برچسب - طراحی حرارتی انواع مبدل

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
ادامه مطلب...
طراحی مبدل حرارتی صفحه ای شرکت آترا

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) – بخش 1

مبدل حرارتی

مبدل‌هاي حرارتي تقريباً پرکاربردترين عضو در فرآيندهاي شيميايي‌اند و مي­توان آن ها را در بيشتر واحدهاي صنعتي ملاحظه کرد. مبدل حرارتی وسیله ای است که امکان انتقال انرژي گرمايي  بين دو يا چند سيال در دماهاي مختلف را فراهم مي­کنند. اين عمليات مي‌تواند بين مايع- مايع ، گاز- گاز و يا گاز- مايع انجام شود. مبدل هاي حرارتي به منظور خنک کردن سيال گرم و يا گرم کردن سيال با دماي پايين تر و يا هر دو مورد استفاده قرار مي گيرند.

مبدل‌هاي حرارتي در محدوده وسيعي از کاربردها استفاده مي شوند. اين کاربردهاي شامل  نيروگاه‌ها ، پالايشگاه‌ها ، صنايع پتروشيمي، صنايع ساخت و توليد ، صنايع فرآيندي، صنايع غذايي و دارويي، صنايع ذوب فلز ، گرمايش ، تهويه مطبوع ، سيستم هاي تبريد و کاربردهاي فضايي مي‌باشند. مبدل هاي حرارتي در دستگاه‌هاي مختلف کاربرد دارد:

ديگ بخار و مولد بخار

کندانسور، اواپراتور، تبخير کننده ها

برج خنک کن، پيش‌گرم‌کن فن کويل

خنک کن و گرم کن روغن

رادياتور ها، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارند.

صنايع بسياري در طراحي انواع مبدل‌هاي حرارتي فعاليت دارند و هم چنين، دروس متعددي در کالج ها و دانشگاه‌ها با نام‌هاي گوناگون در طراحي مبدل‌هاي حرارتي ارائه مي گردد. محاسبات مربوط به مبدل‌ها کاري طولاني و گاهي خسته کننده است. مثلاً طراحي يک مبدل براي يک عمليات به خصوص نياز به حدس‌هاي زيادي دارد که با استفاده از آن‌ها و طبق استانداردها مي‌توان اندازه‌هاي يک مبدل مناسب را پيدا کرد. اما با استفاده از برنامه‌هاي کامپيوتري تمام اين محاسبات توسط کامپيوتر انجام مي‌شود و طراح براي طراحي تنها بايد شرايط عملياتي و خواص سيالات حاضر در عمليات را وارد کند.

طراحی و ساخت انواع مبدل حرارتی توسط شرکت آترا

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. از جمله مبدل هایی که در صنعت بیشتر کاربرد دارند و امکان ساخت و طراحی آنها در شرکت فنی مهندسی و تحقیقاتی آترا فراهم است به قرار زیر است:

مبدل های لوله ای

اين مبدل‌ها از لوله هايي با مقطع دايره‌اي ساخته شده‌اند. يک سيال در داخل لوله‌ها و سيال ديگر در خارج از لوله جريان دارد. قطر، تعداد، طول، گام و آرايش لوله‌ها مي تواند تغيير کند. بنابراين انعطاف پذيري قابل ملاحظه‌اي در طراحي آنها وجود دارد.
مبدل حرارتی دو لوله ای
مبدل حرارتی دو لوله ای
مبدل‌هاي حرارتي لوله‌اي مي توانند به صورت زير دسته بندي شوند :
  1.  دو لوله‌اي (  ( Double pipe
  2. پوسته و لوله ( shell and tube )
  3. لوله‌اي حلزوني ( spiral tube )
مبدل حرارتی پوسته لوله
مبدل حرارتی پوسته لوله

مبدل های حرارتی صفحه ای

مبدل‌ حرارتي صفحه‌اي، از صفحات نازک که کانال‌هاي جريان را تشکيل مي‌دهد، ساخته مي‌شود. جريان‌هاي سيال، توسط صفحات مسطح که يا به صورت صاف و يا موجدار هستند، از هم جدا مي‌شوند. اين مبدل ها براي انتقال گرما بين گاز، مايع يا جريان هاي دو فاز، استفاده مي‌شوند. اين مبدل‌ها مي‌توانند به صورت زير دسته بندي شوند :
  1.  صفحه‌اي واشردار ( Gasketed-plat )
  2. صفحه‌اي حلزوني ( Spiral plat )
  3. لاملا ( Lamella )

توزیع جریان در مبدل حرارتی صفحه ای
توزیع جریان در مبدل حرارتی صفحه ای
ادامه مطلب...