دسته بندی مبادله کن های گرما
۱-۱ مقدمه
مبادله کن های گرما ، وسایلی هستند که جریان انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال در دمای مختلف را فراهـــم می کنند . مبادله کن های گرما در محـــدوده ی وسیعی از کاربردها استفاده می شوند . کاربردها شامل تولید برق ، صنایع فرایندی ، شیمیایی ، غذایی ، الکترونیک ، مهندسی محیط زیست ، بازیابی گرمای استفاده نشده ، صنایع ساخت و تولید ، تهویه مطبوع ، تبرید و کاربردهای فضا می باشند . مبادله کن های گرما می توانند بر طبق معیارهای زیر طـبقه بندی شوند [ ۲و۱ ] :
۱- مبادله کن های گرما از نقطه نظر انتقال گرما و یا بازیابی گرما
۲- مبادله کن های گرما از نقطه نظر فرایند انتقال : تماس مسبقیم و یا غیر مستقیم سیال سرد گرم .
۳- مبادله کن های گرما از نقطه نظر هندسه ساختار : لوله ها ، صفحه ها و سطوح پره دار
۴- مبادله کن های گرما از نقطه نظر مکانیزم های انتقال گرما : یک فاز و دو فاز
۵- مبادله کن های گرما از نقطه نظر آرایش جریانهای گرم و سرد : هم جهت ، مخالف جهت جریانهای متقاطع
جریانهای متقاطع
دسته بندی مبادله کن های گرما به ۵ گروه فوق در شکل ( ۱-۱ ) [۱] نشان داده شده است .
۲-۱- مبادله کن های گرما از نقطه نظر انتقال و یا بازیابی گرما
مبادله کن های گرمای معمول نشان داده شده در شکل ترسیمی ( a-1-1 ) که در آنها انتقال گرما بین دو سیال صورت می گیرد ، جبـران کننده ی کاهش انرژی سیستم توسط انتقال گرمــا گفته می شود . زیرا جریان A ، مقداری از گرمای از دست رفته ی جریان B را در خود نگهداری و حمل می کند . انتقال گرما ، از طریق دیوار جدا کننده ی ( شکل d 1-1 ) و یا از طریق سطح تماس مستقیم دو سیال شکل ( c1-1 ) صورت می گیرد . مثالهایی از مبادله کن ها ، از نوع انتقال گرما ، در شکل ( ۲-۱ ) نشان داده است .
در بازیابهای گرما و مبادله کن های گرما از نوع ذخیره ای ، گذرگاه جریان ( ماتریس ) به طور متناوب توسط یکی از دو سیال ، اشغال می گردد . سیال گرم ، انرژی گرمایی را در ماتریس ذخیره می کند ، سپس در طی جریان سیال سرد از همان گذرگاه ، انرژی ذخیره شده ، از ماتریس بازیابی می شود . بنابراین در این حالت ، انرژی گرمایی ، از طریق دیواره و یا تماس مستقیم دو سیال سرد گرم انتقال پیدا نمی کند . این اصل چرخه ای ، در شکل ( b- 1-1 ) نشان داده شده است .
تا هنگامیکه جسم صلب ، در داخل جریان سرد A است ، گرما از دست می دهد و هنگامیکه جریان گرم B است ، گرما به دست می آورد ( یعنی گرما بازیافت می شود ) . چند مثال مبادله کن های گرما از نوع ذخیره ای عبارتند از : بازیاب دوار در سیکل توربین گاز ( برای گرم کردن هوای ورودی محفظه ی احتراق پس از عبور از کمپرسور ) ، پیش گرمکن هوا با ماتریس ثابت برای مشعل کوره ، کوره های ذوب فولاد ، کوره های ذاوب فولاد با دهانه باز و کوره های ذوب شیشه . بازیاب ها می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
۱- بازیاب دوار
۲- بازیاب با ماتریس ثابت
بازیابهای دوار ، خود می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
۱-نوع دیسکی
۲- نوع استوانه ای
طرح بازیابهای نوع دیسکی و استوانه ای ، در شکل ( ۳-۱ ) نشان داده شده اند . در بازیاب نوع دیسکی ، سطح انتقال گرما به شکل دیسک است و سیال ، به صورت محوری جریان دارد . در بازیاب نوع استوانه ای ، ماتریس به شکل استوانه ی توخالی است و سیال در آن به صورت شعاعی جریان دارد . این بازیابها ، مبادله کن های گرما با جریان دوره ای هستند . در بازیاب های دوار ، عملیات پیوسته است . در این حالت ، ماتریس به صورت دوره ای به داخل و خارج جریان ثابت گازها حرکت می کند .
