مطالعه عددی انتقال حرارت در مبدل حرارتي صفحه ای

پايان نامه برای دريافت درجه کارشناسی ارشد  در رشته مهندسی مکانیک

گرایش تبدیل انرژی

عنوان:

مطالعه عددی انتقال حرارت در مبدل حرارتي صفحه ای واحد بازيافت گوگرد پالايشگاه های گازی به كمک نرم افزار ANSYS FLUENT

فهرست مطالب

چکیده   1

۱-فصل اول         2

۱-۱-مقدمه   3

۱-۲-بیان مسئله         5

۱-۳-ضرورت انجام تحقیق.. ۶

۱-۴-جنبه نو آورری تحقیق.. ۷

۱-۵-اهداف پایان نامه………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ۸

۱-۶-ساختار پایان نامه……………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………. ۹

۲-فصل دوم         10

۲-۱-مبدل حرارتی     11

۲-۲-انواع مبدل های حرارتی    11

۲-۳-مزایا و محدودیت های مبدل های حرارتی صفحه ای.. .. ۱۲

۲-۴-۴-۲) مقایسه مبدل های صفحه ای با مبدل های پوسته و لوله……………………………………… ……………………………………………….. ۱۶

۲-۵-معرفی انواع مبدل های صفحه ای.. ۱۷

۲-۵-۱-مبدل های صفحه ای نیمه جوشی.. ۱۷

۲-۵-۲-مبدل های صفحه ای لحیم شده ۱۹

۲-۶-۳-۵-۲) مبدل های صفحه ای دوگانه بوکس… ۲۰

۲-۷-۴-۵-۲) مبدل های صفحه ای جوشی پلیتیولار. ۲۱

۲-۷-۱-مبدل های صفحه ای جوشی کمپوبلاک… ۲۳

۲-۷-۲-مبدل های حلزونی(مارپیچی). ۲۵

۲-۸-ساختار مبدل های صفحه ای.. ۲۹

۲-۹-جنس و ساخت صفحات  مبدل صفحه ای….. ۲۹

۲-۱۰-سایز صفحات : ۳۱

۲-۱۱-وظیفه شیارها ۳۳

۲-۱۲-بازرسی و تعمیر. . ۳۸

۲-۱۳-چیدمان و توزیع جریان. ۳۸

۲-۱۴-جهت جریان     38

۲-۱۵-گذر              39

۲-۱۶-تعداد مسیرهای عبور در هر گذر. ۳۹

۲-۱۷-توزیع سیال در مبدل. ۴۰

۲-۱۸-توزیع درون کانال ها ۴۰

۲-۱۹-تقسیم بندی چیدمان گذرها ۴۱

۲-۱۹-۱-کاربردهای مبدل های صفحه ای.. ۴۲

۲-۱۹-۲-مواردی که استفاده از مبدل های صفحه ای مناسب نیست.. ۴۳

۲-۱۹-۳-کاربرد در تاسیسات دریایی نفت و گاز. ۴۳

۲-۲۰-پیشینه اجمالی بر تحقیق.. ۴۴

۳-فصل سوم         49

۳-۱-مقدمه   50

۳-۲-جزئیات مبدل ۱۰۸-E-504  50

۳-۲-۱-ابعاد هندسی مبدل ۱۰۸-E-504. 50

۳-۲-۲-مشخصات سیال  مبدل ۱۰۸-E-504. 53

۳-۲-۳-اجزای داخلی مبدل ۱۰۸-E-504. 55

۳-۲-۴-شبیه سازی عددی جریان در صفحات شورون در نرم افزار ANSYS FLUENT.. 62

۳-۳-روش های عددی بکار رفته در شبیه سازی عددی جریان صفحات شورون. . ۶۳

۳-۳-۱-شرایط مرزی در شبیه سازی عددی جریان صفحات شورون. ۶۴

۳-۴-فرضیه تحقیق      64

۳-۵-معادله پیوستگی ۶۵

۳-۶-معادله مومنتوم    66

۳-۶-۱-معادلات حاکم برای جریان آرام. ۶۶

۳-۶-۲-معادلات حاکم برای جریان آشفته. ۶۷

۳-۶-۳-روش آماری بررسی جریانات آشفته: ۶۷

۳-۷-مدل سازی جریان های آشفته. ۶۹

۳-۸-مروری بر روش های RANS: 70

۳-۹-مدل آشفتگی RNG: 71

۳-۱۰-مدل آشفتگی SST: 72

۳-۱۱-مدل آشفتگی اسپالارات آلماراس: ۷۲

۳-۱۲-مدل های جبری آشفتگی:    73

۳-۱۲-۱-مدل طول اختلاط پرانتل                                                                     73

۳-۱۲-۲-مدل تنش های رینولدز. ۷۳

۳-۱۲-۳-روابط اساسی حاکم بر ویسکوزیته ادی.. ۷۵

۳-۱۲-۴-رابطه اساسی بوزینسک ویسکوزیته ادی.. ۷۷

۳-۱۲-۵-مدل های ویسکوزیته ادی.. ۷۸

۳-۱۲-۶-مدل های صفر معادله ای(مدل های طول اختلاطی). ۷۹

۳-۱۲-۷-.مدل های یک معادله ای اسپالارات آلماراس… ۸۰

۳-۱۲-۸-مدل های دو معادله ای.. ۸۱

۳-۱۲-۹-مدل استاندارد کا اپسیلون. ۸۲

۳-۱۲-۱۰-مدلسازی انحلال ادی در احتراق  ……………………………………………….. 85

۳-۱۲-۱۱-مدلسازی لایه های برشی ضعیف    ………………………………………………. 85

۳-۱۲-۱۲-مدل توسعه یافته کا اپسیلون. ۸۶

۳-۱۲-۱۳-.ویژگیهای مدل توسعه یافته کا اپسیلون. ۸۷

۴-فصل چهارم      88

۴-۱-مقدمه              89

۴-۱-بررسی استقلال شبکه. ۸۹

۴-۲-اعتبار سنجی       91

۴-۳-تحلیل هیدرو دینامیکی مبدل حرارتی…………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. ۹۲

۴-۴-بررسی انتقال حرارت در مبدل های حرارتی……………………………………………………. ………………………………………………………………….. ۹۹

۴-۵-اعتبارسنجی انتقال حرارت.. ۹۹

۴-۶-نتایج انتقال حرارت در مبدل حرارتی با صفحات شورون. . ۱۰۰

۵-فصل پنجم         104

۵-۱-نتیجه گیری        105

۵-۲-پینشهادات          106

فهرست اشکال

شکل )‏۱ (۱- شمایی کلی از یک مبدل صفحه ای.. ۴

شکل )‏۲ (۱- نحوه قرار گرفتن گسکت ها ۱۳

شکل )‏۲ (۲- مبدل صفحه ای نیمه جوشی.. ۱۸

شکل )‏۲ (۳- مبدل صفحه ای جوشی Bavex. 20

شکل )‏۲ (۴- مبدل صفحه ای Platular  نوع X.. 21

شکل )‏۲ (۵-  نمایش کانال های عبوری در مبدل صفحه ای Platular 22

شکل )‏۲ (۶-  شمای کلی مبدل صفحه ای Compabloc. 25

شکل )‏۲ (۷-  فرآیند ساخت مبدل حلزونی.. ۲۶

شکل )‏۲ (۸- جریان سیالات در مبدل حلزونی، نوع ۱٫ ۲۷

شکل )‏۲ (۹- مقایسه صفحات با ابعاد مختلف.. ۳۲

شکل )‏۲ (۱۰- a-یک صفحه با شیارهای مدل واشبورد   b- یک صفحه با شیارهای مدل هرینگتون. ۳۳

شکل )‏۲ (۱۱- چگونگی تولید آشفتگی جریان در مدل واشبورد. ۳۴

شکل )‏۲ (۱۲- چگونگی قرارگیری صفحات نسبت به هم. ۳۵

شکل )‏۲ (۱۳- چیدمان گذرها در مبدل های صفحه ای a) چیدمان بصورت سری b) چیدمان بصورت یک گذر U شکل و Z شکل c)چند گذر با عبورهای مساوی d)چند گذر با عبورهای نامساوی.. ۴۱

شکل )‏۲ (۱۴- توزیع دما و جریان در کانال ها ۴۲

شکل )‏۲ (۱۵- شمای کلی سیکل سیال خنک کننده در تجهیزات سکوی نفتی.. ۴۴

شکل )‏۳ (۱- اجزای داخلی مبدل ۱۰۸-E-504. 56

شکل )‏۳ (۲- پروفایل سینوسی صفحات شورون در حالت برش خورده صفحه. ۵۷

شکل )‏۳ (۳- ابعاد صفحه شورون و محور های مختصات جهت ترسیم صفحات کمکی.. ۵۹

شکل )‏۳ (۴- صفحات کمکی جهت ترسیم مدل. ۶۰

شکل )‏۳ (۵- مدل رسم شده صفحه شورون با زاویه ۲۶٫۴٫ ۶۱

شکل )‏۳ (۶- مدل assemble شده در زاویه شورون ۳۰ درجه. ۶۲

شکل )‏۳ (۷- کانال شبیه سازی شده با زاویه ۳۰ درجه. ۶۳

شکل )‏۳ (۸- شرایط مرزی استفاده شده ۶۴

شکل )‏۲ (۵-  نمایش از شبکه ایجاد شده بر روی صفحات.. ۸۹

شکل )‏۲ (۵-  مقایسه کار حاضر با دیتا ازمایشگاهی ( تغییرات ضریب اصطکاک نسبت به عدد رینولدز )  92

 شکل )‏۲ (۵-  کانتور فشار برای مبدل با صفحات شورون. ۹۴

شکل )‏۲ (۵-  کانتور صرعت برای مبدل با صفحات شورون. ۹۶

 شکل )‏۲ (۵-  وکترو های سرعت برای مبدل با صفحات شورون. ۹۸

شکل )‏۲ (۵-   تغییرات ضریب اصطکاک نسبت به عدد رینولدز برای زاویه های مختلف.. ۹۹

شکل )‏۲ (۵-  مقایسه کار حاضر با دیتا ازمایشگاهی ( تغییرات عدد ناسلت نسبت به عدد رینولدز ). ۱۰۰

شکل )‏۲ (۵- کانتور دما برای مبدل با صفحات شورون. ۱۰۲

شکل )‏۲ (۵- نمودار تغییرات ناسلت نسبت به عدد رینولدز برای زاویه های مختلف.. ۱۰۲

فهرست جداول

جدول( ‏۲ (۱-مشخصات مبدل های صفحه ای گسکت دار معمولی.. ۱۶

جدول( ‏۲ (۲-مقایسه بین مبدل های صفحه ای گسکت دار و مبدل های پوسته و لوله. ۱۷

جدول( ‏۲ (۳-راهنمای انتخاب صفحات با توجه به سازگاری سیال. ۳۱

جدول( ‏۲ (۴-مشخصات مواد متداول به کار رفته در گسکت ها و محدودیت های دمایی و کاربردهای آن ها ۳۷

جدول( ‏۳ (۱-مشخصات صفحه شورون در مبدل ۱۰۸-E-504. 50

جدول( ‏۳ (۲-مشخصات هندسی صفحه شورون. ۵۱

جدول( ‏۳ (۳-اطلاعات داده شده توسط سازنده در خصوص مبدل ۱۰۸-E-504. 52

جدول( ‏۳ (۴-دما و فشار طراحی سیال سرد و گرم مبدل ۱۰۸-E-504. 53

جدول( ‏۳ (۵-مشخصات سیال مبدل ۱۰۸-E-504. 54

جدول( ‏۳ (۶-مشخصات سیال در حالت بخار و اطلاعات تکمیلی مبدل. ۵۵

جدول( ‏۳ (۷-مشخصات هندسی پروفایل سینوسی صفحه شورون. ۵۷

جدول( ‏۳ (۸-. قید‌های بعد دار. ۶۵

چکیده

امروزه در طراحی فرآیند پالایشگاه های جدید گاز ، در مواردی که شرایط عملیاتی برای استفاده از مبدل های صفحه ای ممکن باشد ، این مبدل ها جایگزین مبدل پوسته و لوله شده اند. از مزایای این مبدل ها می توان به کمتر بودن حداقل اختلاف دمای مورد نیاز ، کاهش ابعاد ، کم شدن رسوب و گرفتگی ، امکان تغییر ظرفیت ، سهولت تعمییر و نگهداری و افزایش راندمان این مبدل ها به نسبت مبدل های پوسته و لوله اشاره کرد. کاهش هزینه های جاری ناشی از صرفه جویی در مصرف انرژی با استفاده از این مبدل ها باعث می شود که هزینه اولیه نصب و راه اندازی در زمان کوتاهی مستهلک گردد. در مبدل های صفحه ای وظیفه شیار های یروی صفحات افزایش اثر سطح صفحه و همچنین مقدار سطح و ایجاد آشفتگی مناسب و کافی در کل این مبدل می باشد. چگونگی تولید آشفتگی جریان در هر مدل در حقیقت وجه تمایز آن را حاصل می نماید. در مدل شورون زاویه ای که از تقاطع خطوط پرس شده روی صفحه پدید می آید نقش بسیار مهمی در ایجاد آشفتگی بر عهده دارد.در این پایان نامه پس از مدل کردن مبدل حرارتی واحد بازیافت گوگرد در ابعاد و اندازه های واقعی در نرم افزار مدل سازی سالید ورک با استفاده از نرم افزار تحلیلی فلوئنت مدل در زوایای شورون مختلف و برای سیال آمین که سیال واقعی مورد استفاده در این تجهیز می باشد بررسی می گردد و نتایج تغییر زوایا و تاثیر آن بر روی عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت و افت فشار با بررسی نمودارهای مختلف و روابط انتقال حرارت تجزیه و تحلیل می گردد.این تحقیق در پایان نشان خواهد داد که با افزایش زاویه شورون و عدد رینولدز ، ضریب اصطکاک کانال کاهش پیدا می کند و افزایش زاویه شورون و عدد رینولدز در کانال های مبدل حرارتی صفحه ای با زوایای شورون ۳۰ و ۶۰ درجه باعث افزایش انتقال حرارت می گردد. هم چنین در هربخش برای اعتبار سنجی نتایج بدست آمده از شبیه سازی ، این نتایج با نتایج تجربی مقایسه می گردد .در پابان توانایی دینامیک سیالات محاسباتی در شبیه سازی و تحلیل جریان در مبدل حرارتی صفحه ای اثبات می گردد.

کلمات کلیدی : ۱٫مبدل حرارتی صفحه ای ۲-شبیه سازی عددی ۳-صفحات شورون ۴-افت فشار ۵-انتقال حرارت ۶- دینامیک سیالات محاسباتی

۱-       فصل اول

کلیات تحقیق

۱-۱-     مقدمه

مبدل حرارتی صفحه ای ، مبدلی است که در آن جریان های سیال از بین تعدادی صفحات فلزی نازک و موج دار عبور می کند.این صفحات در یک قاب به هم متصل شده اند و از نشت سیالات با استفاده از گسکت جلوگیری می شود.در هر صفحه معمولا چهار روزنه وجود دارد که به عنوان ورودی و خروجی جریان عمل می کنند و عبور سیال ها از کانال های مختلف منجر به انتقال حرارت بین آن ها می شودتعداد وابعاد صفحات با توجه به میزان جریان و خواص فیزیکی سیال ، افت فشار و تغییر دمای مورد نیاز تعیین می گردد.

قاب مبدل صفحات را بصورت فشرده به هم متصل می نماید و انتخاب گسکت مناسب از نشت سیال به خارج مبدل جلوگیری می کند . طراحی مبدل به گونه ای است که امکان نشت یک سیال به سیال دیگر ممکن نیست.قاب از یک صفحه ثابت،یک صفحه متحرک فشار دهنده و تجهیزاتی برای اعمال فشار و اتصال صفحات تشکیل شده است.نمای یک مبدل صفحه ای و قطعات آن در شکل ۱-۱ آمده است.موج دار بودن صفحات علاوه بر افزایش سطح تماس باعث افزایش تلاطم جریان و همچنین کاهش میزان رسوب می شود و در نتیجه میزان انتقال حرارت بین دو جریان تا حد زیادی افزایش می یابد.

مبدل های صفحه ای در حدود ۱۰۰ سال بعد از کاربرد و رواج مبدل های پوسته و لوله (Shell & Tube)  پدید آمده اند و مورد استفاده قرار گرفتند در سال ۱۸۷۸ اولین patent در این موضوع به نام آلبرت دریک [۱]درGerman patent  ثبت گردید تا سال ها همچنان این ایده باقی ماند تا اینکه در سال ۱۹۲۳ دکتر ریچارد سالیگمن[۲] توانست اولین نمونه صنعتی این وسیله را بطور موفقیت آمیز تست نموده و مورد بهره برداری قرار دهد.

در نمونه های اولیه که تا قبل از سال ۱۹۳۰ ساخته می شدند از جنس مفرغ (gunmetal) که آلیاژی از فلز قلع و مس و روی می باشد،در ساختن صفحات استفاده می گردید.به همین دلیل این مبد لها دارای قابلیت های محدودی بودند و نتوانتسند کاربرد گسترده ای پیدا کنند.در سال ۱۹۳۰ استفاده از آلیاژهای دیگری چون فولاد ضدزنگ (Stanless steel) نیز رایج گردیده و زمینه برای کاربردهای گسترده تر از این نوع مبدل مهیا گردید.محدوده ی عملیاتی مبدل های صفحه ای در مدل های اولیه در فشارهایی کمتر از ۲ بار و تا دمای ۶۰ درجه سانتیگراد بود.

شکل )‏1 (1- شمایی کلی از یک مبدل صفحه ای

۱-۲-     بیان مسئله

در دو دهه اخیر، استفاده از مبدل های صفحه ای به عنوان تجهیزاتی استاندارد برای گرم و سرد کردن سیالات در جریان های تک فازی و دوفازی ،بسیار مورد توجه بوده است. مبدل های صفحه ای متشکل اند از تعدادی صفحات نازک با سطح موج دار که جریان سیال سرد و گرم را از هم جدا می کنند. صفحات بنحوی چیده شده اند که دو سیال عامل (سرد و گرم) بصورت یک در میان بین صفحات جریان داشته باشند. زاویه موج صفحات موج دار که نقش اساسی در میزان انتقال حرارت و افت فشار دارد به زاویه شورون مشهور است. معمولا زاویه شورون بین دو مقدار تقریبی ۲۵ تا ۶۵ درجه می باشد.(Sundén and Manglik,2007)

 دینامیک سیالات محاسباتی( CFD ) ابزاری است که به کمک تحلیل عددی و حل معادلات ریاضی میتواند برای مطالعه جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش های شیمیایی مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین با استفاده از این ابزار میتوان به اجرای طرح ها و ایده های جدید بر روی تجهیزات موجود و بهینه سازی آنها پرداخت. (Kanaris, et al.,2006)

CFD با اصول ساده ی فراوان برای حل کامل سیستمها درسلول های کوچک یا شبکه های ریز بوسیله اعمال معادلات حاکم برآن سیستم و انجام گسسته سازی آن معادلات، به پاسخ های عددی ازمسائلی شامل توزیع فشار، گرادیان دما، پارامترهای جریان با صرف زمان و هزینه ی کمتر به سبب عدم نیاز به کارهای تجربی وآزمایشگاهی می رسد. (Wang, et al.,2007) یکی از علتهای اصلی در عملکرد ضعیف مبدلهای حرارتی،توزیع غیریکنواخت جریان سیال در داخل مبدل میباشد. این اختلال میتواند به سبب طراحی نادرست در محل ورود و خروج جریان،پیکربندی هد در مبدل گرمایی و ساختار نامناسب توزیع کننده جریان سیال باشد. (Grijspeerdt, et al.,2003)  مطالعات آزمایشگاهی نسبتاً زیاد و بررسی های عددی نسبتاً کمی برای پیش بینی رفتار هیدرولیکی حرارتی در کانال های صفحات شورون انجام شده است. به علت این که با راه حل های عددی می توان جزئیات میادین دما و جریان را ارائه کرد و هم چنین می توان درک بهتری از فرآیند انتقال حرارت و اندازه ی حرکت به دست آورد، در سال های اخیر شبیه سازی عددی حرکت سیال و انتقال حرارت در اینگونه مبدل ها بیش تر مورد نظر واقع گردیده است.

در این پایان نامه سعی بر آن است که انتقال حرارت در مبدل حرارتی صفحه ای واحد بازیافت گوگرد موجود در پالایشگاه های گازی ( ۱۰۸-E-504) به کمک نرم افزار ANSYS FLUENT شبیه سازی گردد و تاثیر زاویه شورون بر روی عدد ناسلت و انتقال حرارت بررسی گردد و به کمک تحلیل نمودار های حاصله و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی زاویه بهینه شورون که در آن بیشترین انتقال حرارت صورت می گیرد بدست آید. بدست آوردن زاویه شورون بهینه در این نوع از مبدل ها کمک بسزایی به تولیدکنندگان و سازندگان این تجهیز می نماید تا با داشتن مقدار بهینه زاویه شورون تولیدات خود را بدون داشتن هزینه اضافی بسمت راندمان بالاتر و طول عمر بیشتر و هزینه تعمیر و نگهداری کمترببرند. با توجه به اینکه آب بند و باز و بسته کردن صفحات مربوط به این مبدل کاری بسیار دشوار می باشد و نیاز به دقت بالا دارد اقداماتی که در جهت بهینه سازی و افزایش طول عمر تجهیز انجام می گردد بسیار با ارزش می باشد. روش های عددی حل جریان و انتقال حرارت با کاهش زمان چرخه طراحی و بهینه سازی صفحات جدید می تواند منجر به کاهش قابل توجه هزینه گردد.

۱-۳-     ضرورت انجام تحقیق

تجهیزات زیادی در صنایع در امر تولید مورد مصرف قرار می گیرد که یکی از آن ها مبدل های حرارتی می باشد.مبدل های حرارتی در تمام زمینه های صنعتی ، تجاری و زندگی روزمره که به نحوی با تبادل انرژی سروکار دارند مورد استفاده قرار می گیرند.در صنایع مختلف غذایی ، دارویی و شیمیایی و فرآیندهای مختلف نفت ، گاز و پتروشیمی مبدل های حرارتی جهت تبادل حرارت بین سیالات ورودی و خروجی کاربرد وسیعی داشته و با توجه به محدودیت درجه حرارت ، فشار و شرایط کاری و عملیاتی ،مبدل ها به شکل های مختلف طراحی و ساخته می شوند.مبدل های حرارتی صفحه ای در صنایع مختلف بدلیل حجم کم ، مقاوم در مقابل مواد خوردگی و راندمان بالا بشرح ذیل جهت انجام پروسس های فرآیند و واکنش های شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد.در طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای ، جنس صفحات و شکل موج دهی روی صفحات با توجه به شرایط عملیاتی ، دما و فشار سیال ورودی و خروجی ، انتخاب می گردد.

با توجه به اهمیت مبدل های حرارتی بخوص مبدل های حرارتی از نوع صفحه ای در صنایع مختلف بخصوص صنایع نفت ، گاز پتروشیمی همانطور که در بالا ذکر شد و هم چنین اهمیت زاویه و شکل موج دهی بر روی صفحات در مبدل های حرارتی از نوع صفحه شورورن که تاثیر بسزایی در انتقال حرارت و راندمان دستگاه دارد اهمیت موضوع برای بنده دو چندان می گردد تا بتوان با مدل سازی صفحات شورون بکمک نرم افزار Solid work و انتقال مدل به نرم افزار Ansys Fluent  تاثیر زاویه موج دهی را برای چند زوایه مختلف بررسی نموده و با توجه به نمودار ها و روابط انتقال حرارت نحوه ی این تاثییر در نرخ انتقال حرارت را بدست آورد و از نتیجه این پروژه بتوان در بخش طراحی مبدل های حرارتی استفاده نموده و کمکی به چرخه صنعت در کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان داشت.

۱-۴-     جنبه نو آورری تحقیق

با بررسی سوابق پژوهش کاملا مشهود است که تا کنون هیچگونه بررسی عددی در مقیاس واقعی جهت برآورد زاویه شورون مطلوب برای یک تجهیز خاص و سیال واقعی مورد استفاده در آن صورت نگرفته است از آنجائیکه سیالات در اعداد رینولدز مختلف رفتار مختلفی ممکن است داشته باشند بررسی عددی در مقیاس واقعی و در شرایط بهره برداری با مشخصات و داده های واقعی ، کاری جدید می باشد.

۱-۵-     اهداف پایان نامه

در این پایان نامه، انتقال حرارت و افت فشار به همراه تحلیل الگوی جریان در یک مبدل حرارتی صفحه ای مورد مطالعه ی عددی قرار خواهد گرفت.

هدف از این پروژه پیش بینی خواص حرارتی و هیدرولیکی جریان سیال درون مبدل های صفحه ای و نیز نشان دادن کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی در رابطه با پیش بینی کارایی حرارتی هیدرولیکی مبدل های صفحه ای بوده است. در این پروژه صفحات شورون یک مبدل حرارتی- صفحه ای سه بعدی به صورت عددی شبیه سازی و تأثیر پارامترهای مختلف ازجمله زاویه ی شورون و عدد رینولدز بر میدان فشار و انتقال حرارت بررسی می گردد.

مبدلهای حرارتی نقش مهمی در عملکرد مطلوب بسیاری از کارخانه ها، فرآیندهای صنعتی و واحدهای بازیابی انرژی دارند بنابراین لازم است تا طراحی و بهینهسازی این تجهیزات حیاتی بهصورت تخصصی و به شکل وسیعی انجام شود .

مبدل های حرارتی صفحه ای به دلیل ظرافتی که در کنار هم قرار گرفتن صفحات و آب بندی آن وجود دارد باز و بسته کردن آنها بسیار دشوار وزمان بر بوده و این امر موجب شده که باوجود بازدهی بالا نسبت به سایر مبدل ها به دلیل هزینه تعمیر و نگهداری بالا، کمتر در صنایع نفت و گاز مورداستفاده قرار گیرند بنابراین می توان با بررسی عددی انتقال حرارت در این نوع مبدل ها و بررسی عوامل تأثیرگذار در انتقال حرارت ازجمله زاویه شورون تأثیر بسزایی در بهبود انتقال حرارت، افزایش راندمان و به دنبال آن کاهش نیاز به تعمیر این نوع مبدل ها داشت و بدین ترتیب در وقت و هزینه صرفه جویی نمود.

۱-۶-     ساختار پایان نامه

ساختار پایان نامه شامل ۵  فصل می باشد.

پس از بیان چکیده پایان نامه در فصل اول به معرفی کلیات تحقیق خواهیم پرداخت به  اینصورت که پس از مقدمه به بیان مسئله می پردازیم و پس از آن پیشینه اجمالی تحقیق را بررسی می کنیم و پس از یبیان ضرورت انجام تحقیق و جنبه نوآوری آن در بخش های بعد اهداف پایان نامه را بیان نموده و در انتهای فصل اول ساختار پایان نامه توضیح داده می شود.

در فصل دوم مروری بر ادبیات تحقیق خواهیم داشت و به معرفی انواع مبدل های حرارتی می پردازیم و معایب و مزایای آن ها را بررسی کرده و اجزای داخلی مبدل های حرارتی صفحه ای را معرفی نموده و کلیه لغات و اصطلاحاتی که در این پروژه به آن اشاره شده است در این فصل توضیح داده خواهد شد بطوریکه برای همگان قابل فهم باشد .

در فصل سوم روش اجرای تحقیق بصورت کامل بیان شده است و مراحل مختلف انجام پروژه بصورت گام به گام توضیح داده شده است فرضیات استفاده شده بطور کامل و مشخص عنوان شده شرایط مرزی مسئله نیز بطور کامل ذکر گزدیده است.

در فصل چهارم به تجزیه تحلیل داده ها پرداخته و از نتایج مدل سازی و تحلیل استفاده شده است و بکمک روابط انتقال حرارت و مشاهدات موجود در نمودارها تجزیه تحلیل کاملی در خصوص پروژه انجام شده صورت گرفته است.

در فصل پنجم نتیجه گیری و پیشنهادات بر اساس نتایج کار انجام شده بیان گردیده است.

۲-       فصل دوم

مروری بر ادبیات تحقیق

۲-۱-      مبدل حرارتی

اصطلاح مبدل حرارتی در حقیقت یکی از نمونه های غلط اما رایج است.در اصل این وسیله را تبادلگر گرمایی باید نامید،زیرا انرژی تبدیل نمی شود و فقط منتقل می گردد.مبدل های حرارتی از واحدهای عملیاتی بسیار پرکاربرد در صنعت علی الخصوص صنایع شیمیایی می باشند و وظیفه آماده سازی حرارتی سیالات و مواد فرآیندی را بر دوش می کشند.مبدل ها با استفاده از سرویس “utility” سیال فرآیند “process” را از دمای اولیه خود به دمای مورد نیاز برای ادامه فرآیند می رسانند و اصل کار آن ها نیز براساس وجود اختلاف دما بین دو سیال سرویس و فرآیند در هر نقطه از مبدل است.

سایر دستگاه های انتقال حرارت ، عبارتند از گرم کننده ها “heaters” ، خنک کننده ها “coolers” ، چگالنده ها “condensers” ، تغلیظ کننده ها “evaporators” ، تبخیر کننده ها “vaporizers” ، جوش آورنده ها “reboilers” ، کوره ها “furnaces” ، و برج های خنک کننده “cooling towers” در این میان تنها در برج های خنک کننده ، هردو سیال فرآیند و سرویس مستقیما با همدیگر در تماس اند و عمل انتقال جرم نیز تنها در برج های خنک کننده رخ می دهد.

۲-۲-     انواع مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی از نظر مکانیزم انتقال حرارت به دو دسته اصلی تقسیم می شوند.

۱٫مبدل های حرارتی آتشین “fired” که در آن ها شعله وجود دارد و انتقال حرارت با استفاده از مکانیزم هی تابش و جابجایی رخ می دهد مانند کوره ها.

۲٫مبدل های حرارتی غیر آتشین “unfired” در هندسه های دو لوله ای ، چند لوله ای ، پوسته و لوله ،صفحه ای و … قابل طراحی و ساختند.

مبدل های حرارتی را از نظر کاربردی نیز تقسیم می کنند.بنابراین تقسیم بندی که بر اساس استاندارد “TEMA” صورت گرفته است، مبدل ها از نظر کاربرد به سه زیر گروه زیر تقسیم بندی می شوند:

۱٫گروه R(Refinery Heat Exchanger) که در صنایع نفت ، پالایش و پتروشیمی کاربرد دارند.

۲٫گروه C ، مبدل هایی که کاربرد عمومی دارند . مانند مبدل های مورد استفاده در سیستم های گرمایش و سرمایش منازل

۳٫گروه B، مبدل هایی که در صنایع شیمیایی و تولید مواد شیمیایی و صنایع دارویی “Fine Chemical” کاربرد دارند.

۲-۳-      مزایا و محدودیت های مبدل های حرارتی صفحه ای

مزایای این مبدل ها را می توان در عبارت “انعطاف پذیری سیستم”خلاصه نمود . برخی از مزایای مبدل های صفحه ای در ادامه ذکر شده است.

–         تلاطم و کارایی انتقال حرارت بالا:وجود برآمدگی و موج دار بودن صفحات باعث می شود که حتی در سرعت های پایین سیال نیز ،تلاطم زیادی وجود داشته باشد.شرکت های مختلف سازنده برای طراحی الگوی بهینه برآمدگی صفحات با هم رقابت می کنند به گونه ای که تغییر در الگوی این صفحات ، میزان انتقال حرارت را در مبدل های ساخته شده توسط سازندگان مختلف متفاوت می کند.

–         کاهش رسوب : افزایش تلاطم ، عدم وجود مناطق راکد ، جریان سیال یکنواخت و سطح نرم و غیر زبر صفحات ، میزان رسوب و در نتیجه تواتر زمانی تمیز کردن مبدل را کاهش می دهد.

–        

عدم امکان نفوذ سیالات به یکدیگر: در مبدل های صفحه ای فضای بین گسکت ها با فضای بیرونی در تماس است.لذا حتی در صورت خرا بودن گسکت،دوسیال با هم تماس نخواهند داشت . این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل )‏۲ (۱- نحوه قرار گرفتن گسکت ها

–         جریان متقابل : در مبدل های صفحه ای می توان سیالات را به صورت متقابل از کنار هم عبور داد که این امر موجب افزایش کارایی اختلاف دمای دو سیال می شود.

–         دمای هم گرایی پایین : در مبدل های صفحه ای به علت جریان متقابل واقعی ، رسیدن به دمای همگرایی ᵒF  2-1 ممکن است.

–         قابلیت عبور چند جریان: در مبدل های صفحه ای می توان با اضافه کردن صفحات حائل ، بیش از دو جریان را به صورت همزمان در یک مبدل ، گرم یا سرد کرد.

–         قابلیت تغییر تعداد صفحات و افزایش ظرفیت : با توجه به ساختمان چند قطعه ایمبدل صفحه ای ، انعطاف پذیری در طراحی و افزایش ظرفیت از خصوصیات از خصوصیات منحصر بفرد این مبدل است.

–         سهولت تعمیر و نگهداری ، بازرسی و تمیز کردن : در مبدل های حصفحه ای براحتی می توان با بازکردن پیچ های گیرنده و خارج کردن قاب متحرک ، کلیه صفحات را بازرسی ، تعویض یا تمیز کرد.

–         وزن سبک : به علت نیاز به سطح تماس کمتر برای کاربرد یکسان ، این مبدل ها نسبت به دیگر اونواع مبدل دارای وزن کمتری هستند.

–         کاربرد برای سیالات ویسکوز : چون این نوع مبدل در سرعت کم سیالات ، تلاطم زیادی ایجاد می کند ، برای سیالات دارای ویسکوزیته بالا کاربرد دارد.باید توجه داشت که سیالاتی که در مبدل های پوسته و لوله به علت ویسکوزیته بالا دارای جریان آرام هستند، در مبدل های صفحه ای دارای جریان متلاطم خواهند بود.

–         کاهش فضای مورد نیاز : مبدل های صفحه ای به میزان یک پنجم تا نصف مبدل های پوسته و لوله معادل خود فضا اشغال می کنند . همچنین برای تعمیرات آن ها نیز به فضای اضافی نیاز نیست، در حالیکه در مبدل های پوسته و لوله به میزان دو برابر طول لوله ها برای خارج کردن آن ها فضا لازم است.

–         کاهش مشکلات عملیاتی : در این مبدل ها مشکلات ارتعاش ناشی از جریان ، صدا ، خوردگی و سائیدگی به نسبت مبدل های پوسته و لوله بسیار کمتر است.

–         هزینه پایین تر : مبدل های صفحه ای به صورت عمومی به علت افزایش راندمان حرارتی و کاهش هزینه های ساخت به نسبت مبدل های پوسته و لوله با انتقال حرارت یکسان ، ارزان تر هستند.

–         کنترل فرآیند سریع تر : به علت ضخامت کم کانال های بین دو صفحه مجاور و حجم کم سیال عبوری بین دو صفحه ، سرعت واکنش سیال به تغییرات فرآیند سریعتر خواد بود که منجر به کنترل راحتتر فرآیند می شود.

–         محدودیت ها : در انواع مبدل های حرارتی صفحه ای گسکت دار چداکثر فشار قابل تحمل ۳۰ بار و حداکثر دما ۲۰۰ درجه سانتیگراد است. علت این امر ضخامت کم صفحات و عدم توانایی تحمل فشار زیاد نسبت به نوع پوسته و لوله ، و همچنین عدم تحمل دمای بالا توسط واشر بین صفحات است . اگر هم از نوع جوشی این مبدل ها استفاده شود (عیب واشر رفع می شود) ، تمام مزایای مربوط به باز و بسته شدن راحت را از دست می دهیم . البته امروزه با پیشرفت تکنولوژی محدودیت های عملیاتی این مبدل ها در حال کم تر شدن است و سازندگان سعی می کنند با تغییر در جنس صفحات و گسکت ها کاربرد این مبدل ها را تا فشار و دماهای یالاتر ممکن کنند . در جول زیر به مشخصات مبدل های صفحه ای گسکت دار استاندارد ساخت شرکت آلفالاوال اشاره شده است .

جدول( ‏۲ (۱-مشخصات مبدل های صفحه ای گسکت دار معمولی

۲-۴-     4-2) مقایسه مبدل های صفحه ای با مبدل های پوسته و لوله

برای مقایسه بهتر ، در جدول  2- 2  برخی از مشخصات مبدل های صفحه ای بررسی و باهم مقایسه شده اند

جدول( ‏۲ (۲-مقایسه بین مبدل های صفحه ای گسکت دار و مبدل های پوسته و لوله

۲-۵-     معرفی انواع مبدل های صفحه ای

علاوه بر مبدل های صفحه ای گسکت دار ، امروز سازندگان ، انواع مختلفی را از مبدل های صفحه ای طراحی کرده اند که هرکدام در شرایط عملیاتی خاص کاربرد دارند ، در این بخش برخی از انواع مبدل های صفحه ای به صورت مختصر معرفی می شوند.

۲-۵-۱-        مبدل های صفحه ای نیمه جوشی

مزیت جوش دادن دو صفحه این است که لزوم استفاده از مواد دیگر از بین رفته و خوردگی اندکی کاهش می یابد. همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود سیال فرآیندی درون زوج صفحه و سیال سرویس بین فریم ها جریان دارد. این بدلیل این است که سیل سرویس معمولا سیال کثیف است و لذا برای تمیز کردن مبدل می بایست زوج صفحات از هم جدا شوند.

شکل )‏۲ (۲- مبدل صفحه ای نیمه جوشی

ساخت : تفاوت این نوع مبدل صفحه ای با مبدل های صفحه ای گسکت دار معمولی در این است که زوج صفحات به همدیگر جوش شده و واشر های سوراخ ها نیز از مواد الاستو متر یا غیر الاستومتر با مقاومت بالا ساخته شده است که با روش بدون چسب به هم متصل شده اند.

محدوده عملیاتی : همانند مبدل های حرارتی صفحه ای گسکت دار معمولی

کاربردهای اصلی : همانند مبدل های حرارتی صفحه ای گسکت دار معمولی می باشد . همچنین این نوع مبدل برای تبخیر و میعان مایع تبرید استفاده می شود.

مقایسه با مبدل پوسته و لوله : مانند مبدل صفحه ای گسکت دار معمولی

۲-۵-۲- مبدل های صفحه ای لحیم شده[۳]

این نوع مبدل صفحه ای از مجموعه صفحات به هم فشرده که به همدیگر لحیم شده اند تشکیل شده است . لذا دیگر نیازی به واشر نیست و فریم ها می توانند حذف شود . صفحات موج دار موجب چنان جریان متلاطمی می گردد که این جریان باعث کاهش رسوب گیری در این نوع مبدل می گردد.

ساخت : از تعداد زیادی صفحات فولادی به هم فشرده که توسط مس به یکدیگر جوش داده شده اند ، استفاده می شود. همچنین با توجه به نوع فرایند ممکن است از نیکل ، یا فلزهای دیگر برای جوشکاری استفاده شود . علاوه بر جوش کردن نقاط پیرامون هرصفحه ، نقاط اتصال جناقی درونی هم جوش داده می شوند.

محدوده عملیاتی : این نوع مبدل تا دمای  225ᵒC   و فشار ۳۰ bar را تحمل می کند . البته این نوع لحیم کاری شده با نیکل تا دمای ۴۰۰ ᵒC  وفشار ۱۶ bar را تحمل می کند.

کاربردهای اصلی : این نوع مبدل به منظور سردسازی در تبخیرکننده ها و کندانسورها استفاده می شود. همچنین برای گرم کردن آب فرآیند ها ، سیستم بازیابی حرارت و سیستم گرم کردن موضعی مناسب است . البته برای Desuperheat و Subcooled کردن هم مورد استفاده قرار می گیرند. از نوع لحیم نیکل برای خنک کردن آب بدون املاح و میعان حلال استفاده می شود.

مقایسه با مبدل پوسته و  لوله : در عملکرد یککسان وزن این نوع مبدل ۲۰%- ۳۰% مبدل پوسته و لوله است.

۲-۶-     3-5-2) مبدل های صفحه ای دوگانه بوکس[۴]

این نوع مبدل هنگامی استفاده می شود که با توجه به شرایط فرآیندی امکان بکارگیری مبدل نوع قالب و صفحه ممکن نبوده و با فشار بالا و محدوده گستره دمایی مواجه باشیم. ویژگی منحصر بفرد این نوع مبدل ، طراحی هندسی داخلی آن است.

ساخت : این نوع از مبدل از دو بخش لوله و صفحه تشکیل می شود که بخش لوله دارای چندین گذر و بخش صفحه تنها دارای یک گذر می باشد.

شکل )‏۲ (۳- مبدل صفحه ای جوشی Bavex

محدوده عملیاتی : با توجه به نوع فلز به کار رفته در آن ، این نوع مبدل تا دمای ۹۰۰ᵒC را تحمل می کند و در حالات برودتی تا دمای  -200 ᵒC قابل سرد شدن است. فشار سمت صفحات نیز تا  60 bar قابل افزایش خواهد بود که البته به ضخامت و سطح صفحات بستگی دارد.

کاربردهای اصلی: گستره استفاده از این نوع مبدل شامل بازیابی حرارت گازهای سوخته ، کاربردهای برودتی ، انتقال حرارت بین گازهای خورنده با آب دریا می باشد.

مقایسه با مبدل پوسته و لوله :شرکت سازنده ادعا می کند که این نوع مبدل ۴۰% حجم مبدل پوسته و لوله را در شرایط عملیاتی مشابه خواهد داشت.ضریب انتقال حرارت در کاربردهی مایع-   مایع حدود ۵۰۰ w/m2k می باشد.

۲-۷-     4-5-2) مبدل های صفحه ای جوشی پلیتیولار[۵]

این نوع مبدل تحت لیسانس شرکت Barriquand فرانسه ساخته می شود.در این مبدل از صفحاتی با ضخامت استاندارد استفاده می شود لذا قدرت و توانایی مبدل پوسته و لوله با ضریب انتقال حرارت بالای مبدل صفحه ای ترکیب شده است.صفحات باهم جوش داده شده اند پس نیازی به واشر نیست.

شکل )‏۲ (۴- مبدل صفحه ای Platular  نوع X

دو مدل اصلی از این نوع مبدل وجود دارد . در نوع X پوسته حذف شده است در حالیکه نازل ها و هدرها باقی مانده اند و صفحات بصورت طولی جوش داده شده اند . در نوع S ، هسته مرکزی در مخزنی که یک صفحه جوش داده شده است و کارکرد پوسته را دارد،نگاه داشته می شود.لذا در این نوع ،دسترسی به هسته مرکزی برای عملیات نگهداری دشوارتر است.هنگامی که سیال تمیز است احتیاجی به باز کردن مداوم مبدل نیست،نوع S  مقرون به صرفه تر خواهد بود.

ساخت:سه پارامتر اصلی فرم کانال ها ، شکل جریان سیال و استفاده از پوسته ، در ساخت این مبدل تاثیرگذار است.در نوع X صفحات موازی هم جریانات مختلف را در جهات مختلف عبور می دهند (شکل فوق).نوع S همانند یک مبدل پوسته ولوله است که به جای لوله صفحات موازی هم قرار دارند.نوع پوسته دار این مبدل برای زمانی که همه سیال ها تمیز باشند مورد استفاده قرار می گیرد.اگر یکی یا بیشتر از سیال ها کثیف باشند لازم است تمام سازه های جوش داده شده مورد استفاده شامل درپوش های انتهایی،دارای امکان دسترسی برای تمیز کردن مکانیکی باشد.کانال های مورد استفاده در این نوع مبدل اشکال گوناگون دارند که در شکل زیر مشاهده می کنید.

شکل )‏۲ (۵-  نمایش کانال های عبوری در مبدل صفحه ای Platular

طراحی نوع T برای گازها و سیالات ویسکوز پیشنهاد می گردد،طراحی نوع I  برای عملیات های با فشار بالا مناسب است و در طراحی های نوع DI و U فاصله بین دو صفحه بیشتر شده است که از این نوع برای عملیات های با فشار بالا و شرایطی که نیاز به تمیز کردن مکانیکی باشد،استفاده می شود.

محدوده عملیاتی:این نوع مبدل برای استفاده در شرایط دمایی -۱۸۰ ᵒC تا ۷۰۰ ᵒC  از فشار خلاء کامل تا ۴۰ bar مناسب است.انتقال حرارت های چند جریانه تا ۴ جریان نیز قابل ساخت است.

کاربردهای اصلی: وظایف تبادل حرارتی به طور کلی در این مبدل شامل موارد زیر است:

گاز-گاز / گاز-مایع / مایع-مایع / کندانسورها / تبخیرکننده ها

از این نوع مبدل در صنایع شیمیایی ، غذایی ، نوشیدنی ، کاغذ ، سیمان و صنایع سردسازی استفاده می شودو وظیفه شاخص این مبدل بازیابی حرارت در جعبه های سرد (cold box) که از چند گذر و چند جریان استفاده می کنند ، می باشد.

مقایسه با مبدل پوسته و لوله : بسته به اطلاعات سازنده ، ضریب کلی انتقال حرارت در این مبدل ها ۲ تا ۴ برابر بیشتر از مبدل پوسته و لوله مشابه خواهد بود.در نتیجه حجم این مبدل ۷۵-۹۰% کاهش می یابد،بنابراین فضای مورد نیاز به شدت کاهش می یابد و حتی فضای اضافی دیگری برای عملیات خارج کردن tube bundle  نیاز نیست.

۲-۷-۱-        مبدل های صفحه ای جوشی کمپوبلاک[۶]

این نوع مبدل بر پایه ی کاربردهای مبدل پوسته و لوله ،مارپیجی و صفحه ای طراحی شده و همچنین مشکلات کاربرد گسکت را ندارد.

نبودن گسکت،این امکان را به ما می دهد تا از سیالات با دماهای بالا و مواد شیمیایی آسیب زا درآن استفاده کنیم.همچنین طراحی پسچ و مهره ای این نوع مبدل ها ، امکان جداکردن سریع قاب و دسترس به محفظه ی صفحات را برای تمیزکردن و تعمیرات می دهد.

ساخت:در طراحی تک گذر مجموعه صفحات بهم فشرده شده ، به گونه ای به هم جوش خورده اند تا جریان متقاطع باشد.در طراحی های با چند گذر ، در حالت کلی جریان ناهمسو است.معمولا فاصله میان صفحات ۵ mm می باشد.

محدوده عملیاتی:این نوع مبدل برای تحمل شرایط عملیاتی تا دمای ۳۰۰ ᵒC و فشار ۳۲ bar طراحی شده است.میزان سطح انتقال حرارت در این مبدل از ۱٫۵  تا ۳۰۰ m2 متغیر می باشد.در حالت تک گذر با جریان متقاطع این مبدل توانایی بکارگیری بارهای حرارتی با NTU پایین را داراست.

کاربردهای اصلی:کاربردهای عمومی آن شامل سیستم های مایع و دو فازی مانند موارد زیر است:

مایع – مایع / کندانسورها (یا بدون subcooling) / کندانسورها (با یا بدون inserts) / تبخیرکننده ها / جوش آورها

این نوع مبدل قابل استفاده در سرویس های خلاء کامل می باشد و همچنین امکان استفاده از مایعات تبرید را داراست.

                      شکل )‏۲ (۶-  شمای کلی مبدل صفحه ای Compabloc

۲-۷-۲-         مبدل های حلزونی(مارپیچی)[۷]

طراحی این مبدل برای نیل به حالت ایده آل در تجهیزات انتقال حرارت با حصول شرایط جریانی یکسان برای هردو سیال انتقال حرارت می باشد.مدل کلاسیک این نوع مبدل ساده است،این حالت از دو نوار پیچیده شده دور یک هسته مرکزی شکل دهنده به دو کانال مارپیچی متحدالمرکز ساخته می شود.در حالت عادی این کانال ها متناوبا جوش داده شده اند تا این اطمینان حاصل گردد که سیال های سرد و گرم با هم مخلوط نمی شوند.

یک مبدل حرارتی می تواند برای فرآیندهای مختلفی که در آن کانال ها عرض های متفاوتