مقدمه
مبدل حرارتي پليت فين يكي از انواع مبدل هاي حرارتي فشرده اسـت كـه مـشتمل بـرمجموعهاي يك در ميان از صفحات مسطح و فين هاي موجدار است كـه در كنـار هـم هـستهمبدل حرارتي را تشكيل ميدهند. جريانها در طول معابري كه توسط فين ها در بـين صـفحاتجدا كننده ايجاد شده است جاري ميشوند و حرارت را مبادله مي كنند. فينها دو مزيت عمدهدارند اول اينكه به عنوان سطح انتقال حرارت ثانويه و دوم اينكه بعنوان حايـل مكـانيكي بـرايفشار داخلي در بين لايهها عمل ميكنند. انواع متعددي فين وجود دارد كه بهينهسازي مبـدلهايپليت فين را براي هر معيار مورد نظـر مثـل هزينـه، وزن، رانـدمان حرارتـي و يـا افـت فـشارامكانپذير مي سازند.
مبدلهاي حرارتي پليت فين نسبت به ساير انواع مبدلهاي حرارتي مزايايي دارند كه فقـطتوسط درجه حرارتها و فشارهاي عملياتي سيال محـدود مـيشـوند . ايـن مزايـا سـطح انتقـالحرارت زياد به ازاء واحد حجم، وزن كم، راندمان حرارتي بالا، درجه حرارت نزديكـي خيلـيكوچك و امكان تبادل حرارتي بين چندين جريان فرايندي مي باشند.
طراحي مبدل حرارتي پليت فين نيازمند مشخصات بار حرارتـي، افـت فـشارهاي مجـازجريان و جنبههاي خاص هندسه مبدل ميباشد. منظور از جنبههاي هندسي همان سطوح ويـژهانتقال حرارت مي باشند كه بايد در هر سمت جريان به كار گرفته شوند.
در روشهاي طراحي متداول مبدل حرارتي، افت فشاربعنوان محدوديت طراحـي در نظـرگرفته ميشوند كه در آن مبناي طراحي مشتمل برآزمايش سطوح هندسـي مختلـف اسـت كـهجهت تشخيص اينكه كداميك بار حرارتي مورد نظر را در محـدوده افـت فـشار مجـاز تـأميننمايند، قرار دارد.
طراحي مبدل حرارتي پليت فين را مي توان به روش ديگري هم انجام داد. روشي كه درآن افت فشار جريان و بار حرارتي بعنوان اهداف طراحي در نظر گرفته ميشوند تحـت عنـوانالگوريتم طراحي سريع قبلاً ارائه شده است [8]. اين روش در مـورد مبـدلهاي حرارتـي پليـت
فين به كار برده شده است و مثالهايي براي موارديكه سطوح انتقال حرارت در ابتـداي طراحـيمشخص شدهاند آورده شده است. ماداميكه سطوح ثانويـه بايـد در ابتـداي طراحـي مـشخص باشند، لازم است معيارهايي جهت انتخاب آنها در اين مرحله وجود داشته باشد.
عملكرد سطوح انتقال حرارت را به روشهاي متعددي مي تـوان تجزيـه و تحليـل كـرد.
حجم برحسب مصرف توان، سطح جلويي بر حسب توان، ضريب انتقـال حـرارت بـه عنـوانتابعي از توان پمپ به ازاء واحد سطح انتقال حرارت و غيره. مقايسه عملكرد سطوح براسـاساين نوع تجزيه و تحليلها، اطلاعات قابل استفاده اي را در جهت وظيفه انتخـاب سـطح ارائـهمي كنند.
متأسفانه اين نوع تجزيه و تحليلها عموماً در موردسطوح در حالت منفرد بـه كـار بـردهميشوند، در حاليكه در طراحي واقعي انتخاب سطحي كه بايد بعنوان جفت به كار گرفته شـودبر روي عملكرد كلي مبدل تأثيرگذار است. بنابراين عملكرد سطوح در تركيب و در كنـار هـمحائز اهميت است. در حال حاضر هيچ روش اصولي كه بتوانـد انتخـاب سـطوح را در هـر دوسمت، مورد نظر قرار دهد، موجود نمي باشد.
در اين تحقيق روش سادهاي جهت انتخاب سطح و طراحي مبـدل حرارتـي پليـت فـينبصورت همزمان و با تكيه برمفهوم شاخص عملكرد حجم ارائه شده است.

معرفي مبدلهاي حرارتي پليتـ فين و (ساختمان، كاربردها، محدوديتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

معرفي مبدلهاي حرارتي پليتـ فين و (ساختمان، كاربردها، محدوديتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

فهرست مطالب

چكيده………………………………………………………………………………………………………………………… ١

مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………….. ٢

فصل اول معرفي مبدلهاي حرارتي پليت ـ فين (ساختمان، كاربردها، محدوديتها)

۱-۱- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………..4
۱-۲- مبدلهاي حرارتي پليت فين لحيم كاري شده……………………………………………………………………….5
١-٢- ١- ساختمان ………………………………………………………………………………………………………….. ٦
۱-۲- ۲- محدوديتهاي عملياتي ……………………………………………………………………………………………..8
۱- ۲- ۳- كاربردهاي اصلي ………………………………………………………………………………………………….9
۱-۲- ۴- كاربردهاي خاص مبدلهاي پليت فين در صنايع فرايندي………………………………………………………. ١٣
۱-۲- ۵- مقايسه با مبدلهاي حرارتي پوسته و لوله…………………………………………………………………….. ١٦
۱-۳- مبدلهاي حرارتي پليت فين اتصال نفوذي…………………………………………………………………………. ١٦
۱-۳- ۱- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………….. ١٦
۱-۳- ۲- ساختمان ………………………………………………………………………………………………………… ١٦
۱-۳- ۳- محدوديتهاي عملياتي ……………………………………………………………………………………………19
۱-۳- ۴- كاربردهاي اصلي ………………………………………………………………………………………………..20
۱-۴- زمينه هاي تحقيقاتي مورد نياز جهت توسعه كاربردهاي مبدلهاي پليت- فين در صنايع فرايندي:………… ٢٠

فصل دوم بررسي روشهاي طراحي مبدلهاي حرارتي فشرده

۲-۵- طراحي بهينه مبدلهاي حرارتي صفحه اي………………………………………………………………………..33
۲-۵-۱- طراحي بهينه با در نظر گرفتن افت فشار ……………………………………………………………………..34
۲-۵-۲- طراحي بهينة كامل بدون در نظر گرفتن ويژگيهاي افت فشار………………………………………………..35

فصل سوم سطوح گسترش يافته پليتـ فين

۳-۱- مقدمه: ……………………………………………………………………………………………………………… ٣٩

فصل چهارم معيارهاي ارزيابي عملكرد و شاخص هاي عملكردي
۴-۱- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………….50
۴-۲- معيار ارزيابي عملكرد (PEC)……………………………………………………………………………………….. ٥٠
۴-۲-۱- معيار ارزيابي عملكردShah ……………………………………………………………………………………… ٥٤
۴-۲-۲- معيار ارزيابي عملكرد .Soland et al……………………………………………………………………………. ٥٧
۴-۳-۲- معيار ارزيابي عملكرد Webb ……….ا…………………………………………………………………………..59
۴-۲-۴- معيار ارزيابي عملكرد Cowell…….ا……………………………………………………………………………..60
۴-۳- شاخص هاي عملكرد………………………………………………………………………………………………. ٧٠
۴-۳-۱- مروري برشاخص هاي پيشنهادي …………………………………………………………………………….. ٧٠
۴-۳-۲- شاخص عملكرد حجم ………………………………………………………………………………………….. ٧٢
۴-۳-۳- شاخص VPI اصلاح شده ………………………………………………………………………………………. ٧٨
۴-۳-۴- نمايش شاخص اصلاح شده VPI………………………………………………………………………………. ٧٨

فصل پنجم الگوريتم طراحي سريع جهت طراحي مبدلهاي حرارتي پليت ـ فين

۵-۱- روش طراحي سريع (RDA) ……….ا………………………………………………………………………………..83
۵-۲- مدل ترموهيدروليكي …………………………………………………………………………………………………84.
۵-۳- معادلات طراحي حجم…………………………………………………………………………………………………87
۵-۴- الگوريتم طراحي سريع مبدل حرارتي پليت فين …………………………………………………………………..88
۵-۵- الگوريتم عملكرد مبدل حرارتي پليت فين …………………………………………………………………………. ٩١

فصل ششم معرفي برنامه رايانه اي

۶-۱- معرفي برنامه رايانه اي …………………………………………………………………………………………….. ٩٥
۶-۲- معرفي داده هاي ورودي به برنامه …………………………………………………………………………………. ٩٥
۶-۳- معرفي خروجيهاي برنامه طراحي …………………………………………………………………………………. ٩٥
۶-۴- معرفي خروجي هاي برنامه عملكرد……………………………………………………………………………….. ٩٩

فصل هفتم بحث و نتيجه گيري

۷-۱- بررسي نتايج حاصل از برنامه رايانه اي براي مبدل پليت فين با جريان متقاطع ……………………………….١٠٠
۷-۲- بررسي نتايج حاصل از برنامه رايانه اي براي مبدل پليت فين با جريان ناهمسو ………………………………١٠٣
۷-۳- بررسي نتايج حاصل از كاربرد شاخص عملكرد VPI در طراحي مبدل حرارتي پليت فين……………………….١٠٦
۷-۴- بررسي اثر تغييرات پارامترهاي عملياتي بر روي حجم مبدل حرارتي پليت فين …………………………………١٠٧

نتيجه گيري كلي……………………………………………………………………………………………………………….١١٠

منابع و مراجع…………………………………………………………………………………………………………………….١١٢

علائم و نشانه ها……………………………………………………………………………………………………………….١١٤

فهرست اشكال

شكل ۱-۱- مبدل حرارتي پليت-فين آلومينيومي……………………………………………………………………………… ۶

شكل ۱-۲- ساختمان هسته مبدل حرارتي پليت-فين آلومنيومي لحيم كاري شده……………………………………… ۷

شكل ۱-۳- تركيب دفلگماتور مبدل حرارتي پليت-فين……………………………………………………………………….. ۱۱

شكل ۱-۴- استفاده از مبدل حرارتي پليت-فين آلومينيومي بعنوان هسته ريبويلر كتري مانند ………………………… ۱۲

شكل ۱-۵- ساخت هسته مبدل حرارتي پليت – فين اتصال نفوذي ………………………………………………………. ۱۸

شكل ۱-۶- المنتهاي نمونه مبدل حرارتي پليت- فين اثصال نفوذي………………………………………………………… ۱۸

شكل ۱-۷- مبدل حرارتي پليت- فين آلومنيومي اتصال نفوذي …………………………………………………………….. ۱۹

شكل ۲-۱ مبدل حرارتي صفحه اي با تركيب جريان ……………………………………………………………………….. ۳۱

شكل ۲-۲- مبدل حرارتي با افت فشار مجازثابت ………………………………………………………………………….. ۳۵

شكل ۲-۳- مبدل حرارتي با پمپ هاي تحويل………………………………………………………………………………. ۳۷

شكل ۲-۴- بهينه سازي اقتصادي كامل مبدل حرارتي صفحه اي ……………………………………………………….. ۳۸

شكل ۳-۱-هندسه يك مبدل حرارتي پليت فين با جريان متقاطع ………………………………………………………… ۳۹

شكل ۳-۲-سطوح هندسي مبدل حرارتي پليت فين ……………………………………………………………………. 40

شكل ۳-۳- لايه مرزي و منطقه پيامد براي ………………………………………………………………………….………….42
شكل ۳-۶- هندسه هسته Louver Fin تك رديفه]………………………………………………………………………… ۴۸

شكل ۴-۱-نمايش V/Vs براي hA و P ثابت با استفاده از مورد VG-1 از جدول ۴-۱ ……………………………………. ۵۸

شكل ۴-۲- حجم در مقابل توان پمپ براي سطوحي با مقياس ثابت و انتقال حرارت ثابت……………………………. ۶۴

شكل ۴-۳- حجم در مقابل توان پمپ براي سطح جلويي و تعداد واحدهاي انتقال ثابت ………………………………. ۶۷

شكل ۴-۴- سطح جلويي در مقابل توان پمپ براي حجم و تعداد واحدهاي انتقال ثابت ………………………………. ۶۸

شكل ۴-۵- سطح جلويي در مقابل طول جريان براي توان پمپ و تعداد واحدهاي انتقال ثابت…………………………. ۶۹

شكل ۴-۶- VPIبر حسب عدد رينولدز براي سطوح………………………………………………………………………….. ۷۵

شكل ۴-۷- VPIبر حسب عدد رينولدز براي سطوح………………………………………………………………………….. ۷۵

شكل ۴-۸- VPIبر حسب عدد رينولدز براي سطوح …………………………………………………………………………. ۷۶

شكل ۴-۹- VPIبر حسب عدد رينولدز براي سطوح ………………………………………………………………………….. ۷۶

شكل ۴-۱۰- VPIبر حسب عدد رينولدز- مقايسه انواع مختلف سطوح ……………………………………………………. ۷۷

شكل ۴-۱۱- آثار ميزان مقاومتهاي حرارتي در VPI جديد براي ……….………………………………………………………….79

شكل ۴-۱۲- آثار ميزان مقاومتهاي حرارتي در VPI جديد براي ………………………………………………………………….79

شكل ۴-۱۳- مقايسه VPI جديد براي…………………………………………………………………………………………. ۸۰

شكل ۴-۱۴- مقايسه VPI جديد براي………………………………………………………………………………………… ۸۱

شكل ۴-۱۵- مقايسه VPI جديد براي…………………………………………………………………………………………. ۸۱

شكل ۷-۱-نمايش تغييرات حجم مبدل حرارتي پليت فين با جريان متقاطع………………………………………………. ۱۰۷

شكل ۷-۲- نمايش تغييرات حجم مبدل حرارتي پليت فين با جريان متقاطع………………………………………………. ۱۰۷

شكل ۷-۳- نمايش تغييرات حجم مبدل حرارتي پليت فين با جريان ناهمسو ……………………………………………. ۱۰۸

شكل ۷-۴- نمايش تغييرات حجم مبدل حرارتي پليت فين با جريان ناهمسو …………………………………………….. ۱۰۸

فهرست جداول

جدول ۱-۱ انواع مبدل پليت-فين لحيم كاري شده……………………………………………………………………………….١٢
جدول ۱-۲ كاربردهاي مبدلهاي حرارتي پليت-فين لحيم كاري شده…………………………………………………………..١٣
جدول ۲-۱ مقايسه بين روشهاي LMTD وNTU -ε ……………………………………………………………………………..٢٨
جدول ۴-۱ معيار ارزيابي عملكرد براي سيستم تبادل حرارت تك فازبا قطرهيدروليكي ثابت………………………………..٥٣
جدول ۴-۲ نسبتهاي بدون بعدبه كار رفته در معادلات ۴-۸ و ۴-۹………………………………………………………………٦٠
جدول ۷-۱ اطلاعات فرآيندي و خواص فيزيكي براي مسئله طراحي جريان متقاطع………………………………………..١٠١
جدول ۷-۲ طراحي مبدل حرارتي با جريان متقاطعـ مقايسه نتايج…………………………………………………………….١٠٢
جدول ۷-۳ اطلاعات مربوط به مبدل حرارتي پليت فين با جريان متقاطع ـ مسئله عملكرد………………………………….١٠٣
جدول ۷-۴ عملكرد مبدل حرارتي با جريان متقاطع ـ مقايسه نتايج…………………………………………………………..١٠٣
جدول ۷-۵ اطلاعات فرآيندي و خواص فيزيكي براي مسئله طراحي جريان ناهمسو………………………………………١٠٤
جدول ۷-۶ طراحي مبدل حرارتي پليت فين با جريان ناهمسو ـ مقايسه نتايج……………………………………………..١٠٥
جدول ۷-۷ اطلاعات مربوط به مبدل حرارتي پليت فين با جريان ناهمسو ـ مسئله عملكرد…………………………………١٠٥
جدول ۷-۸ عملكرد مبدل حرارتي با جريان ناهمسو ـ مقايسه نتايج…………………………………………………………١٠٦
جدول ۷-۹ مقايسه نتايج حاصل از طراحي به كمك VPI با مبدل مرجع [۱۴]………………………………………………١٠٧
جدول ۷-۱۰ مقايسه نتايج حاصل از طراحي به كمك VPI با مبدل مرجع [۷]………………………………………………١٠٧
فصل اول

مبدلهاي حرارتي پليت فين يكي از انواع مبدلهاي حرارتي فشرده هستند كه ساختمان آنها بصورت شـبكه اي از صفحات هموار و فينهاي موجدار است كه بـصورت متنـاوب و در يـك سـاختمان سـاندويچي دركنـاريكديگر قرار گرفته اند.
مبدلهاي حرارتي پليت فين از نظر ساختماني به دو دسته زير تقسيم مي شوند:
ـ مبدل حرارتي پليت فين لحيم كار ي شده ـ مبدل حرارتي پليت فين اتصال نفوذي
مبدلهاي حرارتي پليت فين آلومينومي لحيم شده خصوصيات ويژهاي دارند كه آنها را از سـاير انـواع مبـدلهامتمايز مي كند. اين خصوصيات به قرار زير مي باشند:
● سطح انتقال حرارت بزرگ به ازا ء واحد حجم مبدل- اين سطح انتقال حرارت مركـب از سـطوح اوليـه وثانويه (فينها) ميباد. مساحت سطح مؤثر بيش از پنج برابر مبدل حرارتي پوسته و لوله است. دامنه تغييـراتدانسيته سطح از 850 تا 23mm 1500 ميباشد.
● يك واحد مبدل حرارتي پليت فين به تنهايي ميتوانـد متـشكل از جريانهـاي مختلـف فراينـدي باشـد وساختمان منحصر به فرد پليت فين اين امكان را فراهم مي آورد كه اين جريانهـا عـلاوه بـر نقـاط انتهـايي درنقاط مياني هم در طول مبدل وارد و خارج شوند. اين قابليت امكان جفت كردن ظرفيتهاي گرمايي چنـدينجريان كوچكتر را با يك جريان اصلي و يا امكان تبادل حرارت جريانهـاي كوچـك را در دامنـة بـاريكي ازدرجه حرارت فراهم مي سازد كه هر دو موقعيت منجر به توليد آنتروپي كمتر و بازدهي ترموديناميكي بـالاترمي شود.
● دسترسي به درجه حرارتهاي خيلي نزديك بين جريانها (1 تاC °3) امكانپذير است كه منجـر بـه صـرفهجويي در هزينه هاي عملياتي مي شود.
● راندمان حرارتي بالا، ساختمان آلومينومي و قابليت كاربرد چند جريان در كنار هـم، سـاختماني فـشرده رابا وزن كم ايجاد مي كنند.
● معمولاً مبدلهاي پليت فين در دماهاي فوق سرد كار مي كنند. بنابراين مبـدل جهـت حفـظ سـرما در يـكجعبه سرد عايقكاري شده كه معمولاً از جنس كربن استيل است قرار داده مي شود.
انعطاف پذيري مبدلهاي پليت فين همراه با قابليت ساخت آنها از دامنة متنوعي از مواد، ايـن نـوع مبـدلها رابراي عملكردهاي فرايندي به غير از زمينههاي فوق سرد هم ايده آل مي كند.
در خصوص محدوديتهاي كاربردي مبدلهاي پليت فين، مهمترينشان عدم امكان شستشوي مكـانيكي سـطوحانتقال حرارت است ولي شستشوي شيميايي امكانپذير است. بنابراين كاربردهاي آنها به جريانهاي تميز مثـلهوا، هيدروكربن هاي سبك و سردسازها محدود ميشود. همچنين كاربرد آنها به صفحات فيندار آلومينوميمحدود ميشود كه اين براي نيازمنديهاي استحكام و خوردگي بسياري از عمليات در درجـه حرارتهـاي بـالاكفايت ن ميكند و اين مسئله توجه كاربران اين نوع مبدلها را به امكان استفاده از سـاير مـواد مثـل اسـتينلساستيل در ساختمان اين نوع مبدلها معطوف ميكند. همچنين به دليل نوع ساختمان، فـشار طراحـي مبـدلهايپليت فين لحيم كاري شده به bar 120 محدود مي شود.
۱-۲- مبدلهاي حرارتي پليت فين لحيم كاري شده
در اين بخش مبدلهاي حرارتي پليت فين لحيم كاري شده توضيح داده ميشوند كه يك مثال از آنها در شكل1- 1 نمايش داده شده است.

شكل ١- ١- مبدل حرارتي پليت-فين آلومينيومي
Chart Marston Limited تنظيم
١-٢- ١- ساختمان
اين نوع مبدل حرارتي از يك سري ورقهاي همواره و فينهاي موجدار در يك ساختمان ساندويچي سـاختهمي شود.
صفحات جدا كننده سطح انتقال حرارت اوليه را فراهم ميكنند، ايـن صـفحات بـصورت يـك در ميـان بـالايه هاي فين قرار داده ميشوند و بصورت حائلي بين لايه هاي مختلف عمل ميكنند.
اين ع ناصر هسته كاملي را تشكيل ميدهند وسپس تحت خلاء، لحيم كاري ميشوند تا يك واحد جمعآوري شده را تشكيل دهند.
فين ها سطح انتقال حرارت ثانويه را براي انتقال حرارت فراهم ميكنند. نـوع فينهـا، دانـسيته و ارتفـاع آنهـامتنوع است تا نيازهاي مصرف كننده را در قالب انتقال حرارت بر حسب افت فشار برآورده كند.
فينهاي توزيع كننده، سيال انتقال حرارت را از تانك سر تغذيه انتخاب و بـه فـينهـاي انتقـال حـرارت درورودي توزيع ميكنند و فرآيند را به خروجي برميگردانند. فينهاي توزيع كننده از يك نوع مشابه فينهـايانتقال حرارت ميباشند ولي كمتر چگال هستند. سپس هسته مبدل حرارتـي در يـك سـاختمان جوشـكاريشده كه مركب از سر تغذيهها و صفحات ساپورت و لولههاي خوراك و تخليه است پوشانده ميشود.
اغلب مبدلهاي حرارتي پليت فين از آلومينيوم با يك هستة لحيم شده تحت خلاء ساخته ميشوند. بـه دليـلاينكه آلومينوم در بسياري از عمليات در درجه حرارتهاي بالا براي نيازمنديهاي استحكام و خوردگي كفايـتنميكند لذا توجه كاربران اين نوع مبدلها به استفاده از ساير مواد معطوف شد. از آلياژهاي قابل لحيم كاري ومقاوم در برابر حرارت و خوردگي هم ميتوان استفاده كرد. بعنوان مثال مبدلهاي حرارتي پليت فين ميتوانند از استينلس استيل، گونههاي مختلفي از آلياژهاي پايه نيكل و برخي آلياژهاي ويژه ديگر ساخته شوند.
۱-۲- ۲- محدوديتهاي عملياتي
ماكزيمم درجه حرارت عملياتي مبدلهاي پليت فين تابعي از مواد ساختماني آن اسـت. مبـدلهاي پليـت فـينلحيم شده آلومينيومي ميتوانند از درجـه حرارتهـا فـوق سـرد C°270− تـا C °200 بـسته بـه آلياژهـايسرتغذيه و لوله بكار برده شوند. مبدلهاي پليت فين اسـ تينلس اسـ تيل تـا C°650 مـي تواننـد كـار كننـد درحاليكه واحدهاي تيتانيوم تا نزديكي C °550 عمل ميكنند. واحدهاي لحيم شده آلومينيومي بسته بـه انـدازه فيزيكي و ماكزيمم درجه حرارت عملياتي تا bar120 كاربرد دارند.
مبدلهاي پليت فين استينلس استيل تا bar 50 محدود مي شوندكه قابليت آنها تـاbar 90 قابـل توسـعه اسـت.
تحمل فشارهاي بالاتر با استفاده از ساختمان اتصال نفوذي امكان پذير است.
اندازه يك مبدل پليت فين تابعي از روش بكار رفته بـراي جمـع آوري هـسته اسـت. در مـورد واحـدهايآلومينيومي لحيم كاري شده تحت خـلاء انـدازةm×2/4m×1/2m 25/6 موجـود اسـت. وقتيكـه مبـدلحرارتي پليت فين آلومينيومي لحيم شده انتخاب ميشود لازم است از موارد ذيل اطمينان حاصل شود.
● همه سيالات بايد تميز و خشك باشند . فيلتراسيون جهت بازيافـت ذرات بزرگتـر ازmm 3/0 بايـد انجـامشود.
● سيالات بايد نسبت بـه آلومينيـوم غيـر خورنـده باشـند. اگريـك حلقـه بـسته داشـته باشـيم كـه شـاملجلوگيرنده هاي خورندگي باشد آب سيال مناسبي است.
● سيالات بايد در دامنه درجه حرارت بين C°270- تا C°200+ باشند.
● ماكزيمم فشار طراحي كمتر از bar120 است.
۱- ۲- ۳- كاربردهاي اصلي
مبدلهاي حرارتي پليت فين جهت استفاده در دامنه وسيعي از درجات حـرارت و فـشار بـراي عملكردهـايگاز- گاز، گاز- مايع و چند فازي مناسبند.
نوعاً اين كاربردها شامل موارد زير ميباشند:
● طراحهاي شيميائي و پتروشيميائي
– مواد شيميائي خورنده و ساينده
– كارخانه هاي آمونياك و متانول
– توليد اتيلن و پروپلين
– كارخانه اكسيژن
– بازيافت گاز بي اثر
– كارخانه هيدروژن
● كاربردهاي فراساحلي هيدروكربن
– كولرهاي كمپرسوري
– كارخانه فرآيند كردن سوخت
● كاربردهاي متفرقه
– سلولهاي سوخت
– كارخانه بازيافت حرارت
– سيستم هاي كنترل آلودگي
علاوه بر كاربردهاي گاز- گاز بعنوان مثال فرآيندهاي مايع سازي گاز، مبدلهاي حرارتي پليت فين وسـيعاً دردو مورد زير كاربرد داردند:
● دفلگماتور
يك مبدل حرارتي برگشتي است كه براي كنـدانس كـردن و خـالص سـازي سـيالات در كاربردهـائي مثـلبازيافت اتيلن و خالص كردن هيدروژن به كار برده ميشود. تركيب اين نوع مبـ دل حرارتـي در شـكل 1- 3 نشان داده شده است.
جريان خوراك كه نياز به خالص سازي دارد نوعاً گازي با وزن مولكولي كم است كـه شـامل مقـادير كمـ ي تركيبات سنگين تر است.
جريان خوراك جزئي سرد شده در نقطةA وارد مبدل حرارتي پليت فين ميشود و توسط يك جريان سـردساز جداگانه و يك جريان فرآيند سومي (E-F) سرد ميشود. مبدل حرارتي پليـت فـين بـصورت عمـودينصب مي شود، بنابراين خوراك گازي همچنانكه به سمت بالا جريـان دارد سـرد شـده سـپس چگاليـده درمقابل جريان گاز برميگردد و در اينجا انتقال جرم اتفاق ميافتد.

معرفي مبدلهاي حرارتي پليتـ فين و (ساختمان، كاربردها، محدوديتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

معرفي مبدلهاي حرارتي پليتـ فين و (ساختمان، كاربردها، محدوديتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

فصل دوم
بررسي روشهاي طراحي مبدلهاي حرارتي فشرده

۲-۱- مقدمه:
جهت طراحي مبـدلهاي حرارتـي يكـسري روشـهاي طراحـي قـديمي و يكـسري روشـهاي طراحـي بهينـهموجودند. روشهاي طراحي قديميNTU ـε و اختلاف دماي متوسط لگاريتمي (روشLMTD ) مشتمل بـرتست تعداد زيادي سطوح هندسي ميباشند تا طراحي در محدودة افت فشار مجاز جريانها قـرار گيـرد. ايـنكار نه تنها مستلزم هزينه وقت زياد ميباشد بلكه طراحي بهينه با دسترسي به افت فشار كامـل مجـاز را هـمتأمين نميكند. وقتيكه مبدلهاي حرارتي صفحهاي چند پاس مطرح ميشوند مسئله طراحـي بـا اهميـت تـروحادتر ميشود. به منظور غلبه بر اين كاستيها ر وش بهتري تحت عنوان طراحي بهينهPHE ها پيشنهاد شـدهاست.
طراحي بهينه مبدلهاي حرارتي به دو دسته تقسيم ميشود: طراحي با افت فشار مجاز ثابـت و طراحـي بهينـهكامل. در طراحي با افت فشار مجاز ثابت هدف طراحي دسترسي كامل بـه افـت فـشار مجـاز مـيباشـد . در طراحي بهين ه كامل افت فشارها قبل از طراحي مشخص نبوده و هدف طراحي دسترسي بـه مـينـيمم هزينـهساليانه مبدل مي باشد. بنابراين افت فشارها در طي رقابتي براي بهينه سازي به دست ميآيند.
در اين فصل روشهاي طراحي فوقالذكر و روابط مورد استفاده در آنها بررسي مـيشـوند . در روش طراحـي بهينهPHE ها طراحي با ملاحظه افت فشار و بدون ملاحظه افت فشارمطرح ميشوند. بهينه سـازي براسـاسيك مدل ترمو- هيدروليكي است كه رابطه بين انتقال حرارت، افت فشار و سـطح مبـدل را ارائـه مـيدهـد .
طراحي ابتدا براي موقعيتي كه افت فشار مجاز ثابت نگه داشته شود انجام ميشود، سپس طراحي بهينه كاملبدون استفاده از مشخصات افت فشار بررسي ميگردد. در اين مورد مقـادير بهينـه عـدد رينولـدز مطـابق بـامقادير بهينة سرعتهاي سيال طي يك بهينه سازي اقتصادي مشخص ميشوند.
ε− NTU روش -۲-۲
در اين روش نرخ انتقال حرارت كل از سيال گرم به سيال سرد در مبدل بصورت زير ميباشد: (2-1) (q=εCmin (th,i −tC,i
كهε راندمان مبدل حرارتي است كه گاهي اوقات به عنوان راندمان حرارتي به آن اشاره ميشود. ε بـدونبعد است و ميتوان نشان داد كه در حالت كلي بهNTU و ∗C و تركيب جريان دو سيال در مبـدل بـستگي
ε=ε(NTU,C∗, flowarrangement) .دارد :تعريف مي گردد NTU و ε و C∗ حال
نسبت نرخ ظرفيت حرارتي ، ∗C نسبت نرخ ظرفيت گرمايي سيال كوچكتر بـه بزرگتـر مـيباشـد . بنـابراين
1≤∗C است.
C∗ =CCmaxmin = ((mCmCPP))maxmin
(2-2) ttCh,,iO−−tthC,O,i ))//((tthC,,iO−−tht,CO,)i ) forforCCeh ==CCminmin))⎩⎨⎧= در اينجا انديسهايmin وmax به ترتيب به سمتهايCmin وCmax اشاره ميكنند. همانطور كه از بالانسانرژي فهميده ميشود در غياب اتلاف حرارتي خارجي، سيالCmax تغيير درجه حرارت كـوچكتري را درمقايسه با تغيير درجه حرارت براي سيال Cmax دارا مي باشد.
m در معادلة 2- 2 نرخ جريان سيال است و CP گرماي ويژه سيال است.
كارايي مبدل (ε)، برآور دي از عملكرد حرارتي مبدل است و در يك مبدل حرارتي مشخص با يك تركيـبجريان خاص بصورت نسبت نرخ انتقال حرارت واقعي از سيال گرم به سيال سرد بـه مـاكزيمم نـرخ انتقـال

حرارت ممكن (محدود شده ترموديناميكي) ميباشد. ε بصورت زير به دماهاي انتهـايي سـيال ونـرخهـايظرفيت حرارتي مربوط ميشود:
Ch (th,i −th,O ) Cc (tC,O −tC,i ) ε=Cmin (th,i −tC,i ) =Cmin (th,i −tC,i ) (2-3)
در مقايسه راندمان حرارتي سيال سرد و گرم بصورت زير تعريف ميشوند: (2-4) εh =tthh,,ii−−tthC,,Oi εC =ttCh,,Oi −−ttCC,i,i و بصورت زير به هم مرتبط مي شوند:
εh Ch =εC CC =εCmin (5-2)
تعداد واحدهاي انتقال حرارتNTU بصورت نسبت قابليـت هـدايت كلـي بـه ظرفيـت گرمـايي كـوچكترتعريف مي شود.
NTU = CUAmin =C1min ∫AUdA (6-2)
اگرU ثابت نباشد تعريف دوم به كار برده ميشود. در اينجا UA قابليـت هـدايت كلـي مـيباشـد . مقاومـتحرارتي كل ( 1 UA) شامل مقاومتهاي حرارتي در مسير جريان گرما از سيال گرم به سيال سرد اسـت و بـرايPHEها توسط رابطه زير داده ميشود:
UA1 = (hA1)1 + (hS1A)1 +RW + (hs1A)2 + (hA1)2 (7-2)
در اينجا انديسهاي 1و 2 كلي هستند و ميتوانند معرف سمتهاي گرم و سرد يا سرد و گرم باشـند. عبـاراتاول و آخر در سمت راست مقاومتهاي جابجايي فيلم هستند،Rw مقاومت حرارتي ديـوار اسـت و عبـاراتباقيمانده مقاومتهاي رسوب گرفتگي سمت سرد و سمت گرم هستند. در اينجا
Rw = Awakw , Aw =LwNt (8-2)
براي يك مبدل صفحهاي
A= A1 = A2 = Aw (9-2)
و عبارت سطح مي تواند از معادلة 7-2 حذف شود، بنابراين خواهيم داشت:
U1 = h11 + h1s,1 + kwa + h1s,2 + h12 (10-2)
بايد اشاره شود كه در غياب مقاومتهاي رسوب گرفتگي و مقاومت حرارتي ديواره نرخ 1ntu (در سمت 1) به NTU كل از معادله 2-7 بعنوان F تعريف مي شود.
FC = NTUntu1 =CCmin1 ⎢⎣⎡1+(ntuntu12 ) (CC12 )⎥⎦⎤=CCmin1 ⎣⎡⎢1+Fn CC12 ⎤⎥⎦ كه
Fn = ntuntu 2 (11-2)
NTU از معادلة 2-6 اندازه انتقال حرارت (Heat Transfer Size) بدون بعد يا انـدازه حرارتـي (Thermal Size) مبدل را مشخص مي كند. در مقايسه مساحت سطح انتقال حرارت، اندازه فيزيكي مبدل حرارتي را مشخص ميكند. براي يكCUmin مشخص،NTU بزرگتـر بـه معنـي يـك مبـدل حرارتـيبزرگتر از نظر اندازه ميباشد. بنابراين گاهي اوقات به عنوان فاكتور اندازه مبدل حرارتي به آن اشاره ميشود.
NTU همچنين بعنوان فاكتور عملكرد يا طول حرارتيθ ياHTU 1 در ادبيـات مبـدلهاي صـفحهاي اشـارهمي شود.
درNTU هاي پايين، كارايي مبدل بطور كلي كم است. با افزايش مقاديرNTU راندمان مبدل عمومـاً افـزايشمي يابد و در حد به يك مقدار مجانب ماكزيمم ترموديناميكي ميرسد.
مي توان نشان داد كه NTU به اختلاف درجه حرارت متوسط واقعي tm∆ در يك مبدل بستگي دارد.
Ch (th,i −th,o ) CC (tC,o −tC,i )
NTU = Cmin∆tm = Cmin ∆tm (12-2)
كه tm∆ درمعادله 2-16 تعريف مي شود. بنابراين NTU به عنوان نسبت درجه حرارت هم مطرح ميشود.
(2-13) NTU =⎧⎨⎩((ttch,,oi −−ttch,,io))//∆∆ttmm forfor CCCh ==CCminmin نتايج ε− NTU براي مبـدلهاي صـفحهاي توسـطJackson وTroupe [21] بـراي جريـان ناهمـسوي 1 پاس- 1 پاس و ترتيبهاي سري بدست آمده است. آنها اثر تعداد صفحات حرارتي را روي كـارايي مبـدل(ε) براي 5≤Nt بررسي كرده اند.
Kandlikar [22] نتايجε−NTU را براي تركيبهاي ناهمسوي تك پاس- تك پاس، دو پاس- تك پاس،دو پاس- دو پاس و 3 پاس- تك پاس بدست آورد، اما فقط براي پنج صفحة حرارتي Shah و Kandlikar [23] نتــايج ε−NTU را بــراي ايــن تركيبــات جريــان تــا 80≤NTU ≤5 Nt و 1≤∗C≤ 25.0 بسط دادند.
LMTD روش -۳ -۲
در اين روش، نرخ انتقال حرارت كلي از سيال گرم به سيال سرد درمبدل بصورت زير بيان ميشود. (2-14) q=UA∆tm=UAF ∆tAm tm∆ اختلاف درجه حرارت متوسط بين سيال گرم و سرد است،F فاكتور تصحيح اختلاف درجـه حـرارتمتوسط لگاريتمي وtAm ∆ اختلاف درجه حرارت متوسط لگاريتمي است. F بدون بعد بـوده و بـهP و R و تركيب جريان وابسته است.
F =F (P,R, flow arrangement) (15-2)
حال علائم مختلف معادله 2-14 را تعريف مي كنيم:
اختلاف درجه حرارت متوسط لگاريتمي tlm) LMTD ∆) بصورت زير تعريف ميشود:
LMTD=∆tlm = ln∆(∆t1t−1 /∆∆t2t2) (16-2)
كه
∆t1 =th,i −tC,O , ∆t2 =th,O −tC,i (17-2)
براي همه تركيبهاي جريان به جز جريان موازي و
∆t1 =th,i −tC,i , ∆t2 =th,O −tC,O (18-2)
براي تركيب جريان تك پاس- تك پاس موازي ميباشد.
فاكتور تصحيح اختلاف درجه حرارت متوسط لگاريتميF ، نرخ اختلاف درجه حـرارت متوسـط واقعـي دريك مبدل به اختلاف درجه حرارت متوسط لگاريتمي است. بنابراينF يك درجـة انحـراف بـراي اخـتلافدرجه حرارت متوسط واقعي از اختلاف درجه حرارت متوسط لگاريتمي ناهمسو ميباشد.
راندمان حرارتي P و نسبت نرخ ظرفيت حرارتي R بصورت زير تعريف ميشوند:
(2-19) P=ttCh,,Oi −−ttCC,i,i R=CCCh =ttCh,,iO−−tthC,O,i تعاريف ديگر P و R كه معتبر باشند با تبديل انديس C به h و h به C در معادله(2-19) به دست مي آيند. روابط و مقايسههاي روشهاي LMTD و ε−NTU در جدول 2-1 ارائه شده اند.

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان