پایان نامه اثر پارامتر های هندسی بر روی انتقال حرارت و افت فشار در طراحی مبدل های حرارتی لوله پره دار

چکیده :
مبدل حرارتی وسیله ای است که انرژی را از سیالی به یک یا چند سیال دیگر که دارای درجه حرارت های متفاوتی هستند منتقل می کند ، لذا مبدل های حرارتی در تمام زمینه های صنعتی ،تجاری و حتی زندگی روزمره نیز که به نحوی با تبادل انرژی سر و کار دارند مورد استفاده قرار می گیرند . برای شناخت هر چه بهتر مبدل های حرارتی آن ها را در هشت گروه متفاوت دسته بندی می کنیم .
مبدل های حرارتی با جریان متقاطع که در اغلب کاربرد های صنعتی مانند تولید بخار در دیگ های بخار و یا گرمایش و سرمایش هوا و گاز های دیگر کاربرد دارند ، در این دسته بندی جزء مبدل های حرارتی با جریان پیوسته سیال به صورت تماس غیر مستقیم که هم به صورت فشرده و هم غیر فشرده ساخته شده و با ساختاری به شکل لوله ای و صفحه ای با آرایش جریان عمود بر هم بین دو سیال که به صورت جابجائی با هم تبادل حرارت می کنند ، جای می گیرند .
مبدل های حرارتی لوله – پره دار صفحه ای که جزء این نوع از مبدل های حرارتی هستند کمتر مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند ، هچنین در کتب درسی و دانشگاهی نیز کمتر به معرفی این نوع مبدل های حرارتی مبادرت گردیده است ، لذا هدف از این تحقیق معرفی بیشتر این نوع از مبدل های حرارتی و بررسی اثر پارامتر های هندسی موثر در طراحی این نوع مبدل های حرارتی می باشد .
بنا براین در این تحقیق با استفاده از نرم افزار فلوئنت که یکی از نرم افزارهای دینامیک سیالات است ، به بررسی اثر این پارامترها در طراحی این نوع از مبدل های حرارتی(CFD)محاسباتی پرداخته ایم و در نهایت نیز نتایج بدست آمده از تحقیق را با نتایج محاسبات تجربی در مبدل های حرارتی با جریان متقاطع بروی دسته لوله ها مقایسه شده است .

مقدمه :
مبدل حرارتی وسیله ای است که انرژی حرارتی را از سیالی به یک یا چند سیال دیگر که دارای درجه حرارت های متفاوتی هستند منتقل می کند . این تعریف به طور ضمنی بیان می کند که در یک مبدل حرارتی حداقل دو سیال وجود دارند که حرارت بین آن دو جابجا می شود . هرچند که این تعریف از جامعیت کافی برخوردار است معهذا موارد خاصی از مبدلهای حرارتی وجود دارند که در این تعریف نمی گنجند . از جمله این موارد دستگاههای تبادل حرارتی هستند که در سفینه های فضایی و یا هر وسیله ای که در خلاء کار می کند مورد استفاده قرار می گیرند .
مبدل های حرارتی در تمام زمینه های صنعتی ، تجاری و زندگی روزمره که به نحوی با تبادل انرژی سرو کا ردارند مورد استفاده قرار می گیرند . هر موجود زنده به طریقی به مبدل حرارتی مجهز است .
مبدل های حرارتی در اندازه های بسیار کوچک و بسیار بزرگ ساخته شده اند . کوچکترین آنها (کمتر از ۱ وات) برای مصارف الکترونیکی فوق هادی ها، هدایت موشک هائی که بوسیله منبع حرارتی کنترل می شوند و بزرگ ترین آنها (ظرفیت حرارتی بزرگ از ۱۰۰۰ مگاوات) در نیروگاه های بزرگ به عنوان دیگ بخار ، کندانسور یا برج خنک کن به کار می روند .
کاربرد مبدل حرارتی بسیار وسیع و در صنایع مختلفی از قبیل نیروگاه های تولید برق ، پالایشگاه ها ، صنایع ذوب فلز و شیشه سازی ، صنایع غذایی و دارو سازی ، کاغذ سازی ، صنایع پتروشیمی ، سردخانه ها و سیستم های گرمایش و سرمایش ساختمان ها ، صنایع میعان گازها ( مانند هوا ) وسائط نقلیه زمینی ، دریایی و فضایی و صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند . به طور کلی هرجا که مسئله تبدیل و تبادل انرژی مطرح باشد مبدل های حرارتی به نحوی کاربرد دارند . مبدل های حرارتی به صور مختلفی نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اوپراتور ، تبخیر کننده ، برج خنک کن ، پیش گرم کن هوا ، بازیاب ، خنک کن میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای ، فن کویل ، هواساز ، خنک کن روغن ، خنک کن و گرم کن مشتقات نفتی ، رادیاتور وسائط نقلیه ، گرم کن آب تغذیه و سوپر هیتر در نیروگاه های بخار، کوره و غیره و در صنایع فوق الذکر به کار می روند .

۱-۱ دسته بندی مبدل های حرارتی
دسته بندی مبدل های حرارتی می تواند بر اساس پیوستگی یا تناوب جریان ، پدیده انتقال ، میزان فشردگی ، طریقه ساخت ، آرایش جریان ، تعداد سیالات ، مکانیزم انتقال حرارت و در جه حرارت کارکرد انجام پذیرد . این دسته بندی ها در شکل ۱- ۱ خلاصه شده است .

۱- دسته بندی بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان

جریان متناوب سیال جریان پیوسته سیال

۲- دسته بندی بر مبنای پدیده انتقال

تماس غیر مستقیم تماس مستقیم

بستر سیال ذخیره ای انتقال مستقیم
۳- دسته بندی بر مبنای فشردگی

غیر فشرده فشرده
m^2/m^3 ) 700< تراکم سطح بر واحد حجم ) (m^2/m^3 700 > تراکم سطح بر واحد حجم )
شکل ۱ – ۱ دسته بندی مبدل های حرارتی
۴- دسته بندی بر مبنای طریقه ساخت

صفحه ای سطوح گسترش یافته ( پره دار ) لوله ای بازیاب

صفحه صفحه صفحه لاملا لوله صفحه لوله دو لوله ای لوله
مارپیجی شاسی کویل پره دار پره دار پوسته ای مارپیچی

۵- دسته بندی بر مبنای آرایش جریان

چند مسیره تک مسیره

موازی موازی مخالف عمود بر هم مخالف موازی
مخالف عمود بر هم عمود بر هم
۶- دسته بندی بر مبنای تعداد سیالات

چند سیال دو سیال یک سیال

ادامه شکل ۱ – ۱ دسته بندی مبدل های حرارتی

۷- دسته بندی بر مبنای مکانیزم انتقال حرارت

تبادل تشعشعی یا جابجائی دو فازی جابجائی تک فازی در جابجائی تک فازی
توام با جابجائی در هر دو طرف یک طرف و دو فازی در هر دو طرف
در طرف دیگر

۸- دسته بندی بر مبنای درجه حرارت کارکرد

درجه حرارت بالا درجه حرارت متوسط درجه حرارت پائین
ادامه شکل ۱ – ۱ دسته بندی مبدل های حرارتی
۱ – ۱- ۱ دسته بندی بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان
جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی یا پیوسته است یا متناوب . در مبدل های حرارتی با جریان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند و سیال گرم دائم درمجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوطه به خود جریان دارند . دو مجرای جریان توسط یک جداره جامد مانند جدار لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند .
از طرفی دیگر در مبدل های حرارتی با جریان متناوب یا بازیاب ها از یک مجموعه مجاری جریان برای هر دو سیال استفاده می شود . مجموعه مجاری جریان ، هسته مبدل را تشکیل می دهند که دو سیال به تناوب از آن عبور میکنند . تمام یا بخشی از هسته مبدل مدتی در معرض جریان سیال گرم قرار دارد که در این مدت انرژی را از سیال گرفته در خود ذخیره می نماید . سپس مدتی در مسیر جریان سیال سرد قرار گرفته و انرژی ذخیره شده رابه آن پس می دهد . این دوره تناوب مرتباً تکرارمی شود .
به عنوان مثال در کوره هائی که در صنایع شیشه سازی یا شیمیائی بکار می روند از پیش گرم کن های ساکن هوا با جریان متناوب استفاده می گردد . شکل شماتیک یکی از این پیش گرم کن ها که به کوره کوپر معروف است و همراه با کوره بلند در صنعت فولاد سازی به کار می رود در شکل ۱- ۲ نشان داده شده است . چنانچه در شکل ملاحضه می شود این کوره از دو قسمت تشکیل شده است .
ستون سمت راست خود بازیاب است که شامل مواد متخلخل سرامیکی بوده و ستون سمت چپ اتاق احتراق می باشد . وقتی که کوره گرم کار می کند هوا وسوخت از سمت چپ و پائین اتاق وارد شده و گاز های داغ از بالای بازیاب ( ستون سمت راست ) وارد شده و از پائین خارج می شوند . پس از مدتی درجه حرارت مواد سرامیکی داخل بازیاب به حد کافی بالا می رود آنگاه ورود سوخت و هوا به اطاق احتراق قطع می شود و هوای محیط از سمت راست و پائین کوره وارد بازیاب می گردد . پس از عبور از بازیاب درجه حرارت آن بالا رفته و از سمت چپ خارج شده و وارد کوره بلند می شود .

شکل ۱- ۲ یک بازیاب ساکن که در کنار کوره بلند مورد استفاده قرار می گیرد .
در مبدل حرارتی با جریان متناوب ساکن غالباً لازمست جریان همیشگی دو سیال برقرار باشد . در این صورت حداقل دو هسته بازیاب موردنیاز است که درهر لحظه در یکی سیال گرم و در دیگری سیال سرد جاری باشد . درزمان های تناوب تعیین شده به وسیله شیرهای اتوماتیک جای دو سیال عوض می شود . این نوع مبدل در شکل زیر نشان داده شده است . بازیاب شکل ۱-۳ در میعان هوا به کا رگرفته می شود که در آن سیال گرم (هوا) و سیال سرد (ازت) به طور متناوب در دو هسته مبدل جریان می یابند .

شکل ۱-۳ مبدل حرارتی با جریان متناوب ( بازیاب ) که در میعان هوا مورد استفاده قرار می گیرد .
۱-۱- ۲ دسته بندی بر مبنای پدیده انتقال
تبادل انرژی بین دو سیال یا به صورت تماس مستقیم و یا به صورت تماس غیر مستقیم صورت می گیرد .
در نوع تماس مستقیم حرارت بین دو سیال که با یکدیگر تماس مستقیم دارند منتقل می شود . معمولاً یکی از دو سیال گاز و دیگری مایعی است با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی از یکدیگر قابل تفکیک هستند . برج خنک کن نوع مرطوب که در شکل ۱-۴ نشان داده شده است از این نوع مبدل حرارتی می باشد . کاربرد دیگر آن کندانسور فواره ای است که در آن پاشش آب به داخل بخار آب یا سایر سیالات باعث تقطیر آن بخار می گردد .

شکل ۱- ۴ یک نوع برج خنک کن مرطوب با جریان مکشی هوا

در یک مبدل حرارتی نوع تماس غیر مستقیم حرارت ابتدا از سیال گرم به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر ( مثلاً سطح جداره لوله ) منتقل شده و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد . به این نوع مبدل حرارتی ، مبدل حرارتی سطحی نیز گفته می شود که خود به سه دسته زیر تقسیم می شود :
۱- انتقال مستقیم
۲- ذخیره انرژی
۳- بستر سیال
در مبدل حرارتی نوع انتقال مستقیم دو سیال به وسیله یک جداره جامد ( جداره لوله یا یک ورق ) از هم مجزا شده اند . تمام مبدلهای حرارتی با جریان پیوسته از این نوع هستند . هیچ قطعه متحرکی در مبدل های حرارتی وجود نداشته و با آب بندی های مناسب از اختلاط دو سیال جلوگیری می شود .
مبدل های حرارتی که برا اساس ذخیره انرژی کار می کنند همان بازیاب ها هستند که دربخش قبل مورد بحث قرار گرفتند .
در شکل ۱- ۵ یک مبدل حرارتی با بتسر سیال نشان داده شده است . جریان یک گاز از یک بستر ذرات جامد ( ماسه، ذغال سنگ ، ذرات آلومینا ، کاتالیزور و… ) باعث سیالی شدن این بستر خواهد شد . در حالت سیالی شده ذرات جامد در داخل گاز به طور یکنواخت مخلوط و پراکنده خواهد شد . اگر سرعت رو به بالای گاز کم باشد ذرات در روی بستر باقی مانده و پراکنده نخواهند شد . از طرفی اگر سرعت گاز زیاد باشد ذرات را با خودش به خارج مبدل حرارتی حمل خواهد نمود . فقط در یک سرعت مناسب است که نیروی دراگ رو به بالا روی ذرات کمی بیشتر از وزن آنها بوده و این ذرات به صورت معلق و پراکنده د رگاز خواهند ماند .
گرچه ضریب انتقال حرارت بین یک گاز در جریان و یک سطح جامد بین w/mc° ۳۰ تا w/mc° ۱۰۰ می باشد اما این ضریب برای یک بستر سیال تا w/mc° ۷۰۰ نیز می رسد .
مبدل های حرارتی بستر سیالی در تبدیل پودر ذغال سنگ به گاز ، بازیابی انرژی حرارتی خشک کن ، راکتور های شیمیای و غیره به کا ربرده می شوند .

شکل ۱- ۵ یک بستر سیالی شده
در شکل ۱- ۶ (الف) نیز یک مبدل حرارتی بستر سیالی نشان داده شده که وظیفه آن خنک کردن ذرات آلومینا است . ذرات از سمت چپ وارد پوسته مبدل شده که درآنجا با جریان رو به بالای هوا یک بستر سیالی تشکیل می شود و از طرفی آب سرد داخل لوله مارپیچ جریان دارد . در اثر تبادل حرارت آب و هوا گرم شده ذرات آلومینا خنک می شوند . سیال اصلی خنک کن آب است ولی هوا هم که برای سیالی کردن بستر بکار می رود خود نقش یک خنک کن ثانویه را ایفا می کند .
یک راکتور شیمیائی با بستر سیالی نیز در شکل ۱- ۶ (ب) نشان داده شده است . چون راکتور بایستی در دمای یکنواخت و زیاد عمل کند از بستر سیالی استفاده شده است .

شکل ۱- ۶ (ب) یک راکتور شیمیائی با بستر سیال شکل ۱- ۶ (الف) مبدل حرارتی بستر سیال
۱-۱- ۳ دسته بندی بر مبنای فشردگی سطح
به سطح تماس بین یک سیال و یک جامد که با هم تبادل حرارت می کنند ، سطح تبادل حرارت گفته می شود . آن قسمت از سطح که برای تفکیک دو سیال نیز به کارمی رود ( سطح لوله یا ورق های اصلی یک مبدل حرارتی ) سطح اصلی نامیده می شود .
برای افزایش نرخ تبادل حرارت بین سیال معمولاً پره هایی روی سطح اصلی نصب می شود که به سطح گسترده یا ثانویه معروف است . البته خود پره ها هم گاهی اوقات مجاری جریان متعددی به وجود می آورند . هدف از بکارگیری سطوح گسترده یا پره ها افزایش نرخ تبادل حرارت است و معمولاً در طرف گاز یا بخار فشار ضعیف که ضریب انتقال حرارت جابجا ئی آنها کوچک است مورد استفاه قرار می گیرند و با افزایش تمرکز و تعداد پره ها روی سطح اصلی به مقدار سطح تبادل حرارت بر واحد حجم مبدل حرارتی افزوده می گردد .
به طور اختیاری مبدل حرارتی که تمرکز سطح یا نسبت سطح تبادل حرارت به حجم آن m^2/m^3 700 بیشتر باشد مبدل حرارتی فشرده گفته می شود .
بعضی از ویژگی های مربوط به مبدل های حرارتی فشرده عبارتند ا ز :
۱- معمولاً حداقل یک سیال گا ز است .
۲- سیالات بایستی تمیز و غیر خورنده باشند زیرا مجاری جریان خیلی کوچک و سطوح گسترده نیز از ورق های نازک تشکیل می شوند . لذا آلودگی گاز باعث بسته شدن مجاری جریان و خورنده بودن سیال نیز سبب سوراخ شدن سطح مبدل می گردد .
۳- معمولاً توان پمپاژ به اندازه انتقال حرارت حائز اهمیت است زیرا کوچک بودن مجاری جریان ، افت فشار زیادی را ایجاب می کند .
۴- درجه حرارت و فشار کارکرد محدود است .
روش های ساخت مبدل های حرارتی فشره بستگی به درجه حرارت و فشار کارکرد دارد . متداول ترین مبدل های حرارتی مادون سرد نوع سطوح تخت پره دار هستند که در شکل ۱- ۷ نشان داده شده است . این نوع مبدل ها از ورق های آلومینیومی تشکیل شده اند که بین ورق ها توسط ورق های موج دار دیگر پر شده است .

شکل ۱- ۷ مبدل حرارتی صفحه ای که در مرحله تولید است .
شکل ۱- ۸ میزان فشردگی سطح مبدل های حرارتی مختلف را به طور تقریبی نشان می دهد . همانطور که ملاحظه می شود کندانسور یک نیروگاه که از لوله های به قطر ساخته شده یک مبدل حرارتی فشرده محسوب نمی شود اما بازیابی که در یک توربین گازی مورد استفاه قرار می گیرد ، دارای تمرکز سطحی برابر با حدود m^2/m^3 600 بوده و یک مبدل حرارتی فشرده می باشد . ریه انسان با نسبت سطح تبادل حرارت بر واحد حجم برابر m^2/m^3 17500 یکی از فشرده ترین مبدل های حرارتی و جرمی محسوب می شود که معادل یک مبدل لوله پوسته ایست با لوله های به قطرmm 19/0 که به فاصله mm 26/0 از یکدیگر قرار گرفته باشند .

شکل ۱- ۸ مشخصات هندسی سطوحی که برای مبدل های حرارتی به کار می رود .

۱-۱-۴ دسته بندی بر مبنای طریقه ساخت ( ساختمان )
در بسیاری از مواقع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختمان دسته بندی می شوند . مبدل های حرارتی از لحاظ ساختمان عموماً به چهار دسته تقسیم می شوند که عبارتند از :
الف ) لوله ای
ب ) صفحه ای
ج ) پره دار
د ) بازیاب ها
روش ساخت این مبدل های حرارتی کاملاً متفاوت بوده و هریک در زمینه خاص کاربرد دارند .
الف ) مبدل های حرارتی لوله ای
مبدل های حرارتی لوله ای بیش از هر نوع مبدل حرارتی دیگر مورد استفاده قرار می گیرند . این مبدل ها در اندازه ها و شکل های مختلف ساخته می شوند . مبدل های حرارتی لوله ای خود انواع مختلفی دارد که از جمله آنها تک لوله ای ، دو لوله ای ، لوله مارپیچی ، چند لوله ای و لوله پوسته ای می باشند . نوع تک لوله ای و چند لوله ای به علت محدودیت کاربرد آنها در اینجا مورد بحث قرار نخواهد گرفت .
۱- مبدل های دو لوله ای
مبدل های حرارتی دو لوله ای یا سنجاق سری اساساً از دو لوله هم محور مطابق شکل ۱- ۹ (الف) تشکیل می شود که به صورت سنجاق سری یا U شکل ساخته می شود . یکی از دو سیال در لوله داخلی و دیگری درمجرای حلقوی بین دو لوله یا به طور خلاصه در لوله خارجی جریان دارند .

شکل ۱- ۹ مبدل حرارتی دو لوله ای (الف) مبدل دو لوله ای (ب) نمونهای از لوله ها با پره های طولی
اگر سیال سمت لوله خارجی لزج یا گازباشد معمولاً سطح خارجی لوله داخلی دارای پره های طولی مطابق شکل ۱- ۹ (ب) خواهد بود . لوله های هم محور به صورت مستقیم ساخته شده و توسط زانوی در یک انتها به یکدیگر متصل می شوند .
مبدل های حرارتی دو لوله در مواقعی که سطح تبادل حرارت مورد نیاز کوچک باشد به ویژه وقتی که یکی از دو سیال گاز یا مایع لزج و یا دبی آن کم باشد کاربرد دارد . همچنین به علت این که قطر لوله ها کوچک است در فشار زیاد ( مثلاً خنک کن میانی کمپرسورهای چند مرحله ای ) مناسب خواهد بود . ساخت مبدل حرارتی دو لوله ای نسبتاً ساده و هزینه آن هم نسبتاً کم می باشد . نگهداری و تمیز کردن آن ها آسان است و به همین دلیل برای سیالات رسوب زا قابل استفاده می باشد . به طور خلاصه مبدل های حرارتی دو لوله ای برای مواقعی که سطح تبادل حرارت مورد نیاز از m^2 50 کوچک تر باشد مناسب است .
۲- مبدل های لوله مارپیچ
مبدل های حرارتی لوله مارپیچی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچی تشکیل می شود که داخل یک محفظه قرار می گیرد . اجزاء این نوع مبدل حرارتی و تصویر مونتاژ شده آن در شکل ۱- ۱۰ دیده می شود . ابتدا و انتهای لوله های مارپیچ به لوله های اصلی ورودی و خروجی متصل می شوند . برای اینکه جریان سیال خارج لوله هم مسیر مارپیچ را طی کند فضای خالی بین لوله هایی که زیر هم قرار می گیرند به وسیله ورقی مسدود می شود . این عمل برای حلقه های مارپیچ بطور یک در میان صورت می گیرد .
لوله های مارپیچ را از هرجنسی می توان انتخاب نمود ولی فولاد کربن دار ،مس و آلیاژهای مسی ، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل از بقیه متداول تر می باشند . اگر سیالات لزج باشند از لوله های پره دار نیز استفاده می شود .
چون ضریب انتقال حرارت جریان سیال در یک مجرای منحنی بیشتر از مستقیم است ، معمولآً ابعاد مبدل حرارتی لوله مارپیچی درمقایسه با مبدل های لوله پوسته ای با شرایط کارکرد مساوی کوچک خواهد بود . این نوع مبدل حرارتی برای گرمایش و سرمایش سیالات لزج و دبی کم بسیار مناسب است و همچنین هزینه نگهداری و تمیز کردن آن کم می باشد .

شکل ۱- ۱۰ مبدل لوله مارپیچی همراه با قطعات جدا شده آن
به طور کلی مزایای مبدل های حرارتی لوله مارپیچی نسبت به لوله پوسته ای عبارتند از :
برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین مناسب است .
چون جریان سیال لزج معمولاً آرام است و به علت این که نسبت طول مجرا به قطر هیدرولیکی جریان در این مبدل ها کوچک است جریان در حال توسعه و در نتیجه ضریب انتقال حرارت آن بالاست .
چون جریان دو سیال در جهت های مخالف هم صورت می گیرد لذا راندمان مبدل حرارتی بالاست .
به علت خاصیت فنری لوله ها مسئله انقباض و انبساط حرارتی مشکلی را به وجود نمی آورد .
جمع و جور است و به سهولت قابل مونتاژ می باشد .
از معایب مبدل های حرارتی لوله مارپیچی عبارتند از :
به علت منحنی بودن لوله ها تمیز کردن داخل لوله ها به طریق مکانیکی میسر نیست .
به علت کوچک بودن لوله های اصلی ورودی و خروجی و نزدیک بودن لوله های مارپیچی عمل جوشکاری این دو به هم مشکل بوده و گاهی اوقات مسئله نشد سیال به وجود می آید .
۳- مبدل های لوله پوسته ای
متداول ترین نوع مبدل های چند لوله ای نوع لوله پوسته ای است که در ابعاد مختلف به ویژه برای انتقال حرارت مایع – مایع ، مایع – سیال در حال تبخیر و مایع – سیال درحال تقطیر به کارمی روند .
یک نوع از این مبدل ها که شبیه مبدل های دو لوله ای است ، مطابق شکل ۱- ۱۱ تشکیل شده از یک پوسته که تعدادی لوله U شکل با پره های طولی د رداخل آن قرار گرفته اند .

شکل ۱- ۱۱ دو نوع مبدل پوسته و لوله ای با لوله های U شکل
مبدل بالایی شکل ۱- ۱۱ از نوع موازی- مخالف است یعنی در نصف تعداد لوله ها جریان دو سیال موازی هم و در نصف دیگر مخالف هم صورت می گیرد . در حالی که مبدل پایینی شکل ۱- ۱۱ کلاً باآرایش جریان مخالف است .
که این دو مبدل برای گرمایش و سرمایش سیالات لزج مناسب بوده و در اندازه های نسبتا بزرگی مطابق جدول زیر ساخته می شوند :
جدول ۱- ۱ حدود ابعاد مبدل های لوله پوسته ای
پارامتر حداکثر اندازه
قطر داخلی پوسته

طول لوله (Uشکل)

قطر خارجی لوله

تعداد لوله ها ۲۰۸
تعداد پره روی هر لوله ۷۲
ارتفاع پره

ضخامت پره

سطح تبادل حرارت برای هر مبدل

ب ) مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل های حرارتی صفحه ای نوع دیگری ا زمبدل ها ست که در دسته بندی شکل ۱- ۱ ظاهر شده و دارای ساختمان بخصوصی است . این مبدل ها از ورق های نازکی که ساده یا موجدار می باشند تشکیل می شوند . ورق ها به صورت مسطح یا استوانه ای به کار برده می شوند مبدل های صفحه ای عموماً برای مایع به مایع با جریان مغشوش مورد استفاده قرار می گیرند .
گرچه به گستردگی مبدل های لوله پوسته ای کاربرد ندارد ولی حائز خصوصیاتی هست که آنها را نسبت به مبدلهای لوله پوسته ای قابل مقایسه می سازد . مبدل های حرارتی صفحه ای خود شامل انواع مختلف یاست که اهم آنها عبارتند از : صفحه و شاسی ، مارپیچی ، لاملا و صفحه کویل .
۱- مبدل های صفحه و شاسی
اجزاء مهم صفحه و شاسی که به مبدل صفحه وشردار نیز معروف است در شکل ۱- ۱۲ نشان داده شده است . مبدل حرارتی صفحه شاسی از تعداد زیادی ورق های نازک مستطیلی که روی شاسی سوار می شوند تشکیل می شود . بین این صفحات که موازی هم نصب می شوند مجاری جریان به وجود می آید که دوسیال از این مجاری عبور می کنند . در گوشه های هر یک از صفحات مطابق شکل سوراخ هایی وجود دارد که پس از قرار گرفتن این صفحات در کنار یکدیگر مجاری اصلی ورودی و خروجی دو سیال را به وجود می آورند . فاصله بین صفحات به طور اغراق آمیزی نشان داده شده تا مسیر جریان دو سیال به وضوح مشخص شود . بین پنج ورق نشان داده شده در شکل چهار مسیر جریان وجود دارد که دو تای آنها سیال گرم و ا ز دو تای دیگر سیال سرد عبورمی کند . برای اجتناب از مخلوط شدن دو سیال بایستی ورق هیا مستطیلی به طور خاصی با واشر آب بندی شوند .

شکل ۱- ۱۲ مبدل صفحه و شاسی شامل صفحات موج دار و واشر ها و شاسی
۲- مبدل های صفحه مارپیچی
مبدل های صفحه مارپیچی از دوران دو صفحه طویل به طور مارپیچ حول یک محور مطابق شکل ۱۴ به وجود می آید . دو سیال در فضای بین ورقها به صورت محیطی یا محوری جریان می یابند. در حالت جریان های مخالف مانند شکل ، یک سیال در مرکز مبدل وارد آن شده و پس از طی یک مسیر مارپیچی از محیط آن خارج می شود . سیال دیگر نیز در یک نقطه از محیط وارد و با طی مسیر مارپیچی ازمرکز خارج می شود . در حالی که یکی از دو سیال مسیر مارپیچی را طی می کند سیال دیگر ممکن است به صورت محوری ، مارپیچی یا ترکیبی از این دو جریان داشته باشد . صفحات مارپیچی سرانجام داخل یک بدنه محکم استوانه ای قرارگرفته و در دو انتهای استوانه در پوش هائی قرار میگیرند . مبدل حرارتی صفحه مارپیچی معمولاً از نوع فشرده نیستند و قطر آنها نسبتاً بزرگ است .

شکل ۱- ۱۳ نمائی از نحوه جریان در مبدل صفحه مارپیچی
بعضی از مزایای این نوع مبدل حرارتی عبارتند از :
به علت نحناء مسیر جریان سیال ضریب انتقال حرارت آنها نسبت به مجاری مستقیم بزرگ تر است . به علت انحناء مسیر جریان رسوبات روی سطح کنده شده و با سیال جارو می شود . به همین دلیل ضریب رسوب مبدلهای صفحه مارپیچی حدود یک سوم مبدلهای لوله پوسته ای انتخاب می شود . به واسطه همین ویژگی از این نوع مبدل برای سیالات لزج یا سیالات حاوی ذرات استفاده می گردد .
از معایب این نوع مبدل حرارتی عبارتند از :
یکی محدودیت ماکزیمم ابعاد آن و دیگری ماکزیمم فشار و درجه حرارت کارکرد آن می باشند که به ترتیب ۱ مگا پاسکال برای اندازه های بزرگ و با واشرهای پنبه نسوز می باشند .
مبدل های صفحه مارپیچی در صنایع سلولز برای تمیز کردن بخار در کارخانه های سولفات و سولفیت و همچنین به عنوان تبخیر کننده ترموسیفون و کندانسور به کار برده می شوند .

۳- مبدل های لاملا
مبدلهای حرارتی لاملا که توسط کمپانی سوئدی آلفا – لاوال ساخته می شود تشکیل شده است از یک پوسته استوانه ای که تعداد زیادی لوله های تخت معروف به برگه در داخل ان کنار هم قرار دارند . فضای خالی بین این لوله های تخت مجرای جریان سیال پوسته را تشکیل می دهد . شکل ۱۵تصویر این مبدل حرارتی و مقطع لوله های ا تخت رانشان می دهد .

شکل ۱- ۱۴ (الف) یک نمونه مبدل حرارتی لاملا (ب) مقاطع تخت به کار رفته
سیال داخل لوله و سمت پوسته معمولاً در خلاف جهت یکدیگر جریان دارند . کمپانی سازنده ادعا دارد که به علت بالا بودن میزان اغتشاش جریان رشد رسوب روی سطوح مبدل به کندی صورت می گیرد . ماکزیمم فشا رعملکرد این نوع میدل حرارتی و حداکثر درجه حرارت کارکرد آن با واشرهای تلفونی و با واشرهای پنبه نسوز می باشند .
مبدل های حرارتی لاملا در صنایع کاغذ سازی ، کارخانه های الکل سازی و صنایع پتروشیمی مورد استفاده قرار دارند .
۴- مبدل های صفحه – کویل
ساختمان مبدل حرارتی صفحه – کویل ، چنانچه در شکل ۱- ۱۵ ملاحظه می شود ، از دو ورق موجدار تشکیل می شود . همانطور یه در شکل نشان داده شده ، ممکن است یکی از ورق ها تخت و دیگری دارای برجتسگی باشد . وقتی که این دو ورق به یکدیگر متصل می شوند مجاری جریان سیال بین آنها بوجود می آید . علاوه بر آن برجستگی های روی سطح بیرونی ورق ها به منزله پره برای افزایش سطح تبادل حرارت سمت سیال دیگر عمل می کنند .
از مبدل های صفحه – کویل می توان برای گرمایش سیال در یک مخزن ، گرمایش ساختمان ها و غیره استفاده نمود .

شکل ۱- ۱۵ (الف) نمونه ای از مجاری جریان (ب) یک نمونه مبدل صفحه – کویل
ج ) مبدل های با سطوح گسترش یافته
مبدل های لوله ای و صفحه ای که در بخش های قبل بیان شد از سطوح اصلی و بدون پره تشکیل یافته اند . مبدل های مزبور معمولاً برای راندمان های کمتر از ۶۰ درصد مناسب هستند در حالی که بسیاری از کاربردها لازمست راندمان مورد نیاز مبدل به ۹۸ درصد هم برسد . برای رسیدن به این راندمان ابعاد بسیار بزرگی از مبدل های بدون پره لازمست که دارای وزن زیاد بوده و حجم قابل توجهی را نیز اشغال می نمایند . برای نیل به یک مبدل جمع و جور و در عین حال راندمان بالا بایستی از سطوح پره دار استفاده نمود .
مبدلهای با سطوح گسترش یافته به دو دسته صفحه پره دار و لوله پره دار تقسیم می شوند که ذیلا ً به شرح آنها می پردازیم .
۱- مبدلهای صفحه پره دار
این نوع مبدل حرارتی با قرار دادن سطح گسترش یافته بین صفحات تخت اصلی به وجود می آید . سطح گسترش یافته ای که در شکل ۱- ۱۶ نشان داده است عبارت است از یک ورق طویل که به صورت کنگره ای یا موج دار در آمده است . در حالی که صفحات تخت اصلی دو سیال را از یکدیگر جدا می سازند پره ها ی بین آنها مجاری جریان کوچکی را برای هر سیال به وجود می آورند . پره ها به وسیله اتصال مکانیکی ، چسب ، جوشکاری یا اکستروژن به سطح اصلی متصل می شوند .

شکل ۱- ۱۶ (الف) دو ورق اصلی و پره بین آنها (ب) یک مبدل حرارتی با صفحه های پره دار
مبدل های صفحه ای پره دار در اندازه های بزرگ نیز ساخته می شوند . مبدل نشان داده شده در شکل ۱- ۱۷ از این نوع می باشند . پره ها به صورت های مختلفی ساخته شده و مجاری جریان متنوعی از قبیل مثلثی ، مستطیلی ، سینوسی ، ذوزنقه ای ، و غیره را به وجود می آورند .

شکل ۱- ۱۷ پیش گرم کن هوای صفحه ای که با ارایش جریان مخالف عمل می کند .
علاوه بر آن ، سطح پره ها لزوماً صاف نبوده بلکه ممکن است برجستگی ، فرورفتگی یا بریدگی هائی روی آنها ایجاد شود تا به این ترتیب ضریب انتقال حرارت افزاریش یابد . البته افزایش ضریب انتقال حرارت افزایش افت فشار را نیز به همراه دارد . بعضی از اشکال بریدگی روی پره در شکل ۱- ۱۸ نشان داده شده است . پره های با سطح صاف وقتی به کار می روند که محدودیت افت فشار وجود داشته باشد در حالی که پره های منقطع ( با بریدگی ) زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که ضریب انتقال حرارت زیاد مورد نیاز باشد و در عین حال محدودیت افت فشار کمتر باشد .

شکل ۱- ۱۸ بعضی از انواع پره های منقطع
اگر هر دو سیال مبدل حرارتی گاز باشند معمولاً هردوسمت پره دار هستند ولی اگر یکی از دو سیال مایع باشد فقط سمت گاز پره دار خواهد بود و چنانچه سمت مایع نیز دارای پره باشد بیشتر جنبه تقویت مقاومت مکانیکی دارد . سطح پره ها در دو سمت یا دو طرف سطح اصلی لزوماً نبایستی با هم مساوی باشند . مثلاً در بازیاب توربین گازی فشار گازهای خروجی از توربین حدود یک اتمسفر و درجه حرارت آن زیاد است در حالی که فشار هوای خروجی از کمپرسور (سیال سرد) بین ۴ تا ۱۰ اتمسفر و درجه حرارت آن کمتر است . در نتیجه جرم مخصوص هوا چندین برابر گاز است و به همین دلیل سطح تبادل حرارت سمت گاز بایستی چندین برابر سمت هوا باشد . تاثیر جرم مخصوص در عدد رینولدز و نهایتاً در ضریب انتقال حرارت جابجایی ظاهر می شود ، به این معنا که عدد رینولدز و ضریب انتقال حرارت سمت گاز کوچک است و لذا سطح تبادل حرارت این سمت بایستی بزرگ باشد .
مبدل های حرارتی صفحه پره دار به طور گسترده ای در سیستم های مادون سرد ( شکل ۱- ۷ ) و میعان گازها به کار برده می شود . این مبدل حرارتی به عنوان بازیاب در توربین های گازی سیکل باز و بسته و به عنوان پیش گرم کن هوا در نیروگاه ها و همچنین درتهویه مطبوع کراراً مورد استفاده قرار می گیرند .
۲- مبدل های لوله ای پره دار
در بسیاری از کاربردها از هوا برای خنک کردن یک مایع یا تقطیر بخار استفاده می شود . ممکن است هر دو سیال گاز باشند ولی فشار یک گاز به قدری زیاد باشد که استفاده از مبدلهای صفحه ای پره دار مناسب نبوده بلکه بایستی لوله های دایره ای ، تخت ، یا بیضوی به کا رگرفته شوند . فشار هوا معمولاً یک اتمسفر است و مایع خنک شونده آب ، سیال مبرد ، اسید روغن یا الکل می باشد . برای این کاربردها از مبدل با لوله های پره دار استفاده می شود که پره ها روی لوله نصب می شوند . این مبدل ممکن است برای گرمایش یا سرمایش هوا در تهویه مطبوع استفاده شود .
پره های روی لوله یا طولی است یا شعاعی و یا به صورت صفحات سرتاسری که برای چندین لوله به عنوان پره عمل می کنند . در اینجا فقط به معرفی انواع پره های شعاعی و آن هم با ارائه شکل ۱- ۱۹می پردازیم .

شکل ۱- ۱۹ بعضی از انواع پره های شعاعی روی لوله
مبدل های حرارتی لوله ای پره دار دارای نسبت سطح تبادل حرارت بر واحد حجم کمتر از ۳۳۰۰ بوده و کاربردهای متنوعی دارند.
شکل ۱- ۲۰ مبدل لوله ای پره دار را نشان می دهد که به عنوان اوپراتور دستگا ه های تبرید به کار می روند. از این نوع مبدل به عنوان کندانسور دستگاه های تبرید نیز استفاده می گردد .

شکل ۱- ۲۰ یک اوپراتور سقفی که در سردخانه ها به کار می رود .
در نیروگاه های بخار از این نوع مبدل به عنوان گرم کن آب تغذیه استفاده می شود که تصویر یک نمونه از آن در شکل ۱- ۲۱ ارائه شده است . کاربردهای دیگر مبدل های لوله پره دار عبارتند از گرمایش و سرمایش هوا در تهویه مطبوع رادیاتور موتورهای احتراق داخلی و خنک کن های هوائی است . در شکل ۱- ۲۲ دو نوع مبدل لوله پره دار نشان داده شده است که لوله های به کار رفته در یکی دایره ای و در دیگری تخت می باشد . در این شکل صفحات موازی یکپارچه به عنوان پره مشترک چندین لوله عمل می کنند . در تصویر سمت چپ از صفحات ساده و در تصویر دیگر از صفحات کنگره ای استفاده گردیده است . این مبدل ها به عنوان رادیاتور مورد استفاده قرار می گیرند .

شکل ۱- ۲۱ یک پیش گرم کن اب تغذیه که از لوله های پره دار تشکیل شده است

شکل ۱- ۲۲ (الف) لوله معمولی با پره ساده (ب) لوله تخت با پره ساده
یکی دیگر از کاربردهای مهم مبدلهای لوله پره دار گرمایش و سرمایش مواد در مخازن است. گرمایش محتویات مخازن ممکن است به منظور کاهش لزجت مایع برای پمپاژ آن ، جلوگیری از انجماد مومها و سایر مواد یا ذوب یک ماده جامد صورت گیرد . از طرف دیگر محتویات مخازن ممکن است نیاز به سرمایش داشته باشد که به منظور کاهش فشار بخار، کاهش سرعت انجام واکنش یا انجماد یک ماده از یک محلول صورت می گیرد . برای استفاده بهتر از جریان جابجائی آزاد در خارج لوله ها بایستی مبدل را برای گرمایش در کف مخزن و برای سرمایش در بالای آن قرار داد . ضرورت پره دار بودن سطح خارجی لوله ها ناشی از کوچک بودن ضریب انتقال حرارت جابجائی آزاد در مقایسه با داخل لوله ها می باشد . عمل گرمایش با تقطیر بخار آب جریان آب گرم یا سیال دیگر در داخل لوله صورت می گیرد . به همین ترتیب سرمایش لازم نیز با تبخیر یک سیال مبرد یا جریان آب یا محلول نمک خنک در داخل لوله ها تامین می شود .
د – بازیاب ها
در دسته بندی مبدلهای حرارتی بازیاب ها از جهت تناوب جریان سیال در آنها معرفی شده اند . از آنجائی که این نوع مبدلهای حرارتی از نظر ساختمانی تفاوت قابل ملاحظه ای با سایر انواع مبدل های حرارتی دارد لذا از این نظر نیز در این بخش مورد توجه قرار می گیرد . بعضی از انواع بازیاب ها (یا مبدلهای حرارتی با جریان متناوب) در شکل های ۱- ۲ و ۱- ۳ معرفی شدند .
هسته بازیاب از ماده متخلخلی تشکیل می شود که گازها در منافذ آن جریان می یابند . این ماده متخلخل ممکن است از چندین لایه توری روی هم انباشته یا از آجرهای نسوز که کنار هم چیده شده اند ساخته شود . شکل ۱- ۲۳ بعضی از اشکال هندسی متداول آجر نسوز برای مصرف در داخل بازیاب های کوره بلند را نشان می دهد .

شکل ۱- ۲۳ بعضی از انواع اجر نسوز بکار رفته در هسته باریاب
مساحت سطح تبادل حرارت بر واحد حجم هسته بازیاب های دورانی ممکن است به ۶۶۰۰ نیز برسد که بعضی از انواع آن در شکل ۱- ۲۴ نشان داده شده اند . از اینرو دارای راندمان حرارتی بالایی (تا ۹۸ درصد) می باشند . تا دماهای کارکرد حدودc ° ۸۷۰ از مواد از مواد فلزی برای هسته بازیاب استفاده می گردد ولی اگر درجه حرارت بیشتر از آن باشد مواد سرامیکی مورد استفاده قرار می گیرند . به علت نشد گاز از یک طرف به طرف دیگر و مشکل آب بندی معمولاً از این نوع بازیاب ها برای اختلاف فشار کمتر از kpa 400 استفاده می گردد .

شکل ۱- ۲۴ انواع سطوح فشرده که در بازیاب های دما پائین استفاده می شود .
۱- ۵ دسته بندی بر مبنای آرایش جریان
متداول ترین دسته بندی مبدل های حرارتی براساس آرایش جریان انجام می پذیرد .
انتخاب آرایش مناسب جریان به عوامل متعددی از قبیل راندمان مبدل حرارتی ، تنش های حرارتی ، حدود درجه حرارت و نوع مبدل از نظر ساختمان و غیره بستگی دارد . دسته بندی حاضر برای مبدلهای با دو سیال انجام گرفته است .
آرایش جریان بر رابطه بین راندمان و اندازه مبدل حرارتی تاثیر مهمی دارد و لذا برای محاسبات طراحی ابتدا بایستی نوع آرایش جریان را تشخیص داد و یا انتخاب نمود . جریان سیال در طول مبدل حرارتی ممکن است تک مسیره است و اگر چند بار این طول را بپیماید به آن چند مسیره گفته می شود . اما قابل توجه است که مبدل حرارتی ممکن است چند مسیره باشد ولی جریان یکی از دو سیال بیش از یک مسیر نباشد .
۱- ۵- ۱ مبدل های حرارتی تک مسیره
جهت های جریان دو سیال در یک مبدل حرارتی نسبت به یکدیگر ممکن است به طور مخالف ، موازی یا عمود بر هم باشد . در تمام مبدلهای حرارتی جهت جریان دو سیال به یکی از طرق فوق یا ترکیبی از آنها می باشد .
الف ) مبدلهای با جریان مخالف
در این نوع مبدل حرارتی دو سیال در جهت مخالف یکدیگر حرکت می کنند . ساده ترین مبدلی که با این آرایش جریان کار می کند نوع دولوله ای است که در شکل ۱- ۲۵ نشان داده شده است . درجه حرارت هر یک از دو سیال را در هر مقطع عرضی می توان یکنواخت در نظر گرفت و لذا درجه حرارت هر سیال فقط تابعی از یک بعد (طول مبدل) می باشد . بعداً خواهیم دید که راندمان مبدل حرارتی با جریان های مخالف در شرایط مساوی از مبدل های حرارتی با سایر آرایش های جریان بیشتر است .

شکل ۱- ۲۵ مبدل حرارتی با جریان مخالف

اغلب مبدل های لوله پوسته ای دارای صفحات نگهدارنده ای هستند که یکی از وظایف آنها هدایت جریان سیال پوسته در جهت عمود بر لوله هاست . ولی در بعضی از کاربردها به دلیل محدودیت افت فشار، مبدل بدون صفحات نگهدارنده بوده و سیال پوسته به طور موازی و در خارج لوله ها و در خلاف جهت سیال داخلی جریان می یابد . از این نوع مبدل حرارتی لوله پوسته ای با جریان مخالف مطابق شکل ۱- ۲۶ به عنوان بازیاب نیروگاه گازی با سیکل بسته استفاده می گردد . مشکل استفاده از جریان مخالف در مبدلهای لوله پوسته ای به تفکیک دو سیال در ورودی و خروجی و ساخت لوله های اصلی ورودی و خروجی مربوط می شود که عملاً هزینه دستگاه را بالا می برد . مبدل های حرارتی صفحه ای به ویژه با سطوح پره دار نیز به ندرت با جریان های مخالف ساخته می شوند . علت این امر هم ناشی از مشکلات طرح و ساخت ورودی و خروجی و رعایت تفکیک دو سیال می باشد . به هر حال در مواردی که راندمان خیلی بالا مورد نیاز باشد این نوع مبدلها به صورت جریان های مخالف ساخته می شوند . یک نمونه از این مبدلها با جریان های مخالف در شکل ۱- ۱۷ نشان داده شد که نحوه تفکیک دو سیال در ورودی و خروجی در شکل ۱- ۲۷ ارائه گردیده است .