فهرست مطالب

چکیده……………………………………………………………………………… 1

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل 1

1 مقدمه
فرایند تبادل حرارتی میان دو یا چند سیال با دماهای مختلف در اغلب فرایندهای صنعتی، تجاری و خانگی اتفاق می افتد و معمولا برای این کار از مبدل های حرارتی استفاده می شود. طیف وسیعی از مبدل های حرارتی با شکل، اندازه، نحوه انتقال حرارت و ویژگی های متفاوت دیگر استفاده می‌شوند که در فرایندهای مختلف، صنایع نفت، نیروگاه ها، حمل و نقل، تهویه، تبرید، و صنایع بیومیدیکال و سرمازای کریوژنیک و غیره مورد بهره برداری قرار می گیرند. مبدل ها را می توان براساس نحوه تماس (مستقیم و غیرمستقیم) دسته بندی کرد. در گذشته گرمای انتقال یافته از طریق سیالات با تماس مستقیم انجام می شد و دیواره سیالات را از هم جدا نمی کرد. در این شیوه به علت فقدان دیواره میان سیالات، دماهای اپروچ یا تقریب دقیق تری به دست می آید و انتقال حرارت غالبا همراه با انتقال جرم نیز می باشد. برج خنک کن نمونه ای از یک مبدل حرارتی از نوع تماس مستقیم است. در مبدل های حرارتی که از تماس غیرمستقیم یا ترانسمورال استفاده می کنند، یک دیواره (به شکل ورق، لوله یا در مواردی به صورت دیگر اشکال غیر دایره ای جریان سیالات داغ و سرد را از هم جدا می کنند و تبادل حرارت میان آن ها از طریق این سطح اتفاق می افتد. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله و صفحه ای (یا صفحه و قاب) نمونه هایی از مبدل های تماس غیرمستقیم هستند؛ سیستم بازیاب حرارت گردان نیز نمونه ای از مبدل تماس غیرمستقیم است که در آن گرما به شیوه انتقالی مبادله می شود. مبدل ها را می توان براساس ویژگی های ساختاری آن‌ها، وضعیت های انتقال حرارت و مشخصه های کارکرد حرارتی طبقه بندی کرد.
شدت رقابت در بازارهای جهانی و نیاز روز افزون به صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش اثرات زیست محیطی فرایندها سبب شده است که مصرف کنندگان به سمت استفاده از مبدل های با کارایی بالا متمایل شوند. با وجودی که هنوز به وفور از مدل های حرارتی پوسته و لوله در صنایع مختلف استفاده می شود و کارایی آن ها را می توان با استفاده از وسایل تقویتی در آن ها بسیار بالا برد ، اما به نظر می رسد که این مبدل ها از نظر نسبت قطرها و مساحت سطح هیدرولیک به حجم بسیار بزرگ هستند. آگاهی مهندسین از این مشکل سبب توسعه انواع مبدل‌های مختلف دیگر شده است که کارایی بالایی دارند و بسیار جمع و جورترند . یک مبدل حرارتی کم حجم یا جمع و جور مبدلی است که چگالی مساحت سطح انتقال آن در حداقل یکی از طرف های سیال بیش تر از 700 m2/m3 باشد .این مبدل ها نه تنها جای کوچکتری اشغال می کنند بلکه ویژگی های ساختاری آن ها به گونه ای است که کارایی هیدرولیکی – حرارتی بهتری ایجاد می کنند و بازدهی انرژی آن ها بیش تر و هزینه های بهره‌برداری از آن ها، هزینه های سرمایه ای و مواد در آن ها کمتر است.
هر چند مبدل های حرارتی صفحه ای (PHE) به لحاظ جمع و جور بودن در رده پایین طبقه‌بندی مبدل ها بر این اساس قرار می گیرند ، اما این مبدل ها نسبت به مدل های دیگر بسیار جمع و جورتر، دارای مزایای زیاد و ویژگی های کاری منحصر به فردی هستند. از جمله این مزایا می‌توان به درجه بندی حرارتی قابل انعطاف این مبدل ها (به راحتی می توان صفحات را اضافه یا کم کرد تا جوابگوی نیازهای مختلف به بار حرارتی باشند)، تمیزکاری راحت آن ها در شرایط بهداشتی حاد (مثلا در صنایع غذایی) دارویی و صنایع فرآوری لبنیات)، اختلاف دمای اپروچ پایین در هنگام استفاده از شیوه جریان معکوس یا مخالف خالص (که برای مواردی لازم است که در آن ها به شرایط کرایوژنیک و تعدیل روند کاهش دمای شماری از سیالات فرایند نیاز داریم)، و افزایش کارایی انتقال حرارت اشاره کرد؛ بنابراین طرح PHE ها ماهیتا بسیار خاص است چرا که توأما باید به انواع صفحات و شیارهای سطحی آن ها، آرایش جریان ها، مشخصه های عملکردی آن ها و ویژگی های ساختاری و کاری آن ها اشاره کرد.

ساختمان و عملکرد مبدلهای صفحه ای …………………………………………..2
2-1 سابقه تاریخی استفاده از مبدل ها……………………………………………. 4
3-1 ساختمان…………………………………………………………………………. 6
4-1 مشخصه های عمومی مبدل های صفحه ای………………………………… 8

فصل 2

یک مبدل حرارتی صفحه ای اساساً مجموعه‌ای از صفحات فلزی پرس شده نازک و مستطیلی است که میان واشرهای پیرامونی قرار گرفته و در یک قاب به هم بسته شده اند. قاب این مبدل دارای یک صفحه درپوش انتهایی ثابت است که مجاری اتصال در آن نصب شده اند و با یک درپوش صفحه ای متحرک به هم پیچ شده اند تا صفحات میان آن ها قرار گیرند. میله های حامل فوقانی و تحتانی مبدل امکان تنظیم صحیح مجموعه صفحات را فراهم می کنند. نمای جانبی و جلویی مبدل هایی که کاملاً سرهم بندی شده اند. این نوع ترکیب را آرایش یا چیدمان U شکل می‌گویند و آرایش دیگر ترتیب Z شکل است که در آن مجموعه ای از مجراهای خروجی و ورودی روی درپوش های متحرک قرار گرفته اند.
مجاری موجود در قاب های انتهایی اتصالات تفاوت دارند .نمایش مجاری خروجی و ورودی سیال در گوشه های هر صفحه شیاردار قرار می‌گیرند و مجاری قاب طوری تنظیم می شوند که لوله مادر توزیع جریان از هر دو جریان تشکیل شود. واشرهای پیرامونی طوری هستند که میان صفحات مجاور فضای لازم برای تشکیل جریان در کانال ایجاد و مسیرهای جریان مناسب برای سیالات داغ و سرد در کانال های دیگر تشکیل می‌شود.

1-1-2 الگوهای صفحه ای شیاردار
عملکرد حرارتی – هیدرولیکی مبدل های حرارتی صفحه ای به شدت به الگوهای شیار سطحی صفحاتی بستگی دارد که این شیارها در روی آن ها ایجاد شده است.
صفحه معمولا یک ورق فلزی است که شیارها یا کنگره ها (یا موج ها) روی سطح آن ها با برجسته کار یا شیارزنی ایجاد می شوند. همچنین در یک طرف از هر کدام از صفحات شیاردار، شیارهای خاصی برای واشرها وجود دارد که این شیارها در امتداد لبه های صفحه و اطراف مجاری قرار دارند. تا کانال های بین صفحه ها آب بندی شوند و ورودی های دیگری برای ورود و خروج سیال ایجاد شود. صفحات با الگوهای مختلف برجسته کاری یا شیارزنی می شوند و ابعاد مجاری آن ها نیز متفاوت است .مبدل های موجود در بازار دارای سطح صفحاتی با ابعاد مختلف هستند و مزایای مربوط به کارایی حرارتی – هیدرولیکی آن ها اندکی مبهم و نامشخص است . شیارهای تمامی صفحات مجاور در یک مبدل با هم مسیرهای جریان باریک و منقطع تشکیل می دهند و نیز مجاری جریان میان صفحه ای و میان شیاری ایجاد شده سبب افزایش ضرایب انتقال حرارت همرفتی و کاهش رسوب گیری می شوند.
این شیارها مساحت سطح مؤثر برای انتقال حرارت و نیز صلبیت صفحه را افزایش می دهند و نقاط اتصال متعدد فلز که میان صفحات مجاور وجود دارند، سبب افزایش تکیه گاه مکانیکی برای مجموعه صفحات مبدل می گردند.
ساختار و کارکرد مبدل های حرارتی صفحه ای…………………………………… 12
1-1-2 الگوهای صفحه ای شیاردار…………………………………………………… 13
2-2 ارزیابی مبدل های حرارتی صفحه ای…………………………………………. 14
1-2-2 مبدل حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده (BPHE) ا…………………………15
2-2-2 مبدل حرارتی صفحه ای نیمه جوش شده………………………………….. 15
3-2-2 مبدل های حرارتی صفحه ای کاملا جوش شده…………………………… 16
4-2-2 مبدل حرارتی صفحه ای با شکاف عریض……………………………………. 17
5-2-2 مبدل های حرارتی صفحه ای دو جداره………………………………………. 18
6-2-2 مبدل حرارتی صفحه ای گرافیت دیابون………………………………………. 18
7-2-2 مبدل حرارتی صفحه ای مینکس………………………………………………. 19
3-2 بهره برداری و انتخاب مبدل حرارتی صفحه ای…………………………………. 19

فصل 3

استفاده از مبدل های صفحه ای که با صنایع لبنیاتی و پاستوریزه شیر آغاز شد، امروزه به شدت گسترش یافته است و مبدل ها در انواع صنایع و فرایندها به کار می‌روند. بیش تر این رشد در روند به کارگیری مبدل صفحه ای مدیون نیاز به صرفه جویی انرژی در اواخر قرن بیستم است. این امر منجر به وجود آمدن تکنیک های تقویت انتقال حرارت و توسعه مبدل های بسیار کوچک تر شد. مبدل های صفحه ای با کارایی هیدرولیکی – حرارتی تقویت شده و حجم نسبی کوچک تر، دارای انعطاف لازم بودند و اندازه یا سایز حرارتی آن ها قابل تغییر بود (به آسانی می توان به آن ها صفحه اضافه یا از آن کم کرد). امروزه این وسایل به صورت گسترده در تهویه و تبرید، صنایع غذایی و سیستم های پالایش و پتروشیمی استفاده می شوند.

1-3 صنایع غذایی
صنایع غذایی بخش های مختلفی دارد که از جمله می توان صنعت لبنیات و ساخت محصولات لبنی مانند ماست، شیر، خامه و کره، محصولات تخمیری ، کارخانجات ساخت نوشیدنی ها (آب میوه، چای، قهوه و نوشیدنی های گازی) و کارخانجات میوه‌های عمل آور شده (پوره ها، خمیر، سس و مربا) اشاره کرد. در این بخش پاستوریزه کردن یکی از مهم ترین فرایندهایی است که در آن از مبدل استفاده می شود. پاستوریزه از اسم کاشف این شیوه لویی پاستور فرانسوی گرفته شده است. دریافت ترکیبات فاسد و میکروب با حرارت دادن تا دمای زیر نقطه جوش غیرفعال می شوند و همین شیوه را در مورد شیر نیز به کار برد. اصل پاستوریزه کردن اساس گرم کردن سیال تا دمای مشخص در یک دوره زمانی معین و بدون آلوده شدن مجدد آن در طول فرآیند گرم کاری استوار است.
«کنترل» این فرایند در کارآمدی پاستوریزه کردن (حفظ جنبه بهداشت عمومی محصول) و کیفیت فرآورده نهایی (مزه، بو، ظاهر و غیره) بسیار حیاتی است.
میزان غیرفعال سازی میکرو اورگانیسم های بیماری زا هم به دما و هم به زمان نگهداری محصول در آن دما بستگی دارد و باید کاملا منظم و کنترل شده باشد. مثلاً شیر نباید کمتر از 16 ثانیه در دمای 72 درجه سانتی گراد قرار گیرد. روش پاستوریزه کردن مداوم بسیار رایج است و در آن به طور گسترده از مبدل های صفحه ای استفاده می شود.

کاربردهای صنعتی مبدل های صفحه ای………………………………………… 22
1-3 صنایع غذایی…………………………………………………………………… 22
2-3 سیستم های تهویه و تبرید………………………………………………….. 24
3-3 استفاده از مبدل ها در گرمایش بخش های خدماتی و تولید هم زمان…. 26
4-3 استفاده از این مبدل در صنایع نفت و گاز فراساحلی……………………… 28
5-3 کاربردهای دریایی مبدل های صفحه ای………………………………………. 29
6-3 فرایندهای شیمیایی………………………………………………………….. 30
7-3 استفاده از مبدل های صفحه ای در صنایع خمیر و کاغذ…………………… 33
8-3 استفاده از مبدل های صفحه ای در سیستم های انرژی خورشیدی…….. 34
9-3 نتیجه گیری………………………………………………………………………. 36

فصل 4

همانند تمامی انواع مبدل ها، انتخاب جنس مبدل های صفحه ای و شیوه تولید آن ها نیز کاملاً متفاوت است. این امر بیش تر به نیازهای خاص محل کاربرد مبدل مانند میزان گرمای مورد نیاز، نوع سیالی که باید کنترل شود و وضعیت و شیوه انتقال حرارت (جریانات یک فاز، جوشیدن و چگالش) بستگی دارد. سه جزء اصلی یک مبدل صفحه ای که در تولید آن نقش دارند عبارتند از: صفحات شیاردار، واشرها و صفحات انتهایی (قاب) یا درپوش ثابت و متحرک که از میان این اجزا تولید صفحات با الگوهای سطحی بسیار اهمیت دارد چرا که این صفحات و الگوهایشان عامل اصلی کارایی حرارتی هیدرولیکی مبدل های صفحه ای هستند.

1-4 جنس صفحات
صفحات شیاردار مورد استفاده در مبدل های صفحه ای از هر فلز یا آلیاژی ساخته می شوند که بتوان روی آن ها عملیات آهنگری سرد (فرم دادن در دمای محیط) یا جوشکاری را انجام داد. فولاد زنگ نزن، تیتانیم، نیکل، آلومینیوم، اینکولی، هستلوی، تانتالم و مونل از جمله مواد مورد استفاده در ساخت مبدل های صفحه ای هستند. فرایند پرسکاری سرد مورد استفاده برای فرم دادن الگوهای سطحی صفحات به کمک پرس ما را از استفاده از مواد تردی مانند آلیاژهای زیرکنیوم و فولاد پرکرم بی نیاز می کند. انتخاب جنس صفحه براساس سازگاری با سیال و کارکرد حرارتی که به عهده دارد انجام می شود و عوامل دیگری مانند بهینه سازی طرح حرارتی و انتخاب های سازنده نیز نقش دارند با آن که در کاربردهای خاص ممکن است لازم شود که از جنس صفحه خاصی استفاده کنیم ، اما می توان جنس های مورد استفاده برای ساخت صفحات را به چهار گروه ذیل تقسیم کرد :

فرایند تولید مبدلهای صفحه ای………………………………………………………. 37
1-4 جنس صفحات…………………………………………………………………….. 37
2-4 جنس واشرها………………………………………………………………………. 40
3-4 شیوه های تولید مبدل ها…………………………………………………………. 42
1-3-4 مبدل های صفحه و قاب………………………………………………………… 43
2-3-4 مبدل های حرارتی لحیم شده…………………………………………………. 43
3-3-4 مبدل های صفحه ای نیم جوش شده …………………………………………44
4-3-4 مبدل های حرارتی صفحه ای تمام جوش شده…………………………….. 45

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل 5

در مشخصات مساله یا طرح و فرایند، تمامی اطلاعات ضروری برای طراحی و بهینه سازی مبدل در یک کاربرد خاص ارایه می شود. در این مشخصه ها، نوع ساختار و مواد مورد استفاده در مبدل، نوع سیالات و آرایش جریان آن ها، بار حرارتی و محدودیت های افت فشار و … وجود دارد. طراحی حرارتی – هیدرولیکی مبدل حرارتی مستلزم ارزیابی کمی افت فشار و انتقال حرارت یا اندازه بندی مبدل و درجه بندی آن است. طراحی مکانیکی شامل جوانب ضروری انسجام سازه ای یا مکانیکی مبدل تحت شرایط کاری ناپایدار و پایدار و نیز انطباق مبدل با کدها و استانداردهای محلی، ملی و بین المللی است (مثل TEMA ، بخش VIII استاندارد API , ASME و دیگر کدهای مربوط به خستگی و مخازن تحت فشار). ارزیابی های تولیدی و برآورد هزینه های ضروری باید طوری انجام شوند که بتوان برای بهینه سازی سیستم مصالحه لازم را انجام داد. در مساله به غایت پیچیده طراحی مبدل، تنها در یک بخش از کل فرایند طراحی ارزیابی تحلیلی کمی داریم. با توجه به تعداد زیاد ارزیابی های کیفی و موازنه هایی که باید در طراحی مبدل انجام شوند، می توان گفت که طراحی یک مبدل حرارتی چیزی فراتر از یک فن و مهارت بلکه یک هنر است .
مشخصات اصلی مسایل طراحی حرارتی و هیدرولیکی مبدل های حرارتی، مشخصه های مربوط به درجه بندی و سایزبندی مبدل هاست. مساله درجه‌بندی مبدل ها با تعیین بار حرارتی، دماهای خروجی سیالات و افت فشار در هر طرف در یک مبدل مشخص می شود. با این کار کمیت های زیر تعیین می شوند:
نوع ساختار و اندازه با ابعاد تفصیلی، آرایش جریان، مشخصه های حرارتی و هیدرولیکی و شرایط کاری (بهره برداری)، جریان های سیال (دبی ها، دماهای ورودی، عوامل رسوب گیری و غیره). از طرفی مساله سایزبندی نیازمند تعیین نوع ساختار، آرایش جریان، مساحت سطح مورد نیاز (یا اندازه مبدل) برای یک مجموعه معین از جریان های سیال و شرایط کاری آن ها (دماهای ورودی و خروجی و دبی ها)، بار حرارت معین شده و محدودیت های مربوط به افت فشار است .

فرایند طراحی مبدلهای صفحه ای…………………………………………………………. 46
1-5 مقدمه………………………………………………………………………………….. 46
2-5 معادلات اصلی طراحی و معادله انرژی………………………………………………… 47
3-5 روش های طراحی حرارتی…………………………………………………………….. 50
1-3-5 روش اختلاف دمای متوسط لگاریتمی……………………………………………… 51
2-3-5 روش…………………………………………………………………………………… 55
4-3-5 روش اندازه بندی و درجه بندی مبدل ها…………………………………………… 59
4-5 روش های طراحی هیدرودینامیکی……………………………………………………. 62
5-5 ضریب انتقال حرارت کل متغیر……………………………………………………………. 66
6-5 اختلاط حرارتی…………………………………………………………………………….. 67
7-5 خصوصیات مبدل…………………………………………………………………………. 71
8-5 افت فشار در مبدل های صفحه ای……………………………………………………….. 75
9-5 تصحیح اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی………………………………………….. 76
10-5 رسوب…………………………………………………………………………………… 78
11-5 محدودیت های فشار……………………………………………………………………… 81
12-5 محدودیت های درجه حرارت………………………………………………………………. 81
13-5 محدودیتهای دیگر………………………………………………………………………….. 82
منابع…………………………………………………………………………………………………94



  مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان