پروژه مبدل های حرارتی اصلی

مقدمه
فرآیند انتقال حرارت یکی از بنیادی ترین پدیده های فیزیکی در سامانه های مهندسی است که حضور آن در اغلب صنایع فرایندی، انرژی و تأسیسات به وضوح مشاهده می شود. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، نیاز به تبادل گرما میان دو سیال با دماهای متفاوت وجود دارد؛ تبادلی که معمولاً بدون اختلاط مستقیم سیالات و از طریق یک سطح جامد واسط انجام می گیرد. مبدل های حرارتی به عنوان تجهیزات اصلی تحقق این فرآیند، نقشی تعیین کننده در عملکرد حرارتی، بازده انرژی و پایداری عملیاتی سیستم ها ایفا می کنند. از سامانه های گرمایش و تهویه مطبوع گرفته تا نیروگاه ها، پالایشگاه ها و واحدهای شیمیایی، مبدل های حرارتی جزء جدایی ناپذیر چرخه انتقال و مدیریت انرژی به شمار می روند.

ماهیت عملکرد مبدل های حرارتی مبتنی بر اصول انتقال گرما شامل جابه جایی و هدایت حرارتی است و طراحی آن ها مستلزم درک دقیق رفتار سیالات، مشخصات ترمودینامیکی و محدودیت های مکانیکی تجهیزات می باشد. در این میان، مبدل های پوسته–لوله ای به دلیل سادگی ساخت، انعطاف پذیری در طراحی، قابلیت کار در فشارها و دماهای بالا و برخورداری از استانداردهای مدون، جایگاهی ویژه در میان انواع مبدل های حرارتی دارند. این نوع مبدل ها به واسطه ساختار ماژولار و امکان تغییر آرایش لوله ها، در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

طراحی مبدل های حرارتی پوسته–لوله ای فرایندی چندبعدی است که در آن هم زمان باید الزامات حرارتی، افت فشار، محدودیت های مکانیکی و ملاحظات بهره برداری مد نظر قرار گیرد. پیش بینی دقیق عملکرد حرارتی یک مبدل، مستلزم استفاده از روش های تحلیلی و نیمه تجربی است که بتواند رفتار واقعی جریان سیال در سمت پوسته و لوله را با دقت قابل قبول شبیه سازی کند. در همین راستا، طی دهه های گذشته روش های متعددی برای تحلیل و طراحی این تجهیزات توسعه یافته اند که هر یک دارای فرضیات، ضرایب اصلاحی و دامنه کاربرد مشخصی هستند.

در پروژه حاضر تمرکز اصلی بر بررسی مبدل های حرارتی پوسته – لوله ای و روش های رایج طراحی و تحلیل عملکرد آن ها قرار گرفته است. معرفی ساختار کلی این مبدل ها، اجزای اصلی، نحوه آرایش لوله ها، نقش بافل ها و تأثیر پارامترهای عملیاتی از جمله دبی، دما و خواص سیال، زمینه ای برای درک بهتر رفتار حرارتی و هیدرولیکی مبدل فراهم می سازد. علاوه بر این، بررسی تفاوت میان مبدل های دارای تغییر فاز و بدون تغییر فاز، امکان شناخت دقیق تر حوزه های کاربردی هر یک را ایجاد می کند.

روش های طراحی کرن، بل و الگوریتم طراحی سریع از جمله رویکردهایی هستند که در تحلیل مبدل های پوسته–لوله ای مورد استفاده قرار می گیرند. هر یک از این روش ها با رویکردی متفاوت به محاسبه ضریب انتقال حرارت، افت فشار و فاکتورهای اصلاحی می پردازند و نتایج حاصل از آن ها می تواند در انتخاب ابعاد بهینه مبدل نقش تعیین کننده ای داشته باشد. مقایسه این روش ها و بررسی دقت و محدودیت های آن ها، امکان ارزیابی جامع تری از فرآیند طراحی فراهم می آورد.

از سوی دیگر، مسائل عملیاتی نظیر رسوب گرفتگی، ارتعاش، سروصدا و افت فشار بیش از حد، از جمله چالش هایی هستند که در بهره برداری از مبدل های حرارتی مطرح می شوند و بی توجهی به آن ها می تواند عملکرد کلی سیستم را تحت تأثیر قرار دهد. در طراحی اصولی، این عوامل باید هم زمان با ملاحظات حرارتی مورد توجه قرار گیرند تا تعادل مناسبی میان راندمان انتقال حرارت و پایداری عملکردی برقرار شود.

ارائه الگوریتم های طراحی و فلوچارت های محاسباتی، چارچوبی منظم برای تحلیل و طراحی مبدل های پوسته–لوله ای فراهم می سازد. چنین رویکردی امکان بررسی مرحله به مرحله فرآیند طراحی، مقایسه روش های مختلف و ارزیابی نتایج به دست آمده را فراهم می کند.

فهرست مطالب
مقدمه
فصل اول- معرفی انواع مبدل های حرارتی
– مبدل های پوسته- لوله ای و انواع آن
– پارامترهای عملیاتی تعیین کننده مبدل های پوسته لوله ای
– خصوصیات مبدل پوسته لوله ای Fixed Tube Sheet
– خصوصیات مبدل پوسته لوله ای U- Type
فصل دوم- پارامترهای طراحی مکانیکی
– قطر و ضخامت لوله ها
– طول لوله ها
– آرایش لوله ها
– لوله های دو فلزی و پرده دار
– صفحه جدا کننده
– بافل های عرضی و لبه های بافل ها
– ضخامت بافل
– حداکثر طول آزاد و بدون تکیه
– بافل های طولی
– صفحه برخورد
– آخرین محدوده لوله گذاری (OTL)
– محاسبه تعداد لوله ها
فصل سوم- اطلاعات طراحی
– انواه محاسبات کاربردی در مبدل های حرارتی
– روش LMTD
– محاسبه U
– متد کلی مسئله طراحی
– روش NTU در طراحی یک مبدل
فصل چهارم- روابط مهم در تعیین ضریب انتقال حرارت و افت فشار
– معادلات و روابط مربوط به تازل و درپوشها
– تازل های ورودی و خروجی سمت لوله
– افت فشار تازل سمت پوسته
– بررسی فاکتور J در میزان انتقال حرارت و وابستگی آن به ضریب انتقال حرارت
– تعیین J بر مبنای عده ناسلت
– تعیین J بر مبنای عدد استاتن
فصل پنجم- روشهای طراحی و محاسباتی مبدل ها
– روش Kem
– محاسبه افت فشار سمت پوسته در روش Kem
– روش Bell
– معرفی فاکتورها در روش Bell
– روش تینکر (Tinker)
– محاسبات مربوط به پوسته F
– رسوب گرفتگی (Fouling)
– ارتعاش (Vibration)
– سروصدا (Noise)
– الگوریتم عمومی در طراحی مبدل های پوسته- لوله ای
– روش طراحی سریع مبدل های پوسته- لوله ای
– ارتباط بین افت فشار و ضریب انتقال حرارت
فصل ششم- حل دستی یک مثال طراحی
– اطلاعات طراحی و داده های مکانیکی در طراحی مبدل
– محاسبات
– محاسبات مربوط به Tubie Side
– محاسبات مربوط به پوسته
– حل دستی مثال فوق از طریق فاکتور عملکرد (Duty factor)
– حل مسئله از طریق روش الگوریتم سریع Rapid Design
– جدول مقایسه ای متدهای مختلف طراحی

فصل هفتم- راهنمای برنامه کامپیوتری برای روشهای (Rapid Design- Bell- Kem)
– مقدمه:
– تعریف داده های ورودی و متغیرهای به کار رفته در برنامه
– داده هایی که فقط در روش Bell به کار رفته اند و تعریف آنها
– روش و ترتیب وارد کردن داده های مورد نیاز در هر روش
– روش اجرای برنامه
– خروجیهای برنامه
– توضیح خروجیها به ترتیب (روس Kem)
– خروجیهای روش Bell به ترتیب برنامه
– خروجیهای روش Rapid design
فصل هشتم- الگوریتم و پرینت برنامه و خروجیهای آن
– الگوریتم متد Kem
– الگوریتم متد Bell
– الگوریتم متد Rapid design
مراجع و منابع مورد استفاده در این پروژه