تعداد لوله ها
5
n تعداد پاسها
1 اینچ
اندازه و نوع لوله
فولاد با5/0%کربن
جنس لوله
M083/16
طول لوله
Cْ.2w/m74/2140
hi ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
Cْ.2w/m74/49/174
ho ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
اجباری
جابجایی سیال سرد
اجباری
جابجایی سیال گرم
پوسته ولوله
نوع مبدل
تماس غیرمستقیم
نوع تماس سیالها
مبدل سطحی با انتقال حرارت مستقیم
انتقال حرارت مبدل
Pa3/46
P اختلاف فشار دو طرف مبدل
مشخصات سیالها
سرعت
m/s
دبی
Kg/s
دمای خروجی
C ْ
دمای ورود
C ْ
نوع سیال

258/0
277/0
150
20
آب
سیال سرد
98/17
1/111
398
400
هوا(دود)
سیال گرم

مشخصات مبدل با لوله اینچ
897/151515
qمقدارانرژی تبادل
2m63/1
A سطح تبادل حرارت
30
N تعداد لوله ها
1
n تعداد پاسها
اینچ
اندازه و نوع لوله
فولاد با5/0%کربن
جنس لوله
M54/2
طول لوله
Cْ.2w/m73/2809
hi ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
Cْ.2w/m75/266
ho ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
اجباری
جابجایی سیال سرد
اجباری
جابجایی سیال گرم
پوسته ولوله
نوع مبدل
تماس غیرمستقیم
نوع تماس سیالها
مبدل سطحی با انتقال حرارت مستقیم
انتقال حرارت مبدل
Pa2/694
P اختلاف فشار دو طرف مبدل
مشخصات سیالها
سرعت
m/s
دبی
Kg/s
دمای خروجی
C ْ
دمای ورود
C ْ
نوع سیال

258/0
277/0
150
20
آب
سیال سرد
98/17
1/111
398
400
هوا(دود)
سیال گرم

مشخصات مبدل با لوله اینچ
897/151515
qمقدارانرژی تبادل
2m237/2
A سطح تبادل حرارت
6
N تعداد لوله ها
3
n تعداد پاسها
اینچ
اندازه و نوع لوله
فولاد با5/0%کربن
جنس لوله
M52/7
طول لوله
Cْ.2w/m8/2375
hi ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
Cْ.2w/m44/203
ho ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
اجباری
جابجایی سیال سرد
اجباری
جابجایی سیال گرم
پوسته ولوله
نوع مبدل
تماس غیرمستقیم
نوع تماس سیالها
مبدل سطحی با انتقال حرارت مستقیم
انتقال حرارت مبدل
Pa8/138
P اختلاف فشار دو طرف مبدل
مشخصات سیالها
سرعت
m/s
دبی
Kg/s
دمای خروجی
C ْ
دمای ورود
C ْ
نوع سیال

258/0
277/0
150
20
آب
سیال سرد
98/17
1/111
398
400
هوا(دود)
سیال گرم

مشخصات مبدل با لوله 1 اینچ
897/151515
qمقدارانرژی تبادل
2m72/2
A سطح تبادل حرارت
1
N تعداد لوله ها
8
n تعداد پاسها
1اینچ
اندازه و نوع لوله
فولاد با5/0%کربن
جنس لوله
M46/25
طول لوله
Cْ.2w/m24/1964
hi ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
Cْ.2w/m51/150
ho ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال داخل لوله
اجباری
جابجایی سیال سرد
اجباری
جابجایی سیال گرم
پوسته ولوله
نوع مبدل
تماس غیرمستقیم
نوع تماس سیالها
مبدل سطحی با انتقال حرارت مستقیم
انتقال حرارت مبدل
Pa4/20
P اختلاف فشار دو طرف مبدل

فهرست مطالب
مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها 1
مبدلهای دو لوله ای 1
مبدلهای لوله مارپیچی 1
لوله های مبدل 2
اصول کلی در طراحی مبدلهای حرارتی 3
طراحی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله 6
نکات مهم در طراحی کندانسوز وبررسی بهینه سازی آن 8
اطلاعات طراحی برای استفاده کننده 9
شرایط فرایند در مبدل حرارتی 10
دبی جریان سیال 11
ضرایب رسوب 11
افت فشارمجاز 12
نوع مبدل و نگهداری : 12
ویژگی های سیال : 13
ملاحظات مهندس طراح مبدل حرارتی: 14
سطح انتقال حرارت : 17
تعداد لوله ها : 18
درجه حرارت دیواره لوله : 18
ضریب انتقال حرارتی کلی : 19
ضریب فیلم سیال سمت لوله 21
محاسبات طراحیمحاسبات طراحی 23
محاسبه کلیه پارامتر برای لوله اینچ: 31
محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی : 32
محاسبه کلیه پارامتر برای لوله اینچ: 34
محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی : 35
محاسبه کلیه پارامتر برای لوله اینچ: 37
محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی : 38
مشخصات سیالها 40
مشخصات مبدل با لوله 1 اینچ 40
مشخصات سیالها 41
مشخصات مبدل با لوله اینچ 41
مشخصات سیالها 42
مشخصات مبدل با لوله اینچ 42
مشخصات سیالها 43
مشخصات مبدل با لوله 1 اینچ 43

1. Dauble pipe
2 Birmingham Wire Gage
—————

————————————————————

—————

————————————————————

تعداد صفحات : 45 | فرمت فایل : word

بلافاصله بعد از پرداخت لینک دانلود فعال می شود