بررسی جامع مبدل های حرارتی و اصول طراحی آنها و آشنایی با نرم افزارهای طراحی مبدلها - 205 صفحه فایل ورد

فهرست مطالب

عنوان                                        صفحه

پیشگفتار3

دسته بندی مبدل های حرارتی5

بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم5

بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم6

بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم8

بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها9

اصول طراحی مبدل های حرارتی20

1- تعیین مشخصات فرآیند و طراحی24

2- طراحی حرارتی و هیدرولیکی28

3- طراحی مکانیکی33

4- ملاحظات مربوط به تولید و تخمین  هزینه ها37

5-  فاکتورهای لازم برای  سبک و سنگین کردن39

6-  طراحی بهینه40

7- سایر ملاحظات40

نرم افزار HTFS ( شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی )41

TASC، طراحی حرارتی ، بررسی عملکرد و شبیه سازی مبدلهای پوسته و لوله42

FIHR، شبیه سازی کوره ها با سوخت گاز و مایع42

MUSE، شبیه سازی مبدلهای صفحه ای پره دار43

TICP، محاسبه عایقکاری حرارتی43

PIPE، طراحی، پیش بینی و بررسی عملکرد خطوط لوله44

ACOL، شبیه سازی و طراحی مبدلهای حرارتی هواخنک44

FRAN، بررسی و شبیه سازی مبدلهای نیروگاهی45

TASC، طراحی حرارتی ، بررسی و شبیه سازی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله46

توانایی ها46

کاربرد در فرآیند47

مشخصات فنی و توانایی ها48

خواص فیزیکی49

بررسی ارتعاش ناشی از جریان49

خروجی50

ACOL، شبیه سازی و طراحی مبدلهای حرارتی هواخنک52

طراحی52

کاربرد در فرآیند53

مشخصات فنی و توانایی54

نتایج خروجی56

PIPESYS ، شبیه سازی خطوط لوله58

امکانات و توانایی ها59

نمونه هایی از کاربرد PIPESYS در عمل60

نرم افزار Aspen B-jac61

آشنایی با نرم افزار Aspen Hetran63

نحوه کار نرم افزار  Hetranدر حالت طراحی65

محیط نرم افزار Aspen Hetran72

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 طراحی118

خلاصه وضعیت حرارتی121

خلاصه وضعیت مکانیکی125

جزئیات محاسبه ( Calculation Details )127

آشنایی با نرم افزار Aerotran129

روش های طراحی نرم افزار Aerotran131

آشنایی با نرم افزار  Teams133

برنامه Props136

برنامه Qchex138

برنامه Ensea140

برنامه Metals142

برنامه  Primetal144

برنامه Newcost147

منابع و مواخذ149

پیش گفتار

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.

دسته بندی مبدل های حرارتی

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

بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرمبر اساس جهت جریان سیال سرد و گرمبر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرمبر 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