دسته بندی مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی تقریباً پرکاربرترین عضو در فرآیندهای شیمیایی اند و می توان آن ها را در بیشتر واحدهای صنعتی ملاحظه کرد. آنها وسایلی هستند که امکان انتقال انرژی گرمایی  بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف را فراهم می کنند. این عملیات می تواند بین مایع- مایع ، گاز- گاز و یا گاز- مایع انجام شود. مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو مورد استفاده قرار می گیرند.

مبدل های حرارتی در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده می شوند . این کاربردهای شامل  نیروگاه ها ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع ساخت و تولید ، صنایع فرآیندی ، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز ، گرمایش ، تهویه مطبوع ، سیستم های تبرید و کاربردهای فضایی میباشند. مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور، اواپراتور، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و … کاربرد فراوان دارند.

صنایع بسیاری در طراحی انواع مبدل های حرارتی فعالیت دارند و هم چنین ، دروس متعددی در کالج ها و دانشگاه ها با نام های گوناگون در طراحی مبدل های حرارتی ارائه     می گردد. محاسبات مربوط به مبدل ها کاری طولانی و گاهی خسته کننده است. مثلاً طراحی یک مبدل برای یک عملیات به خصوص نیاز به حدس های زیادی دارد که با استفاده از آن ها و طبق استانداردها می توان اندازه های یک مبدل مناسب را پیدا کرد. اما با استفاده از     برنامه های کامپیوتری تمام این محاسبات توسط کامپیوتر انجام میشود و طراح برای طراحی تنها باید شرایط عملیاتی و خواص سیالات حاضر در عملیات را وارد کند. نرم افزارهای  Aspen B-jac و  HTFS از این موارد هستند. این نرم افزارها شامل برنامه هایی می شوند که توانایی انجام چنین محاسباتی را دارند.

در این تحقیق ابتدا توضیحاتی در مورد مبدل های حرارتی و اصول طراحی آنها بیان گردیده و در ادامه به معرفی و آشنایی با چند نرم افزار طراحی مبدلها پرداخته شده است.

مبدل های حرارتی را می توان از جنبه های مختلف دسته بندی کرد :

بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم
بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدلها
بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم

1- مبدل های حرارتی نوع Recuperative

در این مبدل سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت می گیرد. اکثر مبدل های موجود در صنعت از این دسته هستند.

2- مبدل های حرارتی نوع Regenerative

در این مبدل ، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می گیرند. این نوع مبدل ها بیشتر در مقیاس های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند.

3- مبدل های حرارتی نوع تماس مستقیم

در این نوع مبدل های حرارتی ، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده ( هیچ دیواره ای بین جریانهای سرد و گرم وجود ندارد ) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می گیرد. در مبدل های تماس مستقیم ، جریانها ، دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. نمونه ای از این مبدل ها ، برج های خنک کن ، کولرهای آبی و گرم کن های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه های بخار می باشند .

بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم

بر این اساس مبدل های حرارتی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند :

الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو

مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو

ج – مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

الف-  مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو

در این نوع مبدل ها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آن ها موافق یکدیگر می باشند. یعنی دو جریان سیال ، از یک انتها به مبدل وارد می شوند و هر دو در یک جهت جریان می یابند و از انتهای دیگر خارج می شوند. نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم بکارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می باشد.

ب-  مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو

در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان غیر همسو می نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدل ها 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 مبدل های همسو برخوردار هستند.

ج- مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

در این نوع مبدل ها جهت جریان های سرد و گرم عمود بر هم می باشند. به عنوان متداول ترین نمونه می توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم ، بسته به طراحی ، جریان  مخلوط یا غیر مخلوط نامیده می شود. سیال داخل لوله ها چون اجازه حرکت در راستای عرضی را نخواهد داشت غیر مخلوط است. سیال بیرونی برای لوله های بی پره مخلوط است چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و برای لوله های پره دار غیر مخلوط است زیرا وجود پره ها مانع از جریان آن در جهتی عمود بر جهت اصلی جریان می شود.

بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم

مبدل های حرارتی بر طبق مکانیزم انتقال گرما ، می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :

1- جابجایی یک فاز در هر دو سمت

2- جابجایی یک فاز در یک سمت ، جابجایی دو فاز در سمت دیگر

3- جابجایی دو فاز در هر دو سمت

در مبدل های حرارتی از قبیل اکونومایزرها ( مبدل هایی که در آن سیال از شرایط مایع مادون اشباع بسمت شرایط مایع اشباع می رود) و گرمکن های هوا در دیگ بخار ، خنک کن های میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای ، رادیاتور خودروها ، ژنراتورها ، خنک کن های روغن ، گرم کن های مورد استفاده در گرمایش اطاقها و غیره ، در هر دو سمت سیال سرد و گرم ، انتقال گرما از طریق جابجایی یک فاز اتفاق می افتد. چگالنده ها ، دیگ های بخار و مولدهای بخار در راکتورهای آب تحت فشار در نیروگاه های هسته ای ، تبخیرکننده ها و رادیاتورهای مورد استفاده در تهویه مطبوع و گرمایش ، دارای مکانیزم های چگالش و جوشش در یکی از سطوح مبدل های حرارتی می باشند. همچنین انتقال گرمای دو فاز    می تواند در هر دو سمت مبدل ، مانند شرایطی که چگالش در یک سمت و جوشش در سمت دیگر سطح انتقال گرما است ، اتفاق بیفتد. هر چند ، بدون تغییر فاز نیز می توان شکلی از انتقال گرمای جریان دوفاز داشت ، همانطور که بسترهای سیال ، مخلوط گاز و ذرات جامد ، به سطح گرمایی ، یا از آن سطح ، گرما منتقل می کنند.

پيشگفتار    3
دسته بندی مبدل های حرارتی    5
بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم    5
بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم    6
بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم    8
بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها    9
اصول طراحی مبدل های حرارتی    20
1- تعیین مشخصات فرآیند و طراحی    24
2- طراحی حرارتی و هیدرولیکی    28
3- طراحی مکانیکی    33
4- ملاحظات مربوط به تولید و تخمین  هزینه ها    37
5-  فاکتورهای لازم برای  سبک و سنگین کردن    39
6-  طراحی بهینه    40
7- سایر ملاحظات    40
نرم افزار HTFS ( شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی )    41
TASC، طراحي حرارتي ، بررسي عملكرد و شبيه سازي مبدلهاي پوسته و لوله    42
FIHR، شبيه سازي كوره ها با سوخت گاز و مايع    42
MUSE، شبيه سازي مبدلهاي صفحه ای پره دار    43
TICP، محاسبه عايقكاري حرارتي    43
PIPE، طراحي، پيش بيني و بررسي عملكرد خطوط لوله    44
ACOL، شبيه سازي و طراحي مبدلهاي حرارتي هواخنك    44
FRAN، بررسي و شبيه سازي مبدلهاي نيروگاهي    45
TASC، طراحي حرارتي ، بررسي و شبيه سازي مبدلهاي حرارتي پوسته و لوله    46
توانايي ها    46
كاربرد در فرآيند    47
مشخصات فني و توانايي ها    48
خواص فيزيكي    49
بررسي ارتعاش ناشي از جريان    49
خروجي    50
ACOL، شبيه سازي و طراحي مبدلهاي حرارتي هواخنك    52
طراحي    52
كاربرد در فرآيند    53
مشخصات فني و توانايي    54
نتايج خروجي    56
PIPESYS ، شبيه سازي خطوط لوله    58
امکانات و توانایی ها    59
نمونه هايي از كاربرد PIPESYS در عمل    60
نرم افزار Aspen B-jac    61
آشنایی با نرم افزار Aspen Hetran    63
نحوه کار نرم افزار  Hetranدر حالت طراحی    65
محیط نرم افزار Aspen Hetran    72
تعریف مساله ( Problem Definition )    73
اطلاعات خواص فیزیکی ( Physical property data )    83
ساختار مبدل ( Exchanger Geometry )    94
داده های طراحی (  Design Data)    106
تنظیمات برنامه ( Program Options )    113
نتایج ( Results )    117
خلاصه وضعیت طراحی    118
خلاصه وضعیت حرارتی    121
خلاصه وضعیت مکانیکی    125
جزئیات محاسبه ( Calculation Details )    127
آشنایی با نرم افزار Aerotran    129
روش های طراحی نرم افزار Aerotran    131
آشنایی با نرم افزار  Teams    133
برنامه Props    136
برنامه Qchex    138
برنامه Ensea    140
برنامه Metals    142
برنامه  Primetal    144
برنامه Newcost    147
منابع و مواخذ    149