انتقال حرارات

خلاصه :
در این مقاله امکان استفاده و اینکه آیا قابلیت کاربرد مبدلهای حرارتی صفحه ای به عنوان مبدلهای حرارتی چند جریانی مورد بررسی قرار می گیرد. از آنجا که یک قاب مبدلهای حرارتی صفحه ای می توان طوری قرار بگیرد که چنیدن صفحه را در خود جای دهد بنابراین جریانهای چندگانه می تواند به هریک از صفحات و از آنها خارج شوند.

و این خود سبب کاهش در هزینه ها و مبدلهای حرارتی فشرده تر با شبکه ای کوچکتر می شود. الگوریتم حل برای مسائل مبدلهای حرارتی شامل نوع و شکل جریان و طراحی اولیه برای بسته صفحه ای انتقال حرارت می باشد. در این جا برای کارخانه VHT مورد بررسی قرار گرفته است. قابلیت انعطاف پذیری یک مجموعه چند جریانی سرانجام مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

آشنایی :
صرفه جویی در مصرف انرژی در مجموعه های مبدلهای حرارتی بخش مهمی از تجزیه و تحلیل اقتصادی و هزینه های یک کارخانه پترشیمی را تشکیل می دهد. استفاده از راه حل بررسی مجموع اجزاء روش مناسبی برای تشخیص بهترین سطح است. این یک الگوریتم سیتماتیک برای حل مسئله شبکه های مبدلهای حرارتی ارائه می دهد.

در هر حال این روش برای مبدلهای پوسته و لولة مصروف می باشد و کارایی خود را به خوبی اثبات نموده است. تنها چند مقاله در مورد بررسی امکان طراحی مبدلهای حرارتی فشرده از دیدگاه انرژی و مصرف آن چاپ شده است.

Yeetal (1996) مبدلهای بهینه برای جمع کننده های حرارت در مبدلهای حرارتی چند جریان سدسازی نمود.
در نظر گرفتن سطح و مصرف انرژی در بهینه سازی این مبدلها و مبدلهای حرارتی چند جریانی در برابر مبدلهای دو جریانی جابه جایی داشته باشد.

(۱۹۹۲)Ponlaskeal مطالعه ای را در مورد مبدلهای حرارتی پیچیده ارائه داد که شامل چندین جریان در یک همراه با یک تبادل کننده سرماساز بود.
برنامه شبیه سازی PRosim برای روند طراحی به کار گرفته می شود که محاسبات آن شامل
نتایج بسیار خوب بود و کاهش هزینه ها و گرمای مورد نظر در هنگامی که از صفحات آلمینیومی زرد حوش شده استفاده می شود را از خود نشان داد. (۱۹۹۵)picon nunez روش را برای طراحی مبدلهای حرارتی چند جریانی از نقطه نظر مسیر همبستگی ارائه داد. راه حل مجموعه ای از نمودارها بود که برای انتخاب بهترین مبدل به کار گرفته می شد. انتخاب ابعاد مبدلها بر اساس بار حرارتی ثابت برای هر کانال و سطح انتقال حرارت ثابت در هر مقطع که می توان با انتخاب سطح مناسب به آن دست یافت.

در هر حال الگوریتمهایی که در بالا ذکر شد تنها برای نوع پرمهای صفحه ای از مبدلهای فشرده چند جریانی است. جدای از مبدلهای صفحه ای برجستگی های جزئی صفحه مبدل حرارتی همچنین کارائی خود را به عنوان مبدل حرارتی چند جریانه نشان داد.

در طی این PH به عنوان یک مبدل ساده برای احیاء گرما شناخته شده است. به خوبی می تواند جوابگوی نیازهای گرمایشی و سرمایشی صنایع باشد.
PHE می تواند انتقال خیلی زیادی را در مقابل مبدلهای حرارتی پوسته و لوله ساده در یک اختلاف دمای کمتری انجام دهد. این به خاطر صفحات مخصوص انتقال حرارت در PHE می باشد.
در PHE مساحت سطح انتقال گرما به راحتی با اضافه یا کم کردن صفحات می تواند تغییر کند.