بازیاب دوار برای گرمایش هوا ، در شکل ( ۴-۱ ) نشان داده شده است . دو نوع از پیش گرمکن های بازیابی هوا د رنیروگاهها ی معمول استفاده می شوند [۳] : نوع صفحه دوار ( شکلهای ۴-۱ و ۵-۱ ) و نوع صفحه ثابت ( شکل ۶-۱ ) . روتور گرمکن هوا با صفحه دوار ، در داخل محفظه ای جعبه مانند سوار شده است و صفحه ی گرم کننده به شکل صفحه مسطح ، مشابه آنچــه در شکل ( ۵-۱ ) نشان داده شده است ، نصب می شود . با چرخش آرام روتور ، سطح گرمایش ، به صورت متناوب در معرض گازهای خروجی گرم و هوای ورودی قرار می گیرد . هنگامیکه سطح گرمایش ، در جریان گاز خروجی گرم قرار می گیرد ، گرم می شود و هنگامیکه این سطح توسط وسایل مکانیکی ، بداخل هوا چرخانده می شود ، گرمای ذخیره شده ی در آن ، به جریان هوا پس داده می شود و بنابراین جریان هوا را گرم می نماید . در گرمکن هوای با صفحه ی ثابت ( شکل ۶-۱ ) ، صفحات گرمایش ثابت هستند . در حالیکه کلاهک هوای سرد ، هم در پایین ، در طول صفحه ی گرمایش ، می چرخند . اصول انتقال گرما ، در این نوع ا زبازیابها همانند اصول مربوط به بازیابهای گرمکن هوا با صفحه دوار می باشد . در یک بازیاب با ماتریس ثابت ، جریان های گاز باید به طرف و یا از طرف ماتریس های ثابت ، منحرف و هدایت شوند . بازیابها ، مبادله کن های فشرده گرما هستند و برای نسبت سطح به حجم تقریباً تا .
۳-۱- مبادله کن های گرما از نقطه نظر فرایند انتقال
بر طبق فرایندهای انتقال ، مبادله کن های گرما ، به نوع تماس مستقیم[۱] و نوع تماس غیر مستقیم[۲] ( انتقال گرما از طریق دیواره [۳] ) تقسیم می شوند .
در مبادله کن ها ی گرمای نوع تماس مستقیم ، گرما بین سیالهای سرد و گرم از طریق سطح تماس این دو سیال انتقال می یابد . هیچ دیواره ای بین جریانهای سرد و گرم وجود ندارد و انتقال گرما از طریق سطح تماس دو جریان ، مطابق شکل ( c – ۱-۱ ) ، اتفاق می افتد . در مبادله کن های گرما از نوع تماس مستقیم ، جریانها ، دو مایع غیر قابل اختلاط ویا یک گاز و یک مایع هستند ، در این مورد ، ترکیب ذرات جامد و یک سیال نیز بکار می رود . چگالنده ها ، با افشانده مایع در جریان بخار ، و چگالنده های سینی دار که مایع و بخار در تماس مستقیم با یکدیگرند ( شکل ۷-۱ ) و برجهای خنک کن ، مثالهای خوبی از چنین مبادله کن هایی می باشند . [ ۴و۵ ] . غالباً در چنین مبادله کن ها ، انتقال گرما و جرم به صورت همزمان صورت می گیرد . در برج خنک کن ، یک افشانده آب که از بالای برج در حال سقوط است ، در تماس مستقیم با هوا که به سمت بالا جریان دارد خنک می شود ( شکلهای ۱۴-۱۱ و ۱۵-۱۱ ) . در مبادله کن گرما از نوع تماس غیر مستقیم ، انرژی گرمایی ، بین سیالهای سرد و گرم ، از طریق سطح انتقال گرما ( یعنی دیواره ی جدا کننده ی سیالها ) مبادله می شود ( شکل d – ۱-۱ ). در این مبادله کن های گرما ، سیالهای سرد و گرم مخلوط نمی شوند . مثالهایی از این نوع مبادله کن ، در شکل ( ۲-۱ ) نشان داده شده اند .
مبادله کن ها از نوع تماس غیر مستقیم و تماس مستقیم ، جبران کننده کاهش انرژی توسط انتقال گرما ، نیز گفته می شوند . مبادله کن های لوله ای ( دولوله ای ، پوسته ای و لوله ای ) ، صفحه ای ، سطح پره دار ، برجهای خنک کن و چگالنده های سینی دار ، مثالهایی از جبران کننده های کاهش انرژی یک سیستم توسط انتقال گرما هستند .
۴-۱- مبادله کن های گرما ازنقطه نظر شکل و ساختار
مبادله کن های گرما از نوع تماس غیر مستقیم ( مبادله کن های گرما با انتقال گرما از طریق دیواره [۴] ) اغلب بر حسب مشخصات ساختاریشان توصیف می شوند . انواع عمده ی دسته بندی شکل و ساختار مبادله کن های گرما ، شامل لوله ای ، صفحه ای و سطح پره دار است .
۱-۴-۱- مبادله کن های لوله ای
این مبادله کن ها از لوله هایی با مقطع دایره ای ساخته شده اند . یک سیال در داخل لوله ها و سیال دیگر در خارج لوله جریان دارد . قطر ، تعداد ، طول ، گام[۵] و آرایش لوله ها [۶] می تواند تغییر کند . بنابراین ، انعطاف پذیری قابل ملاحظه ای در طراحی آنها وجود دارد . مبادله کن های گرمای لوله ای می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
۱- دولوله ای[۷]
۲- پوسته ای و لوله ای[۸]
۳- نوع لوله ای حلزونی[۹]
(۱) مبادله کن های گرمای دو لوله ای
مبادله کن گرمای دو لوله یا معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لوله ای دیگر با قطر بزرگتر قرار می گیرد تا جریان را به صورتی که در شکلهای ( ۲-۱ ) و ( ۸-۱ ) نشان داده شده است از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند . مبادله کن های گرمای دو لوله ای می توانند با آرایش های گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند. استفاده ی عمده ی مبادله کن های دو لوله ای ، برای گرمایش یا سرمایش محسوس سیالهای فرایندی است که در آنها سطوح انتقال گرمای کوچکی ( تا m2 50 ) مورد نیاز می باشد . این شکل بندی ، همچنین در حالتیکه یک یا هر دو سیال سرد و گرم ، در فشار زیاد باشند ، مناسب است . عیب اصلی این مبادله کن های گرما آنست که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم بوده ، و به عبارت دیگر برای ظرفیت گرماییی مشخص ، بزرگ و گران قیمت هستند . سیستم لوله گذاری داخلی ، می تواند یک لوله ای یا چند لوله ای باشد ( شکل ۸-۱ ) . اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بین لوله داخلی و خارجی[۱۰] کوچک باشد ، لوله ( یا لوله های ) داخلی دارای پره های طولی می توانند استفاده شوند . مبادله کن های گرمای دو لوله ای که با وجود یک خم ، شکلی شبیه سنجاق سر ( دو شاخه ) پیدا می کنند ، و مقاطع و خم برگشت جریان د رآنها ، در شکل ( ۸-۱ ) نشان داده شده است .
۱-Direct contact
۲-Indirect contact
۳- Transmural heat transfor
۴-Transmural
۵- Tube pitch
۶-Tube arrangement
۷- Double- pipe
۸- Shell- and – tube
۹- Spiral – tube
فهرست مطالب صفحه :
فصل اول : دسته بندی مبادله کن های گرما
مقدمه ۵
مبادله کن های گرما از نقطه نظر انتقال و بازیابی ۵
مبادله کن های گرما از نقطه نظر فرایند انتقال ۶
مبادله کن های گرما از نقطه نظر شکل و ساختار ۷
مبادله کن های گرما از نقطه نظر مکانیزم های انتقال گرما ۱۴
مبادله کن های گرما از نقطه نظر آرایش جریانهای گرم و سرد ۱۴
مبادله کن های گرما از نقطه نظر کاربرد آنها ۱۶
انتخاب مبادله کن های گرما ۱۷
فصل دوم : روشهای پایه در طراحی مبادله کن های گرما
مقدمه ۱۸
آرایش مسیر جریان در مبادله کن های گرما ۱۸
معادلات پایه در طراحی ۱۸
ضریب کلی انتقال گرما ۲۰
روش متوسط لگاریتمی اختلاف دما برای تحلیل مبادله کن گرما ۲۳
فصل سوم : روابط انتقال گرما جابجایی اجباری برای سمت جریان یک فاز در مبادله کن های گرما
مقدمه ۲۷
جابجایی اجباری در جریان آرام ۲۹
اثر خواص فیزیکی متغییر سیال در جابجایی اجباری آرام ۳۳
جابجایی اجباری در جریان آشفته ۳۶
جریان آشفته در مجراهای غیر دایره ای مستقیم با سطوح صاف ۴۰
اثر خواص فیزیکی متغیر سیال در جابجایی اجباری آشفته ۴۱
خلاصه جابجایی اجباری در مجراهای مستقیم ۴۷
انتقال گرما از دسته لوله ها با سطوح صاف ۴۸
انتقال گرما در کویل های مارپیچ و حلزونی ها ۴۹
انتقال گرما در خم ها ۵۱
فصل چهارم : افت فشار و توان پمپ کردن در مبادله کن های گرما
مقدمه ۵۳
افت فشار سمت لوله ۵۳
افت فشار در دسته لوله ها در جریان متقاطع ۵۷
افت فشار در کویلهای حلزونی و مارپیچ ۵۸
افت فشار در خم ها و اتصالات و تبدیلها ۶۰
افت فشار برای کاهش و افزایش ناگهانی سطح مقطع
وتغییر اندازه حرکت ۶۳
رابطه انتقال گرما و توان پمپ کردن ۶۳
فصل پنجم : تشکیل رسوب در مبادله کن های گرما
مقدمه ۶۶
ملاحظات اساسی ۶۶
اثرات تشکیل رسوب ۶۷
جنبه های مختلف تشکیل رسوب ۷۱
طراحی مبادله کن های گرما در معرض تشکیل رسوب ۷۶
کارکرد مبادله کن های گرما رد معرض تشکیل رسوب ۷۸
روشهای کنترل تشکیل رسوب ۷۸
فصل ششم : مبادله کن های گرمای دو لوله ای
مقدمه
طراحی گرمایی و هیدرولیکی لوله داخلی
تحلیل گرمایی و هیدرولیکی فضای حلقوی
آرایشهای موازی – سری مبادله کن های دو شاخه ای
کل افت فشار
مواردی در طراحی و کارکرد
فصل هفتم : مبادله کن های فشرده گرما
مقدمه
انتقال گرما و افت فشار
