طراحی، تحلیل و شبیه سازی انواع مبدل حرارتی

مبدل گرمایی (Heat Exchanger) – بخش 2

طراحی حرارتی و هیدرولیکی مبدل گرمایی

طراحي حرارتي و هيدروليکي مبدل گرمایی شامل تعيين مقدار انتقال حرارت و ارزيابي افت فشار يا اندازه مبدل است.

شرکت فنی مهندسی و تحقیقاتی آترا آمادگی دارد که در زمینه طراحی، شبیه سازی حرارتی و سیالاتی و نیز ساخت انواع  مبدل های حرارتی با صنایع و کارخانجات مربوطه همکاری کند.

طراحی حرارتی

طراحي حرارتي شامل تعيين ساده ضرايب انتقال حرارت سيال دو طرف براي بدست آوردن ضريب انتقال حرارت در حالت بدون جرم گرفتگي است. با در نظر گرفتن مقداري منطقي براي ضريب جرم گرفتگي، ضريب انتقال حرارت کلي به دست مي آيد. با توجه به آن و استفاده از معادلات مربوطه سطح مورد نياز مشخص خواهد شد. براي طراحي حرارتي يا پيش بيني عملکرد يک مبدل حرارتي، بايستي روابطي بين نرخ انتقال حرارت کلي و کميت هايي مانند دماهاي ورودي و خروجي سيال، ضريب انتقال حرارت کلي و مساحت سطح انتقال حرارت به دست آورد. مي‌توان با اعمال موازنه انرژي کلي براي دو سيال، دو رابطه به دست آورد.

مبدل حرارتی دو لوله ای

مبدل حرارتی دو لوله ای

طراحی هیدرولیکی

طراحي هيدروليکي شامل ارزيابي افت فشار و اندازه مبدل است. دليل عمده افت فشار در مبدل گرمایی، اصطکاک ناشي از جريان  سيالات درون لوله و پوسته مبدل است. اصطکاک ناشي از انبساط و انقباض ناگهاني و يا معکوس شدن جهت جريان نيز موجب افت فشار مي شود. تغييرات بوجود آمده در کلگي و انرژي جنبشي نيز مي‌تواند بر افت فشار موثر باشد. اين تاثيرات نسبتاً کوچک است که البته مي‌توان در اغلب محاسبات طراحي از آنها صرف نظر کرد.

روش های اساسی طراحی حرارتی و هیدرولیکی مبدل گرمایی

بر اساس تعداد متغيرهاي مربوط با آناليز مبدل حرارتي‌، گروه هاي وابسته و مستقل بدون بعد فرمول بندي مي‌شوند. روابط بين گروه‌هاي بدون بعد يا اسکالر براي آرايش‌هاي مختلف جريان تعيين مي‌شوند. بر اساس انتخاب گروه‌هاي بدون بعد، از چند روش براي طراحي استفاده شده است. ورودي‌ها به فرآيند حرارتي و هيدروليکي عبارتند از انتقال حرارت سطحي و مشخصات سايش جريان، ويژگي‌هاي هندسي، ويژگي هاي ترموفيزيک سيالات و مشخصات طراحي و پروسه.

راه‌حل‌ها براي مسائل نسبت بندي و اندازه بندي ماهيت عددي و محاسباتي دارند. همه داده‌هاي تجربي مربوط به انتقال گرما و ويژگي‌هاي فرسايش سيال و ساير ويژگي‌هاي دائمي براي محاسبات مورد نياز هستند. بواسطه پيچيدگي محاسبات اين فرآيندها اغلب با استفاده از الگوريتم و ايجاد کدهاي طراحي خاص محاسبه مي‌شوند. از آنجا که متغيرهاي هندسي و وضعيت هاي متعددي وابسته به شرايط کار در مسئله اندازه بندي وجود دارد. لذا موضوع فرمول بندي بهترين راه حل طراحي در ميان همه راه حل هاي ممکن که معيارهاي عملکرد و طراحي را برآورده مي‌کنند، مطرح است. اين خواسته تنها با به کارگيري تکنيک‌هاي بهينه‌سازي محاسبات بعد از تعيين اندازه اوليه محقق مي‌شود تا اهداف طراحي مبدل حرارتي در ميان چهار چوب محدوديت هاي تحميلي بهينه سازي شود.

طراحی مکانیکی

براي تضمين اينکه مبدل گرمایی تحت شرايط پايدار در طول مدتي که کار کند، بایستی شرايط مطلوب خود را حفظ کند. بدین منظور لازم است طراحي مکانيکي انجام شود. مبدل مرکب از المان هاي تبادل حرارتي و المان هاي توزيع کننده سيال است. طراحي مکانيکي و ساختاري بايد براي تک تک المان‌ها انجام شود. همچنين لازم است اين نکته به خاطر سپرده شود که طراحي ساختاري مبدل حرارتي از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. طراحي صحيح ابزارهاي توزيع سيال شامل موارد زیر بايد علاوه بر هسته مبدل گرمایی انجام گيرد تا اين تضمين ايجاد شود که هيچکدام از موارد خوردگي و خستگي در طول مدت کارکرد مبدل حرارتي به عنوان يک مشکل خاص محسوب نمي‌شوند.

  • سرشيرها
  • مخازن ذخيره
  • مانيفولدها
  • نازل ها
  • لوله هاي ورودي و خروجي
طراحی مبدل حرارتی پوسته لوله

طراحی مبدل حرارتی پوسته لوله

استاندارد TEMA

هر مبدل حرارتي بايد با استانداردها و کدهاي کشوري و بين المللي همچون استاندارد  TEMAو ASME همخواني داشته باشد.همچنین بايد طراحي مکانيکي به گونه‌اي مطلوب انجام گيرد تا بهترين عملکرد حرارتي را براي آن شاهد باشيم. مبدل‌هاي حرارتي به ويژه نيازمند به طراحي ساختاري هستند. اینکار باعث می‌گردد کدها و استانداردها را براي يک يا چند تا از شرايط زير برآورده کنند.

  • کار در شرايط سخت (فشار و دماي بسيار بالا)
  • تعداد قابل توجه سيکل هاي فشار و دما در طول مدت طراحي
  • معيارهاي زلزله
  • کاربرد ويژه براي محل هايي که انجام تست هاي ويژه، تعمير و تعويض و موارد ديگر به آساني مقدور نيست

طراحي ساختاري شامل تنش حرارتي، خستگي و آناليز خزش است تا طول عمر مبدل حرارتي محاسبه شود. در مورد مبدل هاي پوسته و لوله، از آنجا که جزئيات استانداردهاي TEMA به طراحي مکانيکي مربوط است، لذا قيمت گذاري مبدل ها قبل از اتمام طراحي مکانيکي انجام مي شود و طرح هاي نهايي بعد از آن انجام مي‌شود.

انواع پیکربندی مبدل پوسته لوله مطابق استاندارد TEMA

انواع پیکربندی مبدل پوسته لوله مطابق استاندارد TEMA

اشتراك گذاری نوشته

پاسخ دهید

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


error: Content is protected !!