PHE به طور خاص برای سرویس های بهداشتی که مداوماً باید تمیز شوند مناسب هستند و همچنین برای عملیات انتقال حرارت که در آن زمان حرکت جریان محدود است. با توجه به فوائد خاصی که PHE ها دارند بررسی استفاده PHE به عنوان تغییر دهنده چند جریانی گرما در این مقاله آمده است. معبر طراحی صفحه چند جریانی تغییر دهنده گرما در تطابق تنگاتنگ با اطمینان داشتن به درجه بازاریابی در شبکه های جریان پیشنهاد شده است.

قابلیت تنظیم و کار کردن با صفحه چند جریانی تغییر دهنده گرمایی در ارتباط با درجه آزادی و اینکه چه عملی باید برای مقدار مشخصی انعطاف پذیری باید صحیح و با مهدت انجام شود، مورد بحث واقع می شود. در آخر، مطالعه صفحه چند جریانی تغییر دهنده گرما برای دستیابی به طراحی آن بیان شده است.

خصوصیات صفحه تغییر دهنده گرما :
نوع بسیار شناخته شده صفحه تغییر دهنده گرما نوع سطح و قاب مانند آن است. سطح انتقال دهنده گرما از یک سری صفحات موج دار و روزنه هایی برای ورود و خروج سیال در چهار طرف آن تشکیل شده است. صفحات فلزی در یک چهار چوب با بالاترین و پائینترین میله (زره حائل) ردیف شده اند. هر صفحه به وسیله واشر برای اطمینان از هدایت سیال به سوی کانالهای دوگانه محکم شده است. خصوصیات صفحات با شدت جریان سیال خصوصیات فیزیکی، فشار و برنامه گرمایی تطبیق تطبیق داده شده است.

در این نوع ساختمان تعداد زیادی فوائد است که نام می بریم :
– مقدار زیاد جریان متلاطم در کانال ها اجازه می دهد دما دو سیال با کمتر از C 1 اختلاف نزدیک شوند. این را با C 10 – 5 برای تغییر دهنده دما پوسته و لوله ای و سوم تطبیق دهید. از این رو کارآیی گرمایی بالا در بکارگیری معمولی در نتیجه ضریب انتقال حرارت بالا بدست آمده است.

– منطقه انتقال گرما با اضافه یا کم کردن صفحات باقاب های یکسان افزایش یا کاهش پیدا می کند.
– تمیز و بازرسی کردن سطح انتقال گرمایی با آزاد کردن پیچ افقی و حرکت دادن صفحات در طول نرده حائل به راحتی انجام می شود.

– در بکارگیری معمولی مقدار زیادی پشم در کانالهای پشتی صفحات است که جریان متلاطم را توضیح می دهد و یک جریان فرعی ایجاد می کند و همچنین فضای مرده را کاهش می دهد. این اثرات در نسبت پایین برای جلوگیری از بهم خوردن سطح انتقال گرمایی بکار می رود.

– وقتی که مواد گرانتری برای ساختن تغییر دهنده دما مورد نیاز باشد. PHE قیمت کمتری از نوع پوسته و لوله ای دارد در کل PHE زمان اقامت سیال کمتری نیاز دارد و همچنین فضای کمتری برای نصب تأسیسات.

چیدمان بسته صفحات جریان
بنا بر اینکه PHE چگونه مونتاژ می شود ممکن است چیدمان و شکل جریانهای متفاوت داشته باشیم.
این کار با مسدود کردن وروریهاروی صفحات انتخاب شه و یا با کار گذاشتن صفحات مقسم بین دو بسته صفحات انجام می شود. چیدمان های معمولی جریان در بسته صفحات عبارتند از : موازی، سری و چند مسیره. برای مثال نگاه کنید به شکل۱-۳

هگز … (۱۹۹۴) یک سری اصطلاحات معمولی برای توضیح مسیر جریان بیان کرده است. هرتوره جریان از بسته صفحات به صورتی که نام برده می شود عبور می کند. (NpeOFNcne) در برابر. (NpeOFNcne ) در حالی Np تعداد مسیرها و NCN تعداد کلی کانال ها در هر صفحه است . تعداد کلی کانالها در هر بسته صفحات بوسیله فرمول زیر بدست می آید:Ncn=NpnNcnn +NpeNcne
و سه نوع شکل جریان به اینکه آیا جریان سرد یا گرم مسیر کانالهای صفحات عبور می کند بستگی دارد. اگر NPnNcnn=NPcNcne آنگاه جریان گرم و سرد در تعداد کانالهای مساوی دیده می شود. اگر۱ + NPnNcnn=NPcNcne آنگاه جریان گرم در یک کانال بیشتر از جریان سرد ساکن می شود (با جریان یافتن در هر دو جهت کانال.

در آخر اگر NPnNcnn=NpeNcnc -1 آنگاه جریان سرد با جریان یافتن در حداکثر نهایت کانالی – در یک کانال بیشتر از جریان گرم ساکن می شود.
برای جریان موازی سیالات یک بار در جهت بسته صفحات جریان می یابند. هر جریان از ورودی های گوناگون تا کانالهای جریان مقابل تقسیم می شوند و آنگاه در خروجی های گوناگون دوباره جمع می شوند. جریان در این چیدمان می تواند flow v – و یا ۲- flow باشد.

در چیدمان v – flow هر دو نوع جریان از یک جا وارد و خارج می شوند. در چیدمان ۲-flow جریان ها در جهات متفاوتی وارد و خارج می شوند. اگر توزیع جریان یکنواخت در نظر گرفته شود، آنگاه عملکرد گرمایی یکسان ساتوبهرحال در هر دو شکل flow v – و یا ۲- flow ممکن است توزیع بد جریان در داخل بسته صفحات از PHE ها رخ دهد. (ببینید ۱۹۹۵ سندرسون) بنابراین هر جریان در عملکرد گرمایی یا هیدرولیکی متفاوت عمل می کند.

جریان ها در این حالت همیشه بصورت جریان t هستند.
بنابراین طراحی ترتیب جریان عادی ترتیب جریان حلقوی با تندی جریان زیاد مستلزم تغییرات نسبتاً کوچک در دما می باشد.

از طرف دیگر شکل گرفتن یکسری ترتیب جریان در عمل با تندی جریان کم نیاز به تغییرات قابل توجه در دما می باشد. یک ترتیب جریان حلقوی نیاز به صفحات با دمای بییشتری نسبت به نوع های دیگر ترتیب جریان دارد.

اگر نوع صفحات در هر دو آرایش یکسان باشد. این مورد باعث کاهش ضریب انتقال حرارت کلی در نوع حلقوی می شود هر چند که افت فشار در جریان حلقوی کمتر است.
بنابراین گرمایی و کارایی های هیدرولیکی احتیاج به تعیین مقدار بهینه آرایش صفحات جریان دارد.

در موارد خاص در نوع حلقوی و دیگر انواع ترتیب جریان نمی تواند تطبیق دما و عوارض هیدرولیکی و سپس انتقال به چند کاره ترتیب درعوض مطرح شده
جدا از تفاوتهای که در جریان انعطاف پذیری PH6 وجود دارد.

هر کدام از دو جریان ها به طریق طبقه بندی می شوند. از اینرو چون در دو انتهای کانالی از دسته صفحات اختلاف دمای رخ می دهد. موقعی که در کانالهای درونی مقایسه می کنیم این اثر خیلی آشکار موقعی که تغییرات خیلی کم است.

کاربرد صفحه های حرارتی
بهترین روشن برای انجام محاسبات ۱ – روش E-NTU و همچنین روش ثبت تغییرات متوسط دما (LMTD) مورد استفاده قرار می گیرد.
براط طراحی یک مبدل خاص از هریک از این دو روش می توان استفاده کرد.

اما روش مشخص دیگری که مناسبتر است برای انجام محاسبات مبدلهادر این مورد از PHEs استفاده می کنیم که عملکرد گرمایی در دسته صفحات بستگی دارد به ترتیب جریان – شکل جریانها – تفاوت شکل جریان سیال داخل دسته صفحاتی که حرکت می کنند به طرف لایه مرزی جریان و همچنین ضریب انتقال حرارت اثر مستقیم روی کارایی مبدل حرارتی دارد.

بنابراین ترتیب جریان و شکل جریان باید با اولین مرحله از محاسبات حرارتی PHES مطابقت داشته باشد دو روش متفاوت برای انجام محاسبات حرارتی PHES وجود دارد.
Iea : شبیه سازی مسئله با استفاده از روش عددی E-NTu که یک روش تحلیلی است نوع حلقوی و نوع ترتیب جریان و شکل جریان ها در هر دو روش تطبیق داده می شود و از روی مطالعات اختصاصی انجام شده روی مایع – مایع و حالت مایع – تغییرات PHE فرضیات زیر را در نظر می گیریم.

– عمل حالت ثابت
– تلفات حرارتی در محیط ناچیز است
– هدایت حرارتی در سراسر صفحه عمودی جریان در داخل ضریب کلی انتقال حرارت (u) در نظر گرفته شده است.

– اثر هدایت محوری در جریانها ناچیز است.
– اختلاط صحیح جریانهای کلی در هنگام عبور از تمام قسمتهای سطح کانال
– خواص فیزیکی جریانها یکسان است و برای تغییرات حالت مایع PHEs و بیشتر از دو فرض احتیاج داریم.

– جائیکه y و  به ترتیب فاصله و دما زمان می شوند، و NTU عدد گرمایی انتقالی واحد یک صفحه می باشد.
– مدلهای اصلی موضوع مربوط به شرایط مرزی را حل می کنند، که تا فاصلة قبلی به بار نظم به حرکت در آید نمی شود تعیین کرد و جریان آرایش بخصوصی خواهد داشت. بطوریکه پروفیل دما یکنواخت توسعه پیدا می کنند؛

مدلهای اصلی متقاضی جدا کردن برای تمام کانالها در دو قسمت و مجموعه جریانهای منظم با سر آرایش متفاوت هستند. مجموعة این ها با شرایط مرزی مشخص یکسان می تواند تنظیم عددی پروفیل دما را در طول LMTD در تبادلگر مخصوص با دقت پائین حل نماید.

– برای محاسبة دمای عملکرد از راه دیگر توسط روش تحلیلی استفاده می کنیم. E-NTu تصحیح شده برای بدرستی شمارندة جریان حلقوی منظم. این روش برای فشردن صفحة حلقه شده به بازه ای تا تراکم کانال محدود شده است و بعد از تأثیر عوامل، در محاسبات جایی ندارند.

– برای مایغ تغییر فاز PHEs و دمای اصلی مدلها برای مایع تغییر فاز دهند. به موقع خود گسترش می یابد با استفاده از یک تعادل گرمایی روی یک کنترل صدا در داخل درونی و کانالهای آخر فشار جریان بوجود می آید بوسیله انتقال بروش هدیات و جابجایی برای مثال :
– فشار جریان در کانال t =1
– فشار جریان در کانال میانی با صفحة متراکم
– فشار جریان در آخرین کانال t=N
– در حالیکه Ap هست فشار جریان در مای زمان.

– با این ذفرض که تغییر فاز جریان یک جزء خالص در بردارد که exoeriences در تغییر فشار ، نه مافوق گرم بخار و نه مادون سرد مایع دارد. دمای تغییر فاز جریان پایدار می ماند.

این ریاضیات مدل تغییر فاز دهنده را آسان می کند. هنگامی که فرض یکنواخت بودن جریان بکار برده شده، Entu به همة حلقه شده ها بستگی دارد و سلسله های منظم جریان با سر آرایش متفاوت بی درنگ توسط فرمولهای تحلیلی می تواند محاسبه شود.

– در بعضی شرایط برای تمام مایع – مایع و مایع و تغییر فاز PHEs حلقه شده و سلسله جریان منظم دمایشان یا کار هیدرولیکشان نمی توانند هماهنگ شوند.

جریان چند گذر هنگامی که انتخاب آرایش صفحه متراکم متناوب شود می آید. اصطلاح مشترک که تعریف شده استفادة چند گذر منظم نیز ترتیب داده شده هستند. اصطلاح اولی هنگامی احتیاج شده که چند گذر منظم بجای سلسله جریانهای منظم قرار گرفته است،

در این حالت، سلسله های منظم نمی تواند نصب گردد بدلیل آهنگ جرمی جریان (M) فراتر رفتن از ماکزیموم مجاز آهنگ جرمی (Mmca) با صفحة مشخص . شرایط این حالت داده می شود توسط که نرخ ذکر شده شمارة کانالهایی است که می تواند در یک گذر باشد. اگر n کانالها در یک گذر باشد و بدنبال اصطلاحات می تواند بهره برداری شود که ببینیم ممکن است عدد کانالهای تک گذر جریان منظم چند گذر و عدد گذر می تواند به تدریج در حال افزایش باشد تا وظیفة خصوصی خود را بدآورد.

دومین اصطلاح وقتی است که چیدمان چند مسیره بجای جریان چرخشی بکار می رود. دومین شرایط جریان چرخشی نمی تواند پایدار باشد. چون نرخ جریان جرمی بخار در یک کانال انفرادی Mch از مقدار مینیمم مجاز نرخ جریان جرمی کمتر است Mmin یک صفحه بخصوص ناشی از این شرایط تا فرمول زیر بدست می آید.

برای مشخص کردن بیشترین استفاده از نرخ جریان جرمی در کانالهای انفرادی بیشترین تعداد کانالها در یک مسیر، n بوسیله اصطلاح زیر معین می شود. که M جرم کل نرخ جریان جرمی بخار است.

با تعداد ماکزیمم مشابه از کانالها در یک مسیر تعداد مسیرها می تواند متوالیاً افزایش یابد. تا اولین طراحی جدید مسیرها دست پیدا کنیم. با استفاده از این اصطلاح طراحی بسته صفحات چند مسیره با کارکرد کانالها و با فشار ورودی قابل قبول در کانال تکمیل می شود. بهر حال این اصطلاحات برای طراحی استفاده می شود.

جزئیات طراحی به بازنگری فشار ورودی کلی مطابق با فشار ورودی در چند مشخصه نیاز دارد. در آخر اثرات جریان متلاطم باید در تمام محاسبات چیدمان بسته صفحات چرخشی جریان به خصوص بسته صفحات همراه تعدادی از کانالهای بازنگری شود.

صفحات چند جریان تغییر دهنده دما :
بیشتر در روشهای صنعتی تغییر دهنده دما دو جریان جابجایی برای شبکه بازیابی گرما بکار گرفته می شود.
در بعضی شرایط خروجی پروسه امکان دوباره ذخیره کردن گرمای جابجایی تغییر دهنده ها بوسیله یک بسته تغییر دهنده چند جریانی را می دهد. که می توان بیشتر از دو جریان را د یک زمان واحد بکار برد. این به ما مقدار زیادی ذخیره انرژی،

کاهش هزینه های نصب و سرمایه و وزن را می دهد همچنین سرعت نصب زیاد و امنیت بهتر را سبب می شود. بهر حال طراحی تغییر دهنده دما چند جریان ساده نیست. از آنجا که مشکلات کاربری در نتیجه تأثیرات متقابل بیشتر از دو جریان در یک واحد ظاهر خواهد شد. بیشتر اوقات در بعضی پروسه ها جریان ها نمی توانند آزادانه در نتیجه تحمیلات پروسه، هماهنگ شوند.

اصطلاحاً سیستماتیک برای طراحی این نوع واحد برای گاهی اوقات فراهم خواهد بود. اما متأسفانه آنها فقط با (Plat – fin) صفحه پره پوسته تغییر دهنده دما سروکار دارند. هیچ کدام از آنها (صفحه پره دار پوسته ای تغییر دهنده دما) برای اینکه به عنوان تغییر دهنده دما چند جریانی قرار بگیرند توسعه داده نشده اند.

همانطور که در بخش قبلی اشاره شد چندین ترکیب بندی مختلف از بسته صفحات جریان در PHE ها می تواند چیده شود. همچنین با مسدود کردن ورودی ها ضامن روی صفحات مشخص شده و یا با داخل سازی صفحات جدا کننده بین دو بسته صفحات می توان رژیم جریان را از دو جریان در PHE بسازیم و تنها چیدمان جریان را تغییر بدهد بلکه یک جریان تازه که با این تکنیک ها قابل اجرا است معرفی می کند.

همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است. صفحات جدا کننده با مسدود کننده های ورودی های خاص در بین دو بسته صفحات گذاشته شده برای اینکه اجازه بدهد یکی جریان خارج شود و جریان تازه داخل شود.

این ساختمان امکان اینکه PHE ها بجای تغییردهنده دما چند جریانی مورد استفاده قرار بگیرند را نشان می دهد. ورودی های صفحات جدا کننده می تواند طوری طراحی شوند که اجازه بدهند که هر جریان در خروجی با دمای تنظیم شده بدست آید. و جریان جدیدی برای انجام انتقال حرارت در بخش بعدی با یک چهارچوب ثابت را بگیرد.

برای مشخص کردن تأثیر گذاری این صفحات تغییر دهنده دما چند مسیره اصطلاحات طرای سیستماتیک مورد نیاز است و برای دست یابی به ذخیره انرژی و ارزش کلی و انعطاف پذیری از تکنولوژی Pinch در اصطلاحات طراحی صفحات تغییر دهنده دما چند مسیره استفاده می شود. این مسیر موفقیت از مفهوم pinol از دو منحنی کامپوزیت برای تمام جریان سرد و گرم در صفحات جریان ساخته شده است.

برای مثال نگاه کنید شکل ۶ . این دو منحنی تغییر ابتدایی مورد نیاز از جریان سرد و گرم در یک دمای خاص را ایجاد می کند. آنها از یک سری خطوط طراحی شده بین دما و آنتالپی ساخته شده اند. در یک نقطه در طول آنها نزدیکترین دما منحنی بدست می آید که این نقطه به عنوان Pincn شناخته شده است.

نگاه کنید (لینهوف ۱۹۸۲) . نقطه Pinch پروسه را به دو بخش یکی در بالا و دیگری در پایین نقطه pinch تقسیم می کند. به طور عادی برای طراحی تجهیزات انتقال حرارت برای این دو بخش سه قانون اصلی برای دستیابی به کمترین انرژی مورد نیاز باید دنبال شود.

۱- هیچ حرارتی در اطراف pinch 2- هیچ سرد کننده خارجی بالایpinch 3- هیچ گرم کننده خارجی در زیر pinch نباشد. در این حالت از صفحات تغییر دهنده چند جریانی دما همچنان قوانین اصلی قابل اجرا هستند. دیاگرام شطرنجی از تمام پروسه های جریان سودمند است و امکان استفاده از آن برای هماهنگی جریان برای ملاحظه این قوانین در نقطه pinch را می دهد.

دو جریان هماهنگ شده جداگانه برای بالا و پائین pinch عمل خواهند کرد. هریکی از دو جریان که تنظیم شده اند و وقتی که تمام وظائف انجام شد در بلوک نشان داده خواهد شد. بلوک ها برای امکان اتحاد به عنوان یک سری از بسته صفحات در صفحات تغییردهنده چند جریانی ها رسیدگی می شوند.