تحقیق بررسی عوامل و اثرات توزیع غیریكنواخت سیال در مبادله‌كن‌های حرارتی فشرده

توضیحات

عنوان:  بررسی عوامل و اثرات توزیع غیریكنواخت سیال در مبادله‌كن‌های حرارتی فشرده

• چکیده
• فصل 1  مقدمه
•  مقدمه
• فصل 2 مبدل حرارتی
•  مقدمه
•  مبدل گرمایی با جریان هم‌جهت
•  مبدل گرمایی با جریان مخالف جهت
•  مبدل گرمایی با جریان متقاطع
•  مبدل‌های گرمایی فشرده
•  مبدل‌های حرارتی لوله‌ای پره‌دار
•  مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای پره‌دار
• فصل 3 مروری بر منابع
•  مروری بر ادبیات موضوع
• فصل4   نتایج و تفسیر آنها
•  مقدمه
•  پیکربندی مبدل حرارتی صفحه‌ای پره‌دار
•  پیکربندی راهگاه بهبودیافته
•  توزیع جریان غیریکنواخت تک‌فاز در مبدل حرارتی صفحه‌ای پره‌دار
•  توزیع جریان غیریکنواخت دوفاز در مبدل حرارتی صفحه‌ای پره‌دار
•  اثر توزیع جریان غیریکنواخت سیال بر عملکرد حرارتی مبدل
• فصل 5 جمع‌بندی و پیشنهادها
•  جمع‌بندی
•  پیشنهادات
• مراجع

• مقدمه

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای پره‌دار به‌طور گسترده‌ای در صنایع فرآوری مانند جداسازی هوا و صنایع پتروشیمی به منظور تبادل انرژی حرارتی بین بیش از دو مایع با دمای مختلف به دلیل بهره‌وری بالاتر، ساختار جمع و جور‌تر و هزینه‌های پایین‌تر نسبت به مبدل‌های حرارتی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مبدل‌ها با اتصالات استاندارد در طول‌ها و قطرهای گوناگون و متفاوت موجود هستند. مبدل‌های حرارتی فشرده را می‌توان در جهت افقی یا عمودی طراحی کرد و می‌توان در کاربردهای بسیاری استفاده کرد. امروزه استفاده از مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای پره‌دار چند مرحله‌ای ارزان‌تر است و می‌تواند مزایای قابل توجهی نسبت به مبدل‌های حرارتی دو جریان معمول در کاربردهای خاص، به ویژه درنیروگاه‌ها ارائه دهد ]1[.

با این حال، در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای پره‌دار، توزیع غیریکنواخت جریان سیال و توزیع درجه حرارت نامناسب همراه با هدایت حرارتی طولی دیوار، جزء عوامل اصلی هستند که باعث ایجاد نگرانی به ویژه برای جریان دوفازی در مبدل‌های حرارتی می‌شوند. توزیع غیریکنواخت جریان سیال، مهمترین عامل موثر بر کارایی مبدل حرارتی است. چگونگی بهبود توزیع غیریکنواخت جریان سیال به منظور افزایش بهره‌وری در مبدل حرارتی توجه بسیاری از محققان را جلب کرده است ]1[.

در طراحی این نوع مبدل مبدل حرارتی، معمولا تصور می‌شود که جریان ورودی و توزیع دما در میان هسته مبدل یکنواخت و ثابت است. با این حال، به دلیل دلایل مختلف، این فرض عموما در شرایط واقعی عملی نیست. یکی از این دلایل عمدتا انحراف جریان است. در واقع، عدم انطباق جریان معمولا به دو نوع تقسیم می‌شود: توزیع نادرست و توزیع ناقص عبور و مرور. توزیع ناپایدار و نادرست جریان ناخالص در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای پره‌دار عمدتا با پیکربندی ورودی مبدل حرارتی نامناسب مانند طراحی ضعیف هدر و پیکربندی توزیع کننده مرتبط است. توزیع ناقص جریان عبور و مرور سیال در یک مبدل حرارتی بسیار فشرده بوجود می‌آید که ناشی از تحمل‌های مختلف تولید، سرامیک کردن ناخالصی‌های فشرده و غیره است [2].

هدف از طراحی حرارتی یک مبدل حرارتی این است که تعیین مناسب‌ترین اندازه و پیکربندی هسته مبدل، که مطابق با خواسته‌های نرخ انتقال حرارت است، برآورده شود. طراحی هدر به‌طور قابل توجهی بر توزیع یکنواخت جریان سیال مبدل تاثیر می‌گذارد. از این‌رو، تجزیه و تحلیل برای تعیین اثرات توزیع جریان غیریکنواخت سیال در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای پره‌دار از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است ]2[

• 
  مبدل حرارتی

 

• مقدمه

برای انتقال انرژی گرمایی بین دو سیال در دماهای متفاوت از مبادله‌کن حرارتی استفاده می‌شود. مبادله انتقال حرارت بین دو یا چند سیال توسط مبادله‌کن‌های حرارتی آسان‌تر انجام می‌شود. رادیاتور خودروها، یخچال‌های خانگی، گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها و نیروگاه‌های بخار مثال‌هایی از کاربرد این دستگاه می‌باشند. عواملی مانند انتقال گرما و تحلیل افت فشار، برآورد ابعاد، کارآیی و جنبه‌های اقتصادی می‌توانند در طراحی مبادله‌کن‌های حرارتی پیچیدگی ایجاد کنند. مبدل‌های حرارتی از نظر آرایش جریان‌های گرم و سرد به‌صورت جریان هم‌جهت، محالف جهت و جریان متقاطع تقسیم‌بندی می‌گردند ]1[.

• مبدل گرمایی با جریان هم‌جهت

مطابق با شکل 2-1 در مبدل‌های حرارتی با جریان هم‌جهت دو جریان سیال در یک انتها به مبادله‌کن وارد می‌شوند، هر دو در یک جهت جریان می‌یابند و از انتهای دیگر خارج می‌شوند. نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی‌رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم به‌کارگیری سطح انتقال حرارت مؤثر بسیار بزرگی می‌باشد ]3[.

• مبدل گرمایی با جریان مخالف جهت

مطابق شکل 2-2 در مبادله‌کن‌های گرما با جریان مخالف جهت، دو جریان سیال در جهت‌های مخالف جریان می‌یابند. در این نوع مبدل‌ها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدل‌ها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل‌های همسو برخوردار هستند ]3[.

• مبدل گرمایی با جریان هم‌جهت ]3[
• مبدل گرمایی با مخالف جهت ]3[

• مبدل گرمایی با جریان متقاطع

مطابق شکل 2-3 در مبادله‌کن‌های گرما با جریان مقاطع بسته به طراحی جریان مخلوط شده یا مخلوط نشده نامیده می‌شود. آرایشی که در آن هر دو سیال سرد و گرم از طریق کانال‌های مجزا جریان می‌یابند، به‌طوری که هیچ یک از سیال‌ها در کانال‌های مجاور عبور جریان مخلوط نشوند، به هر جریان سیال مخلوط نشده گفته می‌شود. همچنین آرایشی که در آن یک سیال در مجرا جریان داشته و اجازه حرکت در راستای عرضی نداشته باشد و سیال دیگر از روی این مجرا عبور کرده و بتواند آزادانه در راستای جانبی حرکت کند و با خودش مخلوط شود، به چنین مبدل گرمایی جریان متقاطع مخلوط نشده- مخلوط شده گفته می‌شود ]3[.

• مبدل گرمایی با جریان متقاطع ]3[

• مبدل‌های گرمایی فشرده

یکی از انواع مهم مبدل‌های حرارتی، مبدل‌های حرارتی فشرده می‌باشند. یک مبدل گرمایی دارای نسبت سطح گرمایی به حجم بزرگتر از m²/m³ 700، حداقل در یک سمت سطح انتقال گرما یا سمت‌های بیشتر انتقال گرما در مبدل‌های چند جریانه می‌تواند یک مبدل فشرده گرما نامیده شود. بنابراین این مبدل‌ها توسط مساحت سطح انتقال حرارت وسیع در واحد حجم توصیف می‌شوند، که منجر به کاهش فضا، وزن، انرژی و هزینه‌ی مورد نیاز و بهبود فرآیند طراحی در مقایسه با مبدل‌های معمولی می‌شود. متداول‌ترین انواع مبدل‌های حرارتی فشرده گرما به صورت مبدل‌های لوله ای پره‌دار و صفحه‌ای پره‌دار می‌باشند ]4[.

بیشترین کاربرد مدل‌های حرارتی فشرده در حالت‌های گاز به گاز یا گاز به مایع و یا گاز به سیال در حال تغییر فاز می‌باشد. زیرا گازها دارای ضریب انتقال حرارت پایین می‌باشند و برای انتقال میزان معینی حرارت، سطح انتقال حرارت بزرگی نیاز دارند. برای آنکه بتوان هم سطح انتقال حرارت و هم سطح عبور جریان را افزایش داد، باید از مبدل‌های حرارتی فشرده استفاده نمود. همچنین در مواردی‌که بخواهیم حرارت را بازیابی کنیم مثل بازیابی حرارت محصولات احتراق در کوره‌های گرمایی از این نوع مبدل استفاده می‌شود [3].

هنگامی که محدودیت‌های عملیاتی اجازه دهند، استفاده از مبدل‌های حرارتی فشرده بر مبدل‌های معمولی ترجیح داده می‌شود و بدین ترتیب اهمیت نقش مبدل حرارتی و طراحی بهینه‌ی آن روشن می‌گردد. همچنین با توجه به مزایای گوناگون کانال‌های با سطح مقطع غیرمدور، در مبدل‌های حرارتی فشرده اغلب از کانال‌های با سطوح مقطع مختلف استفاده می‌شود. انتخاب سطح انتقال حرارت مناسب یکی از مهمترین فاکتورها در طراحی مبدل‌های حرارتی فشرده می‌باشد و وجود اطلاعات کافی در ارتباط با رفتار هیدرودینامیکی و حرارتی سیالات درون کانال‌ها در این رابطه ضروری می‌باشد [3].

از فولاد ضد زنگ آستنتیک 347 به‌طور وسیع به دلیل خواص خوب و قیمت پایین در بسیاری از مبدل‌های حرارتی فشرده امروزی استفاده می‌شود. اما محدودیت دمایی آن در حدود 6۷۵ درجه سانتی‌گراد می‌باشد. با به‌کارگیری موادی مانند سوپر استنلس استیل ۳۶۷ می‌توان دمای ورودی به مبدل حرارتی را تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد بالا برد. همچنین موادی مانند اینکونل 625 می‌توانند دمای ورودی به مبدل حرارتی را تا حدود ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد تحمل کنند. افزایش دمای ورودی به مبدل حرارتی منجر به استفاده از مواد سرامیکی و کربنی خواهد شد. امروزه از اینکونل ۹۲۵ به‌طور وسیعی به دلیل خواص مقاومت حرارتی خوب آن در ساخت مبدل‌های حرارتی فشرده استفاده می‌شود. این آلیاژ در برابر محیط‌های خورنده و دماهای بالا و همچنین سیال‌های داغ از کارآیی حرارتی بالایی برخوردار است. یکی دیگر از خواص این آلیاژ مقاومت آن در برابر شوک‌های حرارتی می‌باشد [3].

در مبدل‌های حرارتی فشرده به‌طور کلی ممکن است مسیر حرکت سیال‌های سرد و گرم نسبت به هم دو وضعیت داشته باشند. در حالت اول ممکن است دو سیال از یک ناحیه از مبدل وارد شده و به‌طور هم مسیر با هم در طول مبدل، تبادل حرارت کنند و از ناحیه دیگر به‌طور هم زمان خارج شوند.این نوع مبدل به مبدل با جریان‌های موازی معروف است. در نقطه مقابل مبدل‌های با جریان متقابل قرار دارند که در آن سیال سرد و گرم از دو نقطه مقابل هم وارد می‌شوند به‌طوری که در محل خروج سیال سرد، سیال گرم وارد و در نقطه خروج سیال گرم، سیال سرد وارد می‌شود.

• مبدل‌های حرارتی لوله‌ای پره‌دار

از این مبدل‌ها هنگامی که یک جریان سیال فشار و یا ضریب انتقال حرارت بالاتری در مقایسه با جریان سیال دیگر داشته باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین این مبدل‌های حرارتی به دلیل ضریب انتقال حرارت بالاتر مایع، بیشتر به‌صورت مبدل‌های حراراتی گاز – مایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. ضرایب انتقال گرما در سمت گاز معمولا بسیار کوچکتر از سمت مایع می‌باشند. به همین دلیل در سمت گاز از پره استفاده می‌شود.

نمونه‌هایی از این نوع مبدل در شکل 2-4 نشان داده شده است. همانطور که در این شکل‌‌ها دیده می‌شود در مبدل‌های حرارتی لوله‌ای پره‌دار عموما لوله‌هایی با مقاطع گرد، مستطیلی یا بیضوی استفاده می‌شوند. مبدل‌های حرارتی لوله‌ای با پره‌های صفحه‌ای به‌طور متداول در سیستم‌های گرمایشی، تهویه، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می‌شوند ]4[.

توجه:

برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.

لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.

سفارش تحقیق

به منظور سفارش تحقیق مرتبط با رشته تخصصی خود بر روی کلید زیر کلیک نمایید.

سفارش تحقیق