اصول و مبانی طراحی مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی وسایلی هستند که با انتقال حرارت بین سیالات در دماهای مختلف انرژی را انتقال می دهند. این دستگاه ها می توانند به طور گسترده هم در زندگی روزمره و هم در کاربردهای صنعتی مانند ژنراتورهای بخار در نیروگاه های حرارتی، تقطیر کننده ها در صنایع شیمیایی، اواپراتورها و کندانسورها در کاربردهای اموزش تهویه مطبوع HVAC و فرآیند تبرید، هیت سینک ها، رادیاتورهای خودرو و احیاگرها در موتورهای توربین گازی مورد استفاده قرار گیرند. در این فصل روش های طراحی اولیه برای دو مبدل حرارتی سیال مورد بحث قرار می گیرد.

مبدل های پوسته لوله ای، کولر هوا و مبدل نوع صفحه ای سه نوع مبدل پرکاربرد در صنایع شیمیایی و فرآیندی هستند. با افزایش تلاش در سال های اخیر برای کاهش وزن و سایز و افزایش کارایی، انواع دیگر مبدل ها به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، طراحی مکانیکی و حرارتی این مبدل‌های جایگزین تمایل به ماهیت اختصاصی دارد که ممکن است توضیح دهد که چرا بسیاری از مشتریان نوع مبدل پوسته و لوله آزمایش‌شده و آزمایش‌شده را ترجیح می‌دهند که هنوز در اکثر کارخانه‌ها غالب است

اصول کلی طراحی مکانیکی برای انواع مبدل های زیر ارائه می شود:

مبدل های پوسته و لوله
مبدل های هوا خنک
مبدل های نوع صفحه ای
مبدل های نوع باله صفحه ای
مبدل های دو لوله
مبدل های بلوک گرافیت
مبدل های نوع صفحه ای مارپیچی
مبدل های تماس مستقیم
لوله های حرارتی

طراحی تجهیزات مورد نیاز

تجهیزات انتقال حرارت ممکن است بر اساس نوع یا عملکردی که انجام می‌دهند، مانند چیلر، کندانسور، جوش‌کننده خنک‌کننده و غیره تعیین شوند. انتخاب نوع پوسته و لوله عمدتاً بر اساس عواملی مانند نیاز به تدارک حرکت تفاضلی بین پوسته و لوله تعیین می‌شود. ، فشار طراحی، دمای طراحی و ماهیت رسوب سیالات به جای عملکرد. اطلاعات بیشتر در مورد انتخاب انواع، ویژگی های اصلی و طراحی آنها در ساندرز (1988) آورده شده است.

نوع رایج مبدل های پوسته و لوله، نوع لوله ثابت است. این دارای نام TEMA AEM است. اجزای اصلی مبدل های پوسته و لوله مشخص می شود و یک شماره مرجع داده می شود

روش های طراحی مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی (HE) وسایلی هستند که انرژی را بین سیالات در دماهای مختلف با انتقال حرارت انتقال می دهند. مبدل های حرارتی ممکن است بر اساس معیارهای مختلفی طبقه بندی شوند. طبقه‌بندی مبدل‌های حرارتی (HE) را در بازیابی‌کننده‌ها و احیاکننده‌ها با توجه به ساخت و ساز استفاده می‌کند. در ریکپراتورها، گرما به طور مستقیم (فورا) بین دو سیال منتقل می شود و با مخالفت، در احیاکننده ها تبادل حرارتی فوری بین سیال ها وجود ندارد. بلکه از طریق یک مرحله میانی شامل ذخیره انرژی حرارتی انجام می شود. ریکپراتورها را می توان بر اساس فرآیند انتقال در انواع تماس مستقیم و تماس غیر مستقیم طبقه بندی کرد. در تماس غیرمستقیم HE، یک دیواره (جدایی فیزیکی) بین مایعات وجود دارد. ریکاوراتورها به عنوان نوع انتقال مستقیم شناخته می شوند. در مقابل، احیاگرها وسایلی هستند که در آنها تبادل حرارت متناوب بین سیالات گرم و سرد از طریق ذخیره انرژی حرارتی و آزاد شدن از طریق سطح مبدل حرارتی یا ماتریس وجود دارد. احیاگرها اساساً به دو مدل ماتریس دوار و ثابت طبقه بندی می شوند. احیاگرها به عنوان یک نوع انتقال غیر مستقیم شناخته می شوند. در این مطلب روش های طراحی اولیه برای دو مبدل حرارتی سیال مورد بحث قرار می گیرد. ما در مورد روش log-mean تفاوت دما (LMTD)، اثربخشی ε-NTU بحث می کنیم. چهار روش برای تجزیه و تحلیل عملکرد حرارتی بازیابی کننده استفاده می شود: اختلاف دمای میانگین لگاریتم (LMTD)، اثربخشی تعداد واحدهای انتقال (ε-NTU). ، اختلاف دمای میانگین بدون بعد (Ψ-P) و روش های (P1 – P2). در ادامه مراحل روش های طراحی اولیه برای دو مبدل حرارتی سیال مورد بحث قرار گرفته است. تکنیک های طراحی احیاگرها که دو کلاس اصلی هستند مورد بررسی قرار می گیرند. راه حل مشکل بازیابی بر حسب اختلاف دمای میانگین لگاریتم (LMTD) و روش اثربخشی- تعداد واحدهای انتقال (ε-NTU) نیز ارائه شده است

روش لگاریتم میانگین اختلاف دما (LMTD)

استفاده از این روش به وضوح با آگاهی از دمای ورودی و خروجی سیال سرد و گرم تسهیل می شود. چنین کاربردهایی ممکن است به عنوان مشکلات طراحی مبدل حرارتی طبقه بندی شوند. یعنی مشکلاتی که در آنها دما و نرخ ظرفیت مشخص است و اندازه مبدل مورد نظر است. دو نوع آرایش جریان در یک مبدل حرارتی دو لوله امکان پذیر است: جریان موازی و جریان مخالف. در جریان موازی، هر دو سیال سرد و گرم در یک سر وارد مبدل حرارتی می شوند و در یک جهت حرکت می کنند.