* تيوب پيچشي (Twisted Tube)
1-1-5-1: تيوب اينزرت (Tube Insert)
انواع مختلفي از وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله موجود مي باشد که هر يک عملکرد مخصوص به خوشان را دارند .وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله شامل اينزرت هاي نوارپيچ و اينزرت هاي فنرپيچ و اينزرت هاي سطوح گسترده و اينزرت هاي شبکه اي و …. مي شوند که در شکل (1-1) زير نشان داده شده است :
شکل (1-1): اينزرت هاي نوارپيچ و اينزرت هاي فنرپيچ
هندسه هاي گوناگوني از وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله موجود هستند اما twisted tape ها و شبکه هاي سيمي مرسوم تر هستند. مبناي عمومي عملکرد آنها توسعه رژيم جريان و ايجاد انتقال حرارت آشفته در شرايط جريان آرام است.
1 – نوارهاي تابيده (Twisted tape ) : Twisted tape ها سبب ايجاد جريان حلزوني در طول لوله ( چرخش جريان داخل لوله ) مي شوند. آنها عموما تماس حرارتي خوبي با ديواره لوله ندارند.
2- مفتولهاي پيچشي : اين وسايل به صورت حلقوي بر روي جداره داخلي لوله ها قرار گرفته و سبب از بين رفتن لايه مرزي حرارتي شده و منجر به افزايش لايه مرزي حرارتي شده و منجر به افزايش ضريب انتقال حرارت داخل لوله مي گردند.
3 – شبکه هاي سيمي : اين وسايل شامل شبکه هاي متعدد سيمي که به دور يک هسته مرگزي بافته شده اند مي باشد. اين وسايل چندين مکانيزم بهبود انتقال حرارتي ايجاد مي کنند اين عناصر داراي قطر بيشتري نسبت به لوله هستند. لبه اين سيم ها با ديواره لوله در نقاط منظمي تماس پيدا مي کنند. در شرايط جريان آرام لايه مرزي را کاهش مي دهند و اختلاط توده بيشتر مي شود. تحت شرايط جريان آشفته آنها به عنوان ايجاد کننده اغتشاش بطوريکه لايه مرزي ديواره را از بين ميبرند عمل مي کنند. اين وسايل براي جريانهاي آرام داخل لوله پيشنهاد ميشوند. ايجاد دماي يکنواخت براي سيال داخل لوله و افزايش اختلاط سيال داخل لوله از مکانيزم هاي افزايش انتقال حرارت اين وسايل مي باشد .
4 – لوله هاي مرکزي ( core tubes ) : لوله ها يا ميله هايي هستند که در مرکز لوله قرار ميگيرند و مي توانند هم قطر هيدروليکي و هم سطح جريان را کاهش دهند . کاهش سطح جريان باعث افزايش سرعت مي شوند . کاهش قطر هيدروديناميکي هم سبب توسعه انتقال حرارت مي گردد.
5 – Extended Surface Inserts : اين سطوح قالبي شکل در داخل لوله جاي مي گيرند . بين ديواره لوله و اينزرت تماس خوبي وجود دارد . اين اينزرت ها باعث کاهش قطر هيدروليکي مي شوند و به عنوان سطوح اضافي عمل مي کنند .
هزينه ساخت وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله بسيار پايين مي باشد و نصب آنها در داخل لوله هاي مبدل هاي حرارتي به آساني صورت ميگيرد . اين وسايل براي افزايش توان عملکردي مبدلهايي که جريان سمت لوله در آنها احتياج به عملکرد حرارتي بالاتري دارند مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. علاوه بر آن در مواقعي که تميز کردن لوله هاي مبدل هاي حرارتي مدنظر باشد اين نوع وسايل افزاينده انتقال حرارت را براحتي مي توان از لوله هاي مبدل خارج نمود . به طور کلي قرار گرفتن اينزرت ها در مسير جريان باعث افزايش افت فشار و کاهش سطح جريان ميشوند که اين کاهش سطح جريان به افزايش سرعت در لوله ها منتهي مي شود و شرايط بهتري براي تماس بين سطح تيوب و سيال مي شود.
2-1-5-1: لوله هاي پره دار (Finned Tube)
در اين لوله ها ميزان گرماي انتقال از سيال گرم به جريان سرد که از بدنه لوله پره دار صورت مي گيرد تابع دو پارامتر مي باشد:
1. ضريب انتقال حرارت سيال هاي موجود در دو سوي لوله و بدنه لوله
2. کميت سطح و افزايش مساحتي از لوله که سيالات سرد و گرم از روي آن عبور مي کنند.
اگر لوله مورد استفاده به صورت ميله اي و صاف (Bare tube) باشد سيالي که ذاراي کمترين ضريب انتفال حرارت است پارامتر تعيين کننده بوده و عملا نرخ انتقال حرارت کل را راهبري و کنترل مي نمايد. در صورتي که ضريب انتقال حرارت سيال داخل لوله به مراتب از ضريب انتقال حرارت سيال خارج لوله بيشتر باشد، افزايش سطح موثر خارجي لوله پديده اي مفيد خواهد بود که پيامد آن افزايش نرخ انتقال حرارت کلي است. بهترين شيوه رسيدن به مساحت (سطح) موثر، بيشتر بخش خارجي لوله مي باشد و اضافه کردن قطعات فلزي به اين قسمت لوله با عنوان پره شناخته مي شود. از مزاياي مهم استفاده از پره ها کاهش تعداد کلي لوله هاي مورد استفاده و تقليل وزن تجهيزات انتقال حرارت است و علاوه بر اين باعث کاهش افت فشار گاز و در نتيجه به سبب عدم نياز به پمپ و يا کمپرسور قوي تر، هزينه هاي عملياتي کاهش خواهد يافت.
استفاده از لوله هاي پره دار راهي است تا سطح تماس سمت پوسته مبدل هاي پوسته – لوله اي افزايش يابد. لوله هاي پره دار را در واقع مي توان به سه دسته تقسيم کرد :
1 – لوله هاي با پره کوتاه . 2 – لوله هاي با پره بلند. 3 – لوله هاي شيار دار .
از آنجا که در مبدل ها ي حرارتي فضاي محدودي براي تعداد زيادي لوله در نظر گرفته مي شود, ارتفاع پره ها در اين لوله ها نمي تواند از يک مقدار معين بيشتر باشد. به همين خاطر تنها لوله فين کوتاه که در آن تعداد زيادي پره کوچک تعبيه شده است, قابليت استفاده در اين مبدل ها دارد. اين نوع لوله مي تواند دو تا سه برابر سطح خارجي لوله را افزايش دهد که باعث بهبود خواص حرارتي مبدل شده و حجم آن را کاهش مي دهد. ولي در عين حال هم گران تر هستند و هم باعث افزايش افت فشار در سمت پوسته مبدل مي شوند. علاوه بر آن خود پره ها هم مقاومت حرارتي دارند که بر کارآيي حرارتي مبدل ها تاثير منفي مي گذارد.
در لوله هاي با پره بلند پره ها به صورت مجزا روي لوله ها نصب مي شوند ( جوش خورده يا پرچ مي شوند) . پره ها در واقع جهت افزايش سطح موثر لوله هاي مبدل استفاده مي شوند . لوله هاي پره دار معمولا زمانيکه ضرايب انتقال حرارت در سمت بيرون لوله نسبت به داخل لوله کم است استفاده مي شوند به عنوان مثال در انتقال حرارت از يک مايع به يک گاز از قبيل مبدل هاي حرارتي Air-Cooled ( هوا خنک ) کارايي پره تابعي است از ابعاد پره و هدايت حرارتي ( جنس ) پره بنابراين معمولا پره ها از موادي با هدايت حرارتي بالا استفاده مي شوند. براي مس و آلومينيوم کارايي عموما بين 0.9 تا 0.95 است . در شکل (2-1) چند نمونه از انواع تيوب هاي فين دار ديده مي شود.
شکل (2-1) :چند نمونه از انواع تيوب هاي فين دار
در حالت هايي که مقاومت هاي طرف پوسته خيلي بيشتر از سمت لوله است لوله هاي با پــره کوتاه مي توانند ضريب انتقال حرارت کلي را با افزايش سطح خارجي لوله ها توسعه دهند. استفاده از اين لوله ها مي تواند سطح خارجي لوله را در مقايسه با لوله هاي صاف تا 6/2 برابر افزايش دهد. لوله هاي پره دار از لوله هاي صاف طي يک فرايند ساخت شکل مي گيرند و لوله در واقع قطر مشابه با لوله صاف (bare tube) را که در شروع از آن ساخته شده است حفظ مي کند .اين تکنولوژي به ويژه براي سيستم هايي که از فلزات گران نظير تيتانيوم و آلياژهاي بالاي نيکل استفاده مي کنند موثرتر و نيز با صرفه تر است . لوله هاي fine-fin وقتي از جنس مواد گران قيمت ساخته مي شوند به ميزان زيادي هزينه ها زا کاهش مي دهند به طوري که مثلا وقتي جنس لوله از تيتانيوم باشد هزينه هر فوت مربع از سطح انتقال حرارت تا 50 % کاهش مي يابد.
مبدلهاي داراي پره هاي طولي (شياردار) نسبتاً گران هستند و چون قابل تميز كردن نمي باشند مي توان از آنها فقط براي سيالاتي استفاده كرد كه به طور معمول داراي ضرايب فيلم بسيار پايين بوده و رسوبي از خود بر جاي مي گذارند كه با جوشيدن خارج مي شوند. به اين ترتيب اين نوع مبدلها براي گازها در فشار پايين كه چگالي آنها كم بوده و افت فشار مجاز نيز پايين است ايده آل مي باشند.
3-1-5-1: بفلهاي ميله اي ( ROD Baffle )
مبدل هاي ROD بفل توسط شرکت نفتي Phillips در سال 1970 جهت بر طرف کردن مشکل لرزش مبدل ها توسعه داده شد. در اين هندسه توسعه يافته سمت پوسته بفلهاي قطابي با يک سيستم شبکه اي جهت ساپرت لوله ها جانشين شده اند . جريان محوري روي لوله ها باعث افت فشار کمتر و لرزش کم خواهد شد. در اين مبدل ها بفل هاي ميله اي با آرايش خاصي به حلقه بفل در دور دسته لوله جوش خورده اند. اين بفل ها به صورت دسته 4 تايي مورد استفاده قرار مي گيرند.
ROD بفل ها علاوه بر حل مشکل لرزش دسته لوله ها سبب کاهش در افت فشار و رسوب گذاري مي شوند و همزمان کارايي حرارتي را هم بالا مي برند و نيز جريان خالص مخالف در طراحي هاي با يک گذر لوله بدست مي آيد . نمونه ROD بفل در شکل (3-1) ديده مي شود.
شکل (3-1) : نمايي از Rod Baffle در مبدل پوسته و لوله
در شکل هاي (4-1) و (5-1) الگوي جريان در مبدل هاي Segmental Baffle و Rod Baffle را نشان مي دهد.
شکل (4-1) : الگوي جريان در Segmental Baffle
شکل (5-1) : الگوي جريان در Rod Baffle
در کل مي توان مزاياي ROD بفل ها را به صورت زير خلاصه نمود :
* مبدل هاي ROD بفل مشکل مربوط به لرزش لوله ها را از بين مي برد و باعث کاهش افت فشار سمت پوسته و افزايش عملکرد حرارتي مبدل مي گردد.
* افت فشار کمتر در پوسته در اين مبدل ها باعث ذخيره انرژي قابل توجهي بالاخص در سيستم هاي گازي مي شود .
* پوسته مبدل به شکل هاي استاندارد X ,K ,G , H , F , E مي تواند ساخته شود و در ساختن لوله و بفل ها از آلياژهاي معمول استفاده مي گردد جنس بفل ها هم با توجه به نوع سيال سمت پوسته انتخاب مي شود .
4-1-5-1: بفل هاي حلزوني ( Helical Baffle )

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

هندسه توسعه داده شده ديگر سمت پوسته جايگذاري بفل هاي قطايي وسط يک سيستم بفل قطابي با زاويه هاي خاص مي باشد که سبب ايجاد الگوي جريان حلزوني در داخل پوسته مي شود. اين تکنولوژي سبب کاهش ميزان افت فشار و کاهش لرزش و کاهش تمايل به رسوب گذاري مي شود. مبدل هاي پوسته – لوله اي با بفل هاي حلزوني در جمهوري چک توسعه داده شد . اين مبدل ها که به مبدل هاي Helix (Helixchanger) معروفند نواقص عمده مبدل هاي با بفل هاي قطايي را حداقل مي کند. بفل هاي حلزوني صفحاتي هستند که با يک زاويه خاص نسبت به محور لوله ها در سمت پوسته قرار مي گيرند و ضرايب انتقال حرارت بالايي در سمت پوسته ايجاد مي کنند. اينها اثري مشابه با اينزرت هاي نوار پيچ در داخل لوله دارند در شکل(6-1) زير يک مبدل حرارتي با بفل هاي حلزوني و شکل(7-1) الگوي جريان در آن نشان داده شده است .
شکل(6-1) : مبدل حرارتي با بفل هاي حلزوني
شکل(7-1) : الگوي جريان در بافل هاي حلزوني
تستهايي که انجام شده است نشان دهنده کاهش بسزايي در ميزان رسوب گذاري ( در اين مبدل ها ) مي باشد. اين نوع بفل ها باعث افزايش کارايي انتقال حرارتي و کاهش در مقدار سطح مورد نياز و نيز مهمتر از آن کاهش قطر پوسته خواهند شد. نتيجه اينست که اين نوع بفل ها باعث مي شوند مبدلي ارزانتر و کوچکتر داشته باشيم .
برخي از مزاياي مبدل هاي Helix به ترتيب زير است :
1 – مبدل در بازه هاي زماني ديرتري احتياج به تميز کردن خواهد داشت به طوري که اين مدت زمان در برخي سرويس ها به 3 تا 4 برابر افزايش مي يابد.
2 – کارايي و عملکرد بسيار خوبي بالاخص در سيستم هاي بزرگ که Upgrade مي شوند بدست مي آيد.
3 – صرفه جويي هزينه سرمايه گذاري خوبي حاصل مي شود .
4 – صرفه جويي انرژي بالايي ناشي از هزينه هاي پايين تر کمپرسورها و پمپ ها و تجهيزات پايين دستي حاصل مي شود .
5 – لرزش دسته لوله نيز کاهش مي يابد ( يک دليل آن ناشي از کوتاه شدن طول لوله ساپرت نشده است )
6 – ميزان رسوب گذاري در اين مبدل ها به دليل از بين رفتن فضاهاي مرده بسيار کاهش مي يابد .
5-1-5-1: لوله هاي پيچشي ( Twisted – Tubes)
توسعه ديگري که در زمينه مبدل هاي حرارتي پوسته – لوله اي صورت گرفته است مبدل هايي با لوله هاي پيچشي مي باشد. اين لوله ها بوسيله يک فرايند ويژه شکل دهي توليد مي شوند و در دسته لوله قرار مي گيرند. لوله هاي استفاده شده در مبدل هاي Twisted – tubes طي يک فرايند تک گامي شکل گرفته اند لوله هاي توليدي يک مقطع بادامي شکل دارند و پيچش به آنها اضافه مي شود . اين لوله ها هر يک توسط ديگري در طول مبدل ساپرت مي شوند . اگرچه Twisted – tubes ها با يکديگر تماس دارند اما فاصله کافي بين آنها براي جريان سمت پوسته وجود دارد . جريان سمت پوسته همانند درون لوله يک حرکت چرخشي خواهد داشت . اين باعث افزايش آشفتگي هر دو سمت لوله و پوسته ( بخوبي ) مي شود. اين لوله ها به نحوي به هم قفل مي شوند که نيازي به بفل هاي حمايت کننده نمي باشد . اين واحدها جريان کاملا محوري و بدون فضاهاي مرده دارند و تمايلي به لرزش در اين واحدها وجود ندارد. همانطور که بيان شد هيچ بفلي براي اين واحدها مورد نياز نيست .توسعه انتقال حرارت در هر دو سمت لوله و پوسته اتفاق خواهد افتاد و نسبت هاي بالاتر سطح به حجم به دست مي آيد ( در مقايسه با دسته لوله هاي مرسوم ) اصطکاک کمتري در سمت پوسته وجود خواهد داشت و جريان خالص مخالف مي تواند در حالت هاي يک گذر لوله و دو گذر پوسته – دو گذر لوله حاصل شود . لوله هاي پيچشي در واقع هدفشان ترقي دادن انتقال حرارت در هر دو طرف لوله و پوسته مي باشد که توسط توسعه و بهبود ميدان جريان در دو سمت مبدل صورت مي گيرد. اين چنين افزايش دهنده هاي دوتايي را مي توان با ترکيب استفاده از اينزرت ها و مثلا لوله هاي پره کوتاه مقايسه کرد. در شکل(8-1) يک مبدل حرارتي با لوله هاي پيچشي نشان داده شده است.
شکل(8-1) : مبدل حرارتي با لوله هاي پيچشي
عموما در طراحي هاي با Twisted – tubes) ها) شکل (9-1)، حرکت پيچشي سيال موجب افزايش توربولنسي حتي در سرعت هاي کم و سيالات با ويسکوزيته بالا و در نتيجه بهبود انتقال حرارت مي ش به ميزان 40% ضرايب انتقال حرارت بالاتري نسبت به مبدل هاي لوله اي با بفل هاي قطايي در افت فشار مشابه را مي دهد . ليسانس اين نوع مبدلها به صورت تجاري در اختيار شرکت هاي Allard سوئد و Brown Fin tube آمريکا قرار دارد . اين مبدل ها همچنين مي توانند به صورت ترکيب با دسته لوله هاي معمولي براي نيازهاي ويژه انتقال حرارتي و افت فشاري مورد استفاده واقع شوند .
شکل (9-1) : الگوي جريان در تيوب و پوسته در مبدل لوله هاي پيچشي (Twisted Tube)
از مزاياي ديگر اين نوع مبدلها مي توان به موارد زير اشاره کرد.
الف ) کاهش گرفتگي – بعضي از مواردي که باعث کاهش کرفتگي مي شوند عبارتند از :
* نداشتن بافل و حذف نقاط مرده در قسمت پوسته
* داشتن پروفايل سرعت ثابت و يکنواخت
* کنترل دماي ديواره لوله در اثر توزيع جريان ثابت
ب ) نداشتن لرزش – بعضي از مواردي که باعث از بين رفتن لرزش مي شوند عبارتند از :
* نبود بافل و حرکت سيال پوسته در امتداد طول لوله ها
* تماس لوله هاي مارپيچ در تعداد زيادي از نقاط
ج ) کاهش افت فشار – بعضي از مواردي که باعث کاهش افت فشار مي شوند عبارتند از :
* نداشتن بافل و کاهش افت فشار
* کوتاهتر بودن طول اين نوع مبدل ها و داشتن تعداد پاس هاي کمتر
د ) تميز کردن آسانتر
6-1: تاثير بهبود انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي
بهبود انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي معمولا با افزايش افت فشار و در نتيجه افزايش قدرت پمپاژ (Higher pumping power) را به دنبال دارد. بنابراين هر گونه افزايش انتقال حرارت بايد در مقابل هزينه هاي صرف شده جهت غلبه بر افت فشار مقايسه و بررسي شود. هزينه سالانه مصرف برق براي پمپ در هنگام سرويس برابر است با :
Operating Cost = (Pumping power, kw) (Hours of operation, h) (Price of Electricity, $/kwh)
کم کردن افت فشار و جرم سيال ورودي مي تواند هزينه يک مبدل را کاهش دهد اما در عوض سايز مبدل افزايش پيدا مي کند که اين به معني افزايش هزينه اوليه (initial cost) مي باشد. ضريب انتفال حرارت مي تواند با اختلال در جريان سيال که به کاهش و يا از بين رفتن لايه مرزي و شکستن ويسکوزيته مي شود، بهبود يابد اما براي رسيدن به اين مرحله نياز به افزايش قدرت پمپاژ مي باشد که در نهايت باعث بالا رهتن هزينه مي شود. بنابراين براي رسيدن به انتقال حرارت مطلوب در مبدل هاي حرارتي، تکنيک ها و روش هاي متعددي وجود دارد که در بالا به آنها اشاره شده است.
فصل دوم :
مبدل هاي حرارتي و انواع آن
1-2: تقسيم بندي مبدلها
اين تقسيم بندي بر اساس سيال فرآيندي مبدل شكل گرفته است. البته تفاوت بين ضرايب انتقال حرارت گازها و مايعات در تعيين شكل مبدل نقش موثري دارد.
1-1-2 :مايع / مايع
در اين مبدلهاي حرارتي هر دو سيال مايع هستند و مكانيزم انتقال حرارت براي هردو، انتقال حرارت اجباري است. انتقال حرارت در اين مبدلها به علت بالا بودن ضريب انتقال حرارت مايعات بالاست.
2-1-2: گاز / مايع
در اين مبدلها يك سيال مايع و سيال ديگر گاز است. معمولاً براي خنك نمودن سيال گرم توسط هوا استفاده مي شود. جريان مايع با سرعت كافي داخل لوله پمپ ميشود كه اين موجب بالا بودن ضريب انتقال حرارت طرف لوله ها مي شود. هوا به صورت متقاطع بر روي لوله ها جريان مي يابد. جريان هوا مي تواند به صورت جابجايي اجباري يا آزاد باشد.
3-1-2: گاز / گاز
معمولاً كمتر اتفاق مي افتد كه در مبدلها هر دو سيال گاز باشند. مگر اينكه يكي از گازها در فشار بالا باشد. گاز فشار بالا كه دانيسته آن بيشتر است در داخل لوله ها جريان مي يابد. البته ضريب انتقال حرارت در اين موارد خيلي كوچك است و براي انتقال حرارت مناسب بايد تدابيري انديشيد كه در مباحث بعد در اين مورد بحث مي شود.
4-1-2: كندانسورها
در اين مبدلهاي حرارتي جريات بخار يك سيال مايع (مثلاً آب) و يا جريان گاز (مثلاً هوا) خنك و كندانس مي شود. گاهي اوقات بخار خارج لوله است مثل كندانسورهاي نيروگاههاي حرارتي و گاهي اوقات بخار داخل لوله است مثل كندانسورهاي فرئون.
2-2: تقسيم بندي براساس شكل ساختماني
تقسيم بندي مهم ديگري براي مبدلها وجود دارد كه براساس شكل ساختماني آنها مي باشد. اهميت اين نوع تقسيم بندي از آنجا مشخص مي شود كه در صنعت مبدلها با توجه به همين نوع تقسيم بندي از روي شكل شان ياد مي شود.
1-2-2: مبدلهاي لوله اي (Tubular Heat Exchanger)
اين گونه مبدلها از دو لوله هم محور تشكل شده اند. يكي از سيالها در داخل لوله مياني و در امتداد طول آن جريان مي يابد و سيال ديگر در داخل حلقه بين دو لوله جريان خواهد يافت. ساير اجزاء ساختماني اين مبدلها عبارتند از:
* زانوي برگشت
* سر برگشت
* اتصالات T براي ورودي و خروجي سيالها

هنگامي كه اختلاف انبساط حرارتي بين لوله خارجي و داخلي وجود دارد در كاربرد نوع اتثالات مي يابد دقت كافي شود تا تنش حرارتي مينيمم گردد.
در شکل هاي (1-2)، (2-2) و (3-2) مبدلهاي لوله اي را مي توان براساس شكل تقسيم بندي شده اند.
شکل (1-2) : مبدلهاي لوله اي U شکل


دیدگاهتان را بنویسید