چهارشنبه , خرداد ۲۹ ۱۳۹۸
خانه / مقالات مهندسی مکانیک / مبدل حرارتی – دانلود رایگان کتاب فارسی Sadik_Kakac(ترجمه دکتر سپهر صنایع)

مبدل حرارتی – دانلود رایگان کتاب فارسی Sadik_Kakac(ترجمه دکتر سپهر صنایع)

مفهوم مبدل حرارتی

مبدل حرارتی (مبادله‌کننده حرارتیHeat exchanger) دستگاهی است که برای انتقال حرارت مؤثر بین دو سیال (گاز یا مایع) استفاده می‌شود. بطور کلی در صنایع نفت، گاز، شیمیایی و پتروشیمیایی و پروسس وسایلی وجود دارند که کار آنها انتقال حرارت از یک مایع یا گاز به یک مایع یا گاز دیگر است. این انتقال حرارت از جداره فلزی یک لوله یا تیوب طوری انجام می گیرد که از مخلوط شدن آنها جلوگیری می کند، دستگاه هایی که این تبادل حرارت را انجام می دهند بطور کلی مبدل حرارتی یا HEAT EXCHANGER نامیده می شوند.

مبادله کن گرمایی

کاربرد مبدل حرارتی

از مبدل حرارتی برای کم کردن درجه حرارت مایعی که لازم است سرد شود و یا گرم کردن مایعی که باید درجه حرارتش بالا رود ، استفاده می شود . همچنین در دستگاه های پروسس و تقطیر برای جدا کردن و تفکیک ( SEPARATION ) مواد مختلف نفت، جهت تهیه فرآورده های مختلف از نفت خام که هر کدام دارای نقطه جوش خاصی می باشد، نفت خام را حرارت می دهند تا هر ماده در حرارت معینی به جوش آمده، تبخیر و از بقیه مواد جدا شود و برای اینکه مواد تبخیر شده دوباره تبدیل به مایع گردند یا به درجه حرارتی برسند که بتوان عمليات بعدی را روی آنها انجام داد ويا قابل انبار کردن در مخازن گردند باید مقداری با تمام حرارت آنها را کاهش داد. این عملیات بوسیله مبدل حرارتی انجام می شود.

ضمنا برای صرفه جوئی در مصرف مقدار سوخت و هزینه پالایش، انرژی حرارتی ذخیره شده در مواد نفتی داغ و بخار را در مبدل حرارتی گرفته و به مواد نفتی خنک که باید تحت عملیات قرار گیرد می دهند. تبادل حرارت در مبدل حرارتی ممکن است بین دو مایع ، دو گاز ، یا یک مایع و یک گاز انجام شود.

بطور کلی مایعات و گازها را در این مجموعه سیال می نامیم مبدل های حرارتی در طرح های مختلف و متنوع و اندازه های متفاوت ساخته می شوند و بسته به شرایط کار آنها، اسامی مختلفی دارند ولی اساس کار همگی آنها یکی است، یعنی تبادل حرارت انجام می دهند.

انواع مبدل حرارتی

انواع مبدل گریی عبارتند از:

  • بویلر BOILER یا دیگ بخار برای تهیه بخار آب بکار می رود.
  • سوپر هیتر SUPER HEATER برای خشک کردن و تهیه بخار فوق اشباع استفاده می شود.
  • پیش گرمکن یا اکونومایزر ECONOMIZER برای گرم کردن آب تغذیه دیگ بخار بوسیله گازهای گرمی که از دیگ بخار به طرف دودکش حرکت می کنند ، بکار می رود.
  • ری بویلر یا جوشاننده REBOILER مبدلی که مواد حاصل از برجهای تقطیر را بوسیله بخار آب یا نفت داغ گرم می کند و قسمتی از مواد را به بخار تبدیل می نماید.
  • گرم کننده یا هیتر HEATER مبدلی است که فقط درجه حرارت سیال را افزایش می دهد بدون اینکه در حالت سیال تغییری داده شود.
  • تبخیر کننده EVAPORATOR مبدلی است که باعث تبدیل مایع به بخار می شود.
  • کولر COOLER مبدلی است که باعث کاهش درجه حرارت و خنک کردن سیال شده بدون اینکه حالت سیال عوض شود.
  • كاندنسر یا چگالنده CONDENSER وظیفه این مبدل حرارتی تبدیل بخارات حاصل از عمل تفکیک به مایع و همچنین جهت صرفه جوئی در آب تغذیه دیگ بخار ، بخار مرده DEAD STEAM خروجی توربینهای بخار را به آب مقطر تبدیل کرده و به دیگ بخار بر می گرداند.
  • سرد کننده یا چیلر CHILER بوسیله مایع پروپان باعث سرد کردن مواد گرم می شود.
  • برجهای خنک کننده آب COOLING TOWER تشکیل شده از طبقات چوبی مشبک که بطور افقی بر روی هم نصب شده و آب از بالا به پائین و هوا از پائین به بالا جریان دارد و باعث خنک شدن برای استفاده مجدد می شود.
مشاهده  بویلر - دیگ بخار

مبدل حراتی پوسته و لوله (SHELL & TUBE HEAT EXCHANGER) معمول ترین نوع مبدل حرارتی در صنعت نفت است و دارای سطح انتقال حرارت زیادی در واحد حجم اشغال شده می باشد.

ساختمان مبدل پوسته و تيوب تشکیل شده از تعدادی تیوب های موازی که در داخل یک یا دو صفحه تیوب TUBE SHEET متصل شده اند و درون پوسته ای استوانه ای شکل قرار گرفته اند تیوب ها ممکن است بصورت مستقیم STRAIGHT و یا U شکل باشند. تیوب های مستقیم احتیاج به دو صفحه تیوب دارند ولی در تیوب های U شکل فقط یک صفحه تیوب بکار می رود .یک سیال در داخل تیوب ها جریان دارد و بنام طرف تیوب TUBE SIDE FLUID و سیال دیگر خارج از تیوب ها و داخل پوسته و بنام طرف پوسته SHELL SIDE FLUID نامیده می شود.

از دو سیال فوق یکی سرد و دیگری گرم و بدون اینکه بطور مستقیم با یکدیگر تماس داشته باشند از طریق دیواره فلزی تیوب ها با یکدیگر تبادل حرارت انجام میدهند . بهترین تبادل حرارت وقتی امکان پذیر است که سیال درون پوسته و تیوب ها عکس یکدیگر جریان داشته باشند . میزان انتقال حرارت در مبدل ها بستگی به عوامل زیر دارد.

  •  اختلال درجه حرارت بین دو مایع
  •  سطح انتقال حرارت
  •  حجم مایعات درون پوسته و تیوبها و نحوه تقسیم آنها
  • ضخامت و جنس ساختمان مبدل

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

  • تقسیم بندی بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
  • تقسیم بندی بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
  • تقسیم بندی مبدل حرارتی بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم
  • تقسیم بندی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل

مبدل حرارتی بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم

مبدل نوع Recuperative

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

مبدل حرارتی Recuperative

 نوع Regenerative

در این نوع مبدل حرارتی ، 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 گرمایی بیشتر در مقیاس های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرد.

Regenerative

شبیه سازی مبدل حرارتی فشرده در فلوئنت

مشاهده  مبانی جریان دو فازی

مبدل حرارتی نوع تماس مستقیم

در این نوع مبدل، 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 مبدل گرمایی تماس مستقیم، برج های خنک کن ، کولرهای آبی و گرم کن های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه های بخار می باشند.

مبدل حرارتی تماس مستقیم

دسته بندی مبدل ها بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم

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

  •  نوع جریان همسو
  •  نوع جریان غیر همسو
  •  نوع جریان عمود بر هم

مبدل 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.

 جریان همسو

مبدل 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 مبدل ها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل های همسو برخوردار هستند.

 جریان غیرهمسو

 جریان همسو و غیر همسو

مبدل حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

در این نوع مبدل 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.

 جریان عمود بر هم

تقسیم بندی مبدل حرارتی بر اساس ساختمان مکانیکی

مبدل های حرارتی از نوع تماس غیر مستقیم(مبدل های با انتقال گرما از طریق دیواره) اغلب بر حسب مشخصات ساختاری توصیف می شوند.

انواع عمده دسته بندی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار آن ها ، شامل لوله ای ، صفحه ای و سطح پره دار است.

از طریق کادر زیر کتاب مبدل حرارتی فارسی Sadik_Kakac (ترجمه دکتر سپهر صنایع) رایگان دانلود کنید.

ارسال لینک دانلود به ایمیل

۲ دیدگاه

  1. بیشتر مبدل های صنعتی ازنوع پوسته-لوله هستند به نظر من مباحث مربوط به آنها بیان گردد خیلی بهتر
    بیشتر اگه سعی شود کاربردی بیان شود نه صرفا یه مطلب معمولی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *