مقاله مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها دارای ۴۶ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها :

مبدلهای حرارتی دسته بندی و ساختمان انها

۱ مبدلهای دو لوله ای
۲ مبدلهای لوله مارپیچی
۳ مبدلهای لوله پوسته ای
۱ 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 ْ۱۸۰ 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 ۵۰ 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.
۲ 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 ۴۰ اتمسفرمناسب هستند .
۳ 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 ( ، ،۱، ۱، ۱)اینچ می باشد .
ضخامت دیواره لوله ها در واحدB.W.G 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 :
۱ هزینه های مربوط به سرمایه گذاری درطرح ، مواد،ساخت، آزمایش،حمل و نقل و نصب .

۲ 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.
۱روش استفاده از اختلاف دمای توسط لگاریتمی
۲ 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 :

۱ آیا سرعت های سیال درمحدودهقابل قبولی است تا هم ازسایش مؤلفه های مبدل جلوگیری شودو هم اثر ارتعاشات را محدود کند .
۲ آیادریچه های ورود و خروج سیال در مکانهای مناسب هستند .
۳ در مورد افت فشار،آیا درد محدوده مجاز است و حداکثر بازده را دارد.
۴ آیا مسئله اختلاف انبساط بین پوسته و لوله ها در نظر گرفته شده است.
۵ اتصال لوله بهTube Sheet ازچه نوعی است .

۶ 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:
۱ انتقال حرارت کلی
۲ دبی سیال ورودی و خروجی مبدل

۳ دماهای ورودی و خروجی ازمبدل
۴ فشار عمل کرد دستگاه
۵ ضریب رسوب
۶ افت فشارهای مجاز
۷ خوردگی مجاز
۸ مواد سازنده
۹ ضخامت دیواره لوله برای ملاحظات خوردگی

۱۰ نوع مبدل حرارتی
۱۱ مشخصات ،کدهاواستانداردها
۱۲ محدودیت های اندازه و فضا

۱۳ نصب عمودی یا افقی
۱۴ 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 ۱T 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 :
۱ سرعت سایلهای بکار فته

۲ تعداد گذرهای لوله
۳ تعداد گذرهای پیوسته
۴ تعداد پوسته ها

۵ طول و قطرخارجی وbwg لوله ها
۶ اندازه پوسته
۷ توزیع سیال در ورود و خروج
۸ ار تعاشات ، اختلاف انبساط
۹ گام لوله ها

۱۰ آرایش لوله ها
۱۱ افت فشار
۱۲ آسانی در بهره برداری و نگهداری