مقدمه
مبدل حرارتی پلیت فین یکی از انواع مبدل های حرارتی فشرده اسـت کـه مـشتمل بـرمجموعهای یک در میان از صفحات مسطح و فین های موجدار است کـه در کنـار هـم هـستهمبدل حرارتی را تشکیل میدهند. جریانها در طول معابری که توسط فین ها در بـین صـفحاتجدا کننده ایجاد شده است جاری میشوند و حرارت را مبادله می کنند. فینها دو مزیت عمدهدارند اول اینکه به عنوان سطح انتقال حرارت ثانویه و دوم اینکه بعنوان حایـل مکـانیکی بـرایفشار داخلی در بین لایهها عمل میکنند. انواع متعددی فین وجود دارد که بهینهسازی مبـدلهایپلیت فین را برای هر معیار مورد نظـر مثـل هزینـه، وزن، رانـدمان حرارتـی و یـا افـت فـشارامکانپذیر می سازند.
مبدلهای حرارتی پلیت فین نسبت به سایر انواع مبدلهای حرارتی مزایایی دارند که فقـطتوسط درجه حرارتها و فشارهای عملیاتی سیال محـدود مـیشـوند . ایـن مزایـا سـطح انتقـالحرارت زیاد به ازاء واحد حجم، وزن کم، راندمان حرارتی بالا، درجه حرارت نزدیکـی خیلـیکوچک و امکان تبادل حرارتی بین چندین جریان فرایندی می باشند.
طراحی مبدل حرارتی پلیت فین نیازمند مشخصات بار حرارتـی، افـت فـشارهای مجـازجریان و جنبههای خاص هندسه مبدل میباشد. منظور از جنبههای هندسی همان سطوح ویـژهانتقال حرارت می باشند که باید در هر سمت جریان به کار گرفته شوند.
در روشهای طراحی متداول مبدل حرارتی، افت فشاربعنوان محدودیت طراحـی در نظـرگرفته میشوند که در آن مبنای طراحی مشتمل برآزمایش سطوح هندسـی مختلـف اسـت کـهجهت تشخیص اینکه کدامیک بار حرارتی مورد نظر را در محـدوده افـت فـشار مجـاز تـأمیننمایند، قرار دارد.
طراحی مبدل حرارتی پلیت فین را می توان به روش دیگری هم انجام داد. روشی که درآن افت فشار جریان و بار حرارتی بعنوان اهداف طراحی در نظر گرفته میشوند تحـت عنـوانالگوریتم طراحی سریع قبلاً ارائه شده است [8]. این روش در مـورد مبـدلهای حرارتـی پلیـت
فین به کار برده شده است و مثالهایی برای مواردیکه سطوح انتقال حرارت در ابتـدای طراحـیمشخص شدهاند آورده شده است. مادامیکه سطوح ثانویـه بایـد در ابتـدای طراحـی مـشخص باشند، لازم است معیارهایی جهت انتخاب آنها در این مرحله وجود داشته باشد.
عملکرد سطوح انتقال حرارت را به روشهای متعددی می تـوان تجزیـه و تحلیـل کـرد.
حجم برحسب مصرف توان، سطح جلویی بر حسب توان، ضریب انتقـال حـرارت بـه عنـوانتابعی از توان پمپ به ازاء واحد سطح انتقال حرارت و غیره. مقایسه عملکرد سطوح براسـاساین نوع تجزیه و تحلیلها، اطلاعات قابل استفاده ای را در جهت وظیفه انتخـاب سـطح ارائـهمی کنند.
متأسفانه این نوع تجزیه و تحلیلها عموماً در موردسطوح در حالت منفرد بـه کـار بـردهمیشوند، در حالیکه در طراحی واقعی انتخاب سطحی که باید بعنوان جفت به کار گرفته شـودبر روی عملکرد کلی مبدل تأثیرگذار است. بنابراین عملکرد سطوح در ترکیب و در کنـار هـمحائز اهمیت است. در حال حاضر هیچ روش اصولی که بتوانـد انتخـاب سـطوح را در هـر دوسمت، مورد نظر قرار دهد، موجود نمی باشد.
در این تحقیق روش سادهای جهت انتخاب سطح و طراحی مبـدل حرارتـی پلیـت فـینبصورت همزمان و با تکیه برمفهوم شاخص عملکرد حجم ارائه شده است.

معرفی مبدلهای حرارتی پلیتـ فین و (ساختمان، کاربردها، محدودیتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

معرفی مبدلهای حرارتی پلیتـ فین و (ساختمان، کاربردها، محدودیتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

فهرست مطالب

چکیده………………………………………………………………………………………………………………………… ١

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

فصل اول معرفی مبدلهای حرارتی پلیت ـ فین (ساختمان، کاربردها، محدودیتها)

۱-۱- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………..4
۱-۲- مبدلهای حرارتی پلیت فین لحیم کاری شده……………………………………………………………………….5
١-٢- ١- ساختمان ………………………………………………………………………………………………………….. ۶
۱-۲- ۲- محدودیتهای عملیاتی ……………………………………………………………………………………………..8
۱- ۲- ۳- کاربردهای اصلی ………………………………………………………………………………………………….9
۱-۲- ۴- کاربردهای خاص مبدلهای پلیت فین در صنایع فرایندی………………………………………………………. ١٣
۱-۲- ۵- مقایسه با مبدلهای حرارتی پوسته و لوله…………………………………………………………………….. ١۶
۱-۳- مبدلهای حرارتی پلیت فین اتصال نفوذی…………………………………………………………………………. ١۶
۱-۳- ۱- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………….. ١۶
۱-۳- ۲- ساختمان ………………………………………………………………………………………………………… ١۶
۱-۳- ۳- محدودیتهای عملیاتی ……………………………………………………………………………………………19
۱-۳- ۴- کاربردهای اصلی ………………………………………………………………………………………………..20
۱-۴- زمینه های تحقیقاتی مورد نیاز جهت توسعه کاربردهای مبدلهای پلیت- فین در صنایع فرایندی:………… ٢٠

فصل دوم بررسی روشهای طراحی مبدلهای حرارتی فشرده

۲-۵- طراحی بهینه مبدلهای حرارتی صفحه ای………………………………………………………………………..33
۲-۵-۱- طراحی بهینه با در نظر گرفتن افت فشار ……………………………………………………………………..34
۲-۵-۲- طراحی بهینه کامل بدون در نظر گرفتن ویژگیهای افت فشار………………………………………………..35

فصل سوم سطوح گسترش یافته پلیتـ فین

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

فصل چهارم معیارهای ارزیابی عملکرد و شاخص های عملکردی
۴-۱- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………….50
۴-۲- معیار ارزیابی عملکرد (PEC)……………………………………………………………………………………….. ۵٠
۴-۲-۱- معیار ارزیابی عملکردShah ……………………………………………………………………………………… ۵۴
۴-۲-۲- معیار ارزیابی عملکرد .Soland et al……………………………………………………………………………. ۵٧
۴-۳-۲- معیار ارزیابی عملکرد Webb ……….ا…………………………………………………………………………..59
۴-۲-۴- معیار ارزیابی عملکرد Cowell…….ا……………………………………………………………………………..60
۴-۳- شاخص های عملکرد………………………………………………………………………………………………. ٧٠
۴-۳-۱- مروری برشاخص های پیشنهادی …………………………………………………………………………….. ٧٠
۴-۳-۲- شاخص عملکرد حجم ………………………………………………………………………………………….. ٧٢
۴-۳-۳- شاخص VPI اصلاح شده ………………………………………………………………………………………. ٧٨
۴-۳-۴- نمایش شاخص اصلاح شده VPI………………………………………………………………………………. ٧٨

فصل پنجم الگوریتم طراحی سریع جهت طراحی مبدلهای حرارتی پلیت ـ فین

۵-۱- روش طراحی سریع (RDA) ……….ا………………………………………………………………………………..83
۵-۲- مدل ترموهیدرولیکی …………………………………………………………………………………………………84.
۵-۳- معادلات طراحی حجم…………………………………………………………………………………………………87
۵-۴- الگوریتم طراحی سریع مبدل حرارتی پلیت فین …………………………………………………………………..88
۵-۵- الگوریتم عملکرد مبدل حرارتی پلیت فین …………………………………………………………………………. ٩١

فصل ششم معرفی برنامه رایانه ای

۶-۱- معرفی برنامه رایانه ای …………………………………………………………………………………………….. ٩۵
۶-۲- معرفی داده های ورودی به برنامه …………………………………………………………………………………. ٩۵
۶-۳- معرفی خروجیهای برنامه طراحی …………………………………………………………………………………. ٩۵
۶-۴- معرفی خروجی های برنامه عملکرد……………………………………………………………………………….. ٩٩

فصل هفتم بحث و نتیجه گیری

۷-۱- بررسی نتایج حاصل از برنامه رایانه ای برای مبدل پلیت فین با جریان متقاطع ……………………………….١٠٠
۷-۲- بررسی نتایج حاصل از برنامه رایانه ای برای مبدل پلیت فین با جریان ناهمسو ………………………………١٠٣
۷-۳- بررسی نتایج حاصل از کاربرد شاخص عملکرد VPI در طراحی مبدل حرارتی پلیت فین……………………….١٠۶
۷-۴- بررسی اثر تغییرات پارامترهای عملیاتی بر روی حجم مبدل حرارتی پلیت فین …………………………………١٠٧

نتیجه گیری کلی……………………………………………………………………………………………………………….١١٠

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

علائم و نشانه ها……………………………………………………………………………………………………………….١١۴

فهرست اشکال

شکل ۱-۱- مبدل حرارتی پلیت-فین آلومینیومی……………………………………………………………………………… ۶

شکل ۱-۲- ساختمان هسته مبدل حرارتی پلیت-فین آلومنیومی لحیم کاری شده……………………………………… ۷

شکل ۱-۳- ترکیب دفلگماتور مبدل حرارتی پلیت-فین……………………………………………………………………….. ۱۱

شکل ۱-۴- استفاده از مبدل حرارتی پلیت-فین آلومینیومی بعنوان هسته ریبویلر کتری مانند ………………………… ۱۲

شکل ۱-۵- ساخت هسته مبدل حرارتی پلیت – فین اتصال نفوذی ………………………………………………………. ۱۸

شکل ۱-۶- المنتهای نمونه مبدل حرارتی پلیت- فین اثصال نفوذی………………………………………………………… ۱۸

شکل ۱-۷- مبدل حرارتی پلیت- فین آلومنیومی اتصال نفوذی …………………………………………………………….. ۱۹

شکل ۲-۱ مبدل حرارتی صفحه ای با ترکیب جریان ……………………………………………………………………….. ۳۱

شکل ۲-۲- مبدل حرارتی با افت فشار مجازثابت ………………………………………………………………………….. ۳۵

شکل ۲-۳- مبدل حرارتی با پمپ های تحویل………………………………………………………………………………. ۳۷

شکل ۲-۴- بهینه سازی اقتصادی کامل مبدل حرارتی صفحه ای ……………………………………………………….. ۳۸

شکل ۳-۱-هندسه یک مبدل حرارتی پلیت فین با جریان متقاطع ………………………………………………………… ۳۹

شکل ۳-۲-سطوح هندسی مبدل حرارتی پلیت فین ……………………………………………………………………. 40

شکل ۳-۳- لایه مرزی و منطقه پیامد برای ………………………………………………………………………….………….42
شکل ۳-۶- هندسه هسته Louver Fin تک ردیفه]………………………………………………………………………… ۴۸

شکل ۴-۱-نمایش V/Vs برای hA و P ثابت با استفاده از مورد VG-1 از جدول ۴-۱ ……………………………………. ۵۸

شکل ۴-۲- حجم در مقابل توان پمپ برای سطوحی با مقیاس ثابت و انتقال حرارت ثابت……………………………. ۶۴

شکل ۴-۳- حجم در مقابل توان پمپ برای سطح جلویی و تعداد واحدهای انتقال ثابت ………………………………. ۶۷

شکل ۴-۴- سطح جلویی در مقابل توان پمپ برای حجم و تعداد واحدهای انتقال ثابت ………………………………. ۶۸

شکل ۴-۵- سطح جلویی در مقابل طول جریان برای توان پمپ و تعداد واحدهای انتقال ثابت…………………………. ۶۹

شکل ۴-۶- VPIبر حسب عدد رینولدز برای سطوح………………………………………………………………………….. ۷۵

شکل ۴-۷- VPIبر حسب عدد رینولدز برای سطوح………………………………………………………………………….. ۷۵

شکل ۴-۸- VPIبر حسب عدد رینولدز برای سطوح …………………………………………………………………………. ۷۶

شکل ۴-۹- VPIبر حسب عدد رینولدز برای سطوح ………………………………………………………………………….. ۷۶

شکل ۴-۱۰- VPIبر حسب عدد رینولدز- مقایسه انواع مختلف سطوح ……………………………………………………. ۷۷

شکل ۴-۱۱- آثار میزان مقاومتهای حرارتی در VPI جدید برای ……….………………………………………………………….79

شکل ۴-۱۲- آثار میزان مقاومتهای حرارتی در VPI جدید برای ………………………………………………………………….79

شکل ۴-۱۳- مقایسه VPI جدید برای…………………………………………………………………………………………. ۸۰

شکل ۴-۱۴- مقایسه VPI جدید برای………………………………………………………………………………………… ۸۱

شکل ۴-۱۵- مقایسه VPI جدید برای…………………………………………………………………………………………. ۸۱

شکل ۷-۱-نمایش تغییرات حجم مبدل حرارتی پلیت فین با جریان متقاطع………………………………………………. ۱۰۷

شکل ۷-۲- نمایش تغییرات حجم مبدل حرارتی پلیت فین با جریان متقاطع………………………………………………. ۱۰۷

شکل ۷-۳- نمایش تغییرات حجم مبدل حرارتی پلیت فین با جریان ناهمسو ……………………………………………. ۱۰۸

شکل ۷-۴- نمایش تغییرات حجم مبدل حرارتی پلیت فین با جریان ناهمسو …………………………………………….. ۱۰۸

فهرست جداول

جدول ۱-۱ انواع مبدل پلیت-فین لحیم کاری شده……………………………………………………………………………….١٢
جدول ۱-۲ کاربردهای مبدلهای حرارتی پلیت-فین لحیم کاری شده…………………………………………………………..١٣
جدول ۲-۱ مقایسه بین روشهای LMTD وNTU -ε ……………………………………………………………………………..٢٨
جدول ۴-۱ معیار ارزیابی عملکرد برای سیستم تبادل حرارت تک فازبا قطرهیدرولیکی ثابت………………………………..۵٣
جدول ۴-۲ نسبتهای بدون بعدبه کار رفته در معادلات ۴-۸ و ۴-۹………………………………………………………………۶٠
جدول ۷-۱ اطلاعات فرآیندی و خواص فیزیکی برای مسئله طراحی جریان متقاطع………………………………………..١٠١
جدول ۷-۲ طراحی مبدل حرارتی با جریان متقاطعـ مقایسه نتایج…………………………………………………………….١٠٢
جدول ۷-۳ اطلاعات مربوط به مبدل حرارتی پلیت فین با جریان متقاطع ـ مسئله عملکرد………………………………….١٠٣
جدول ۷-۴ عملکرد مبدل حرارتی با جریان متقاطع ـ مقایسه نتایج…………………………………………………………..١٠٣
جدول ۷-۵ اطلاعات فرآیندی و خواص فیزیکی برای مسئله طراحی جریان ناهمسو………………………………………١٠۴
جدول ۷-۶ طراحی مبدل حرارتی پلیت فین با جریان ناهمسو ـ مقایسه نتایج……………………………………………..١٠۵
جدول ۷-۷ اطلاعات مربوط به مبدل حرارتی پلیت فین با جریان ناهمسو ـ مسئله عملکرد…………………………………١٠۵
جدول ۷-۸ عملکرد مبدل حرارتی با جریان ناهمسو ـ مقایسه نتایج…………………………………………………………١٠۶
جدول ۷-۹ مقایسه نتایج حاصل از طراحی به کمک VPI با مبدل مرجع [۱۴]………………………………………………١٠٧
جدول ۷-۱۰ مقایسه نتایج حاصل از طراحی به کمک VPI با مبدل مرجع [۷]………………………………………………١٠٧
فصل اول

مبدلهای حرارتی پلیت فین یکی از انواع مبدلهای حرارتی فشرده هستند که ساختمان آنها بصورت شـبکه ای از صفحات هموار و فینهای موجدار است که بـصورت متنـاوب و در یـک سـاختمان سـاندویچی درکنـاریکدیگر قرار گرفته اند.
مبدلهای حرارتی پلیت فین از نظر ساختمانی به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
ـ مبدل حرارتی پلیت فین لحیم کار ی شده ـ مبدل حرارتی پلیت فین اتصال نفوذی
مبدلهای حرارتی پلیت فین آلومینومی لحیم شده خصوصیات ویژهای دارند که آنها را از سـایر انـواع مبـدلهامتمایز می کند. این خصوصیات به قرار زیر می باشند:
● سطح انتقال حرارت بزرگ به ازا ء واحد حجم مبدل- این سطح انتقال حرارت مرکـب از سـطوح اولیـه وثانویه (فینها) میباد. مساحت سطح مؤثر بیش از پنج برابر مبدل حرارتی پوسته و لوله است. دامنه تغییـراتدانسیته سطح از 850 تا 23mm 1500 میباشد.
● یک واحد مبدل حرارتی پلیت فین به تنهایی میتوانـد متـشکل از جریانهـای مختلـف فراینـدی باشـد وساختمان منحصر به فرد پلیت فین این امکان را فراهم می آورد که این جریانهـا عـلاوه بـر نقـاط انتهـایی درنقاط میانی هم در طول مبدل وارد و خارج شوند. این قابلیت امکان جفت کردن ظرفیتهای گرمایی چنـدینجریان کوچکتر را با یک جریان اصلی و یا امکان تبادل حرارت جریانهـای کوچـک را در دامنـه بـاریکی ازدرجه حرارت فراهم می سازد که هر دو موقعیت منجر به تولید آنتروپی کمتر و بازدهی ترمودینامیکی بـالاترمی شود.
● دسترسی به درجه حرارتهای خیلی نزدیک بین جریانها (1 تاC °3) امکانپذیر است که منجـر بـه صـرفهجویی در هزینه های عملیاتی می شود.
● راندمان حرارتی بالا، ساختمان آلومینومی و قابلیت کاربرد چند جریان در کنار هـم، سـاختمانی فـشرده رابا وزن کم ایجاد می کنند.
● معمولاً مبدلهای پلیت فین در دماهای فوق سرد کار می کنند. بنابراین مبـدل جهـت حفـظ سـرما در یـکجعبه سرد عایقکاری شده که معمولاً از جنس کربن استیل است قرار داده می شود.
انعطاف پذیری مبدلهای پلیت فین همراه با قابلیت ساخت آنها از دامنه متنوعی از مواد، ایـن نـوع مبـدلها رابرای عملکردهای فرایندی به غیر از زمینههای فوق سرد هم ایده آل می کند.
در خصوص محدودیتهای کاربردی مبدلهای پلیت فین، مهمترینشان عدم امکان شستشوی مکـانیکی سـطوحانتقال حرارت است ولی شستشوی شیمیایی امکانپذیر است. بنابراین کاربردهای آنها به جریانهای تمیز مثـلهوا، هیدروکربن های سبک و سردسازها محدود میشود. همچنین کاربرد آنها به صفحات فیندار آلومینومیمحدود میشود که این برای نیازمندیهای استحکام و خوردگی بسیاری از عملیات در درجـه حرارتهـای بـالاکفایت ن میکند و این مسئله توجه کاربران این نوع مبدلها را به امکان استفاده از سـایر مـواد مثـل اسـتینلساستیل در ساختمان این نوع مبدلها معطوف میکند. همچنین به دلیل نوع ساختمان، فـشار طراحـی مبـدلهایپلیت فین لحیم کاری شده به bar 120 محدود می شود.
۱-۲- مبدلهای حرارتی پلیت فین لحیم کاری شده
در این بخش مبدلهای حرارتی پلیت فین لحیم کاری شده توضیح داده میشوند که یک مثال از آنها در شکل1- 1 نمایش داده شده است.

شکل ١- ١- مبدل حرارتی پلیت-فین آلومینیومی
Chart Marston Limited تنظیم
١-٢- ١- ساختمان
این نوع مبدل حرارتی از یک سری ورقهای همواره و فینهای موجدار در یک ساختمان ساندویچی سـاختهمی شود.
صفحات جدا کننده سطح انتقال حرارت اولیه را فراهم میکنند، ایـن صـفحات بـصورت یـک در میـان بـالایه های فین قرار داده میشوند و بصورت حائلی بین لایه های مختلف عمل میکنند.
این ع ناصر هسته کاملی را تشکیل میدهند وسپس تحت خلاء، لحیم کاری میشوند تا یک واحد جمعآوری شده را تشکیل دهند.
فین ها سطح انتقال حرارت ثانویه را برای انتقال حرارت فراهم میکنند. نـوع فینهـا، دانـسیته و ارتفـاع آنهـامتنوع است تا نیازهای مصرف کننده را در قالب انتقال حرارت بر حسب افت فشار برآورده کند.
فینهای توزیع کننده، سیال انتقال حرارت را از تانک سر تغذیه انتخاب و بـه فـینهـای انتقـال حـرارت درورودی توزیع میکنند و فرآیند را به خروجی برمیگردانند. فینهای توزیع کننده از یک نوع مشابه فینهـایانتقال حرارت میباشند ولی کمتر چگال هستند. سپس هسته مبدل حرارتـی در یـک سـاختمان جوشـکاریشده که مرکب از سر تغذیهها و صفحات ساپورت و لولههای خوراک و تخلیه است پوشانده میشود.
اغلب مبدلهای حرارتی پلیت فین از آلومینیوم با یک هسته لحیم شده تحت خلاء ساخته میشوند. بـه دلیـلاینکه آلومینوم در بسیاری از عملیات در درجه حرارتهای بالا برای نیازمندیهای استحکام و خوردگی کفایـتنمیکند لذا توجه کاربران این نوع مبدلها به استفاده از سایر مواد معطوف شد. از آلیاژهای قابل لحیم کاری ومقاوم در برابر حرارت و خوردگی هم میتوان استفاده کرد. بعنوان مثال مبدلهای حرارتی پلیت فین میتوانند از استینلس استیل، گونههای مختلفی از آلیاژهای پایه نیکل و برخی آلیاژهای ویژه دیگر ساخته شوند.
۱-۲- ۲- محدودیتهای عملیاتی
ماکزیمم درجه حرارت عملیاتی مبدلهای پلیت فین تابعی از مواد ساختمانی آن اسـت. مبـدلهای پلیـت فـینلحیم شده آلومینیومی میتوانند از درجـه حرارتهـا فـوق سـرد C°270− تـا C °200 بـسته بـه آلیاژهـایسرتغذیه و لوله بکار برده شوند. مبدلهای پلیت فین اسـ تینلس اسـ تیل تـا C°650 مـی تواننـد کـار کننـد درحالیکه واحدهای تیتانیوم تا نزدیکی C °550 عمل میکنند. واحدهای لحیم شده آلومینیومی بسته بـه انـدازه فیزیکی و ماکزیمم درجه حرارت عملیاتی تا bar120 کاربرد دارند.
مبدلهای پلیت فین استینلس استیل تا bar 50 محدود می شوندکه قابلیت آنها تـاbar 90 قابـل توسـعه اسـت.
تحمل فشارهای بالاتر با استفاده از ساختمان اتصال نفوذی امکان پذیر است.
اندازه یک مبدل پلیت فین تابعی از روش بکار رفته بـرای جمـع آوری هـسته اسـت. در مـورد واحـدهایآلومینیومی لحیم کاری شده تحت خـلاء انـدازهm×2/4m×1/2m 25/6 موجـود اسـت. وقتیکـه مبـدلحرارتی پلیت فین آلومینیومی لحیم شده انتخاب میشود لازم است از موارد ذیل اطمینان حاصل شود.
● همه سیالات باید تمیز و خشک باشند . فیلتراسیون جهت بازیافـت ذرات بزرگتـر ازmm 3/0 بایـد انجـامشود.
● سیالات باید نسبت بـه آلومینیـوم غیـر خورنـده باشـند. اگریـک حلقـه بـسته داشـته باشـیم کـه شـاملجلوگیرنده های خورندگی باشد آب سیال مناسبی است.
● سیالات باید در دامنه درجه حرارت بین C°270- تا C°200+ باشند.
● ماکزیمم فشار طراحی کمتر از bar120 است.
۱- ۲- ۳- کاربردهای اصلی
مبدلهای حرارتی پلیت فین جهت استفاده در دامنه وسیعی از درجات حـرارت و فـشار بـرای عملکردهـایگاز- گاز، گاز- مایع و چند فازی مناسبند.
نوعاً این کاربردها شامل موارد زیر میباشند:
● طراحهای شیمیائی و پتروشیمیائی
– مواد شیمیائی خورنده و ساینده
– کارخانه های آمونیاک و متانول
– تولید اتیلن و پروپلین
– کارخانه اکسیژن
– بازیافت گاز بی اثر
– کارخانه هیدروژن
● کاربردهای فراساحلی هیدروکربن
– کولرهای کمپرسوری
– کارخانه فرآیند کردن سوخت
● کاربردهای متفرقه
– سلولهای سوخت
– کارخانه بازیافت حرارت
– سیستم های کنترل آلودگی
علاوه بر کاربردهای گاز- گاز بعنوان مثال فرآیندهای مایع سازی گاز، مبدلهای حرارتی پلیت فین وسـیعاً دردو مورد زیر کاربرد داردند:
● دفلگماتور
یک مبدل حرارتی برگشتی است که برای کنـدانس کـردن و خـالص سـازی سـیالات در کاربردهـائی مثـلبازیافت اتیلن و خالص کردن هیدروژن به کار برده میشود. ترکیب این نوع مبـ دل حرارتـی در شـکل 1- 3 نشان داده شده است.
جریان خوراک که نیاز به خالص سازی دارد نوعاً گازی با وزن مولکولی کم است کـه شـامل مقـادیر کمـ ی ترکیبات سنگین تر است.
جریان خوراک جزئی سرد شده در نقطهA وارد مبدل حرارتی پلیت فین میشود و توسط یک جریان سـردساز جداگانه و یک جریان فرآیند سومی (E-F) سرد میشود. مبدل حرارتی پلیـت فـین بـصورت عمـودینصب می شود، بنابراین خوراک گازی همچنانکه به سمت بالا جریـان دارد سـرد شـده سـپس چگالیـده درمقابل جریان گاز برمیگردد و در اینجا انتقال جرم اتفاق میافتد.

معرفی مبدلهای حرارتی پلیتـ فین و (ساختمان، کاربردها، محدودیتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

معرفی مبدلهای حرارتی پلیتـ فین و (ساختمان، کاربردها، محدودیتها( و طراحی و ارزیابی عملکرد آنها

فصل دوم
بررسی روشهای طراحی مبدلهای حرارتی فشرده

۲-۱- مقدمه:
جهت طراحی مبـدلهای حرارتـی یکـسری روشـهای طراحـی قـدیمی و یکـسری روشـهای طراحـی بهینـهموجودند. روشهای طراحی قدیمیNTU ـε و اختلاف دمای متوسط لگاریتمی (روشLMTD ) مشتمل بـرتست تعداد زیادی سطوح هندسی میباشند تا طراحی در محدوده افت فشار مجاز جریانها قـرار گیـرد. ایـنکار نه تنها مستلزم هزینه وقت زیاد میباشد بلکه طراحی بهینه با دسترسی به افت فشار کامـل مجـاز را هـمتأمین نمیکند. وقتیکه مبدلهای حرارتی صفحهای چند پاس مطرح میشوند مسئله طراحـی بـا اهمیـت تـروحادتر میشود. به منظور غلبه بر این کاستیها ر وش بهتری تحت عنوان طراحی بهینهPHE ها پیشنهاد شـدهاست.
طراحی بهینه مبدلهای حرارتی به دو دسته تقسیم میشود: طراحی با افت فشار مجاز ثابـت و طراحـی بهینـهکامل. در طراحی با افت فشار مجاز ثابت هدف طراحی دسترسی کامل بـه افـت فـشار مجـاز مـیباشـد . در طراحی بهین ه کامل افت فشارها قبل از طراحی مشخص نبوده و هدف طراحی دسترسی بـه مـینـیمم هزینـهسالیانه مبدل می باشد. بنابراین افت فشارها در طی رقابتی برای بهینه سازی به دست میآیند.
در این فصل روشهای طراحی فوقالذکر و روابط مورد استفاده در آنها بررسی مـیشـوند . در روش طراحـی بهینهPHE ها طراحی با ملاحظه افت فشار و بدون ملاحظه افت فشارمطرح میشوند. بهینه سـازی براسـاسیک مدل ترمو- هیدرولیکی است که رابطه بین انتقال حرارت، افت فشار و سـطح مبـدل را ارائـه مـیدهـد .
طراحی ابتدا برای موقعیتی که افت فشار مجاز ثابت نگه داشته شود انجام میشود، سپس طراحی بهینه کاملبدون استفاده از مشخصات افت فشار بررسی میگردد. در این مورد مقـادیر بهینـه عـدد رینولـدز مطـابق بـامقادیر بهینه سرعتهای سیال طی یک بهینه سازی اقتصادی مشخص میشوند.
ε− NTU روش -۲-۲
در این روش نرخ انتقال حرارت کل از سیال گرم به سیال سرد در مبدل بصورت زیر میباشد: (2-1) (q=εCmin (th,i −tC,i
کهε راندمان مبدل حرارتی است که گاهی اوقات به عنوان راندمان حرارتی به آن اشاره میشود. ε بـدونبعد است و میتوان نشان داد که در حالت کلی بهNTU و ∗C و ترکیب جریان دو سیال در مبـدل بـستگی
ε=ε(NTU,C∗, flowarrangement) .دارد :تعریف می گردد NTU و ε و C∗ حال
نسبت نرخ ظرفیت حرارتی ، ∗C نسبت نرخ ظرفیت گرمایی سیال کوچکتر بـه بزرگتـر مـیباشـد . بنـابراین
1≤∗C است.
C∗ =CCmaxmin = ((mCmCPP))maxmin
(2-2) ttCh,,iO−−tthC,O,i ))//((tthC,,iO−−tht,CO,)i ) forforCCeh ==CCminmin))⎩⎨⎧= در اینجا اندیسهایmin وmax به ترتیب به سمتهایCmin وCmax اشاره میکنند. همانطور که از بالانسانرژی فهمیده میشود در غیاب اتلاف حرارتی خارجی، سیالCmax تغییر درجه حرارت کـوچکتری را درمقایسه با تغییر درجه حرارت برای سیال Cmax دارا می باشد.
m در معادله 2- 2 نرخ جریان سیال است و CP گرمای ویژه سیال است.
کارایی مبدل (ε)، برآور دی از عملکرد حرارتی مبدل است و در یک مبدل حرارتی مشخص با یک ترکیـبجریان خاص بصورت نسبت نرخ انتقال حرارت واقعی از سیال گرم به سیال سرد بـه مـاکزیمم نـرخ انتقـال

حرارت ممکن (محدود شده ترمودینامیکی) میباشد. ε بصورت زیر به دماهای انتهـایی سـیال ونـرخهـایظرفیت حرارتی مربوط میشود:
Ch (th,i −th,O ) Cc (tC,O −tC,i ) ε=Cmin (th,i −tC,i ) =Cmin (th,i −tC,i ) (2-3)
در مقایسه راندمان حرارتی سیال سرد و گرم بصورت زیر تعریف میشوند: (2-4) εh =tthh,,ii−−tthC,,Oi εC =ttCh,,Oi −−ttCC,i,i و بصورت زیر به هم مرتبط می شوند:
εh Ch =εC CC =εCmin (5-2)
تعداد واحدهای انتقال حرارتNTU بصورت نسبت قابلیـت هـدایت کلـی بـه ظرفیـت گرمـایی کـوچکترتعریف می شود.
NTU = CUAmin =C1min ∫AUdA (6-2)
اگرU ثابت نباشد تعریف دوم به کار برده میشود. در اینجا UA قابلیـت هـدایت کلـی مـیباشـد . مقاومـتحرارتی کل ( 1 UA) شامل مقاومتهای حرارتی در مسیر جریان گرما از سیال گرم به سیال سرد اسـت و بـرایPHEها توسط رابطه زیر داده میشود:
UA1 = (hA1)1 + (hS1A)1 +RW + (hs1A)2 + (hA1)2 (7-2)
در اینجا اندیسهای 1و 2 کلی هستند و میتوانند معرف سمتهای گرم و سرد یا سرد و گرم باشـند. عبـاراتاول و آخر در سمت راست مقاومتهای جابجایی فیلم هستند،Rw مقاومت حرارتی دیـوار اسـت و عبـاراتباقیمانده مقاومتهای رسوب گرفتگی سمت سرد و سمت گرم هستند. در اینجا
Rw = Awakw , Aw =LwNt (8-2)
برای یک مبدل صفحهای
A= A1 = A2 = Aw (9-2)
و عبارت سطح می تواند از معادله 7-2 حذف شود، بنابراین خواهیم داشت:
U1 = h11 + h1s,1 + kwa + h1s,2 + h12 (10-2)
باید اشاره شود که در غیاب مقاومتهای رسوب گرفتگی و مقاومت حرارتی دیواره نرخ 1ntu (در سمت 1) به NTU کل از معادله 2-7 بعنوان F تعریف می شود.
FC = NTUntu1 =CCmin1 ⎢⎣⎡1+(ntuntu12 ) (CC12 )⎥⎦⎤=CCmin1 ⎣⎡⎢1+Fn CC12 ⎤⎥⎦ که
Fn = ntuntu 2 (11-2)
NTU از معادله 2-6 اندازه انتقال حرارت (Heat Transfer Size) بدون بعد یا انـدازه حرارتـی (Thermal Size) مبدل را مشخص می کند. در مقایسه مساحت سطح انتقال حرارت، اندازه فیزیکی مبدل حرارتی را مشخص میکند. برای یکCUmin مشخص،NTU بزرگتـر بـه معنـی یـک مبـدل حرارتـیبزرگتر از نظر اندازه میباشد. بنابراین گاهی اوقات به عنوان فاکتور اندازه مبدل حرارتی به آن اشاره میشود.
NTU همچنین بعنوان فاکتور عملکرد یا طول حرارتیθ یاHTU 1 در ادبیـات مبـدلهای صـفحهای اشـارهمی شود.
درNTU های پایین، کارایی مبدل بطور کلی کم است. با افزایش مقادیرNTU راندمان مبدل عمومـاً افـزایشمی یابد و در حد به یک مقدار مجانب ماکزیمم ترمودینامیکی میرسد.
می توان نشان داد که NTU به اختلاف درجه حرارت متوسط واقعی tm∆ در یک مبدل بستگی دارد.
Ch (th,i −th,o ) CC (tC,o −tC,i )
NTU = Cmin∆tm = Cmin ∆tm (12-2)
که tm∆ درمعادله 2-16 تعریف می شود. بنابراین NTU به عنوان نسبت درجه حرارت هم مطرح میشود.
(2-13) NTU =⎧⎨⎩((ttch,,oi −−ttch,,io))//∆∆ttmm forfor CCCh ==CCminmin نتایج ε− NTU برای مبـدلهای صـفحهای توسـطJackson وTroupe [21] بـرای جریـان ناهمـسوی 1 پاس- 1 پاس و ترتیبهای سری بدست آمده است. آنها اثر تعداد صفحات حرارتی را روی کـارایی مبـدل(ε) برای 5≤Nt بررسی کرده اند.
Kandlikar [22] نتایجε−NTU را برای ترکیبهای ناهمسوی تک پاس- تک پاس، دو پاس- تک پاس،دو پاس- دو پاس و 3 پاس- تک پاس بدست آورد، اما فقط برای پنج صفحه حرارتی Shah و Kandlikar [23] نتــایج ε−NTU را بــرای ایــن ترکیبــات جریــان تــا 80≤NTU ≤5 Nt و 1≤∗C≤ 25.0 بسط دادند.
LMTD روش -۳ -۲
در این روش، نرخ انتقال حرارت کلی از سیال گرم به سیال سرد درمبدل بصورت زیر بیان میشود. (2-14) q=UA∆tm=UAF ∆tAm tm∆ اختلاف درجه حرارت متوسط بین سیال گرم و سرد است،F فاکتور تصحیح اختلاف درجـه حـرارتمتوسط لگاریتمی وtAm ∆ اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی است. F بدون بعد بـوده و بـهP و R و ترکیب جریان وابسته است.
F =F (P,R, flow arrangement) (15-2)
حال علائم مختلف معادله 2-14 را تعریف می کنیم:
اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی tlm) LMTD ∆) بصورت زیر تعریف میشود:
LMTD=∆tlm = ln∆(∆t1t−1 /∆∆t2t2) (16-2)
که
∆t1 =th,i −tC,O , ∆t2 =th,O −tC,i (17-2)
برای همه ترکیبهای جریان به جز جریان موازی و
∆t1 =th,i −tC,i , ∆t2 =th,O −tC,O (18-2)
برای ترکیب جریان تک پاس- تک پاس موازی میباشد.
فاکتور تصحیح اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمیF ، نرخ اختلاف درجه حـرارت متوسـط واقعـی دریک مبدل به اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی است. بنابراینF یک درجـه انحـراف بـرای اخـتلافدرجه حرارت متوسط واقعی از اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی ناهمسو میباشد.
راندمان حرارتی P و نسبت نرخ ظرفیت حرارتی R بصورت زیر تعریف میشوند:
(2-19) P=ttCh,,Oi −−ttCC,i,i R=CCCh =ttCh,,iO−−tthC,O,i تعاریف دیگر P و R که معتبر باشند با تبدیل اندیس C به h و h به C در معادله(2-19) به دست می آیند. روابط و مقایسههای روشهای LMTD و ε−NTU در جدول 2-1 ارائه شده اند.

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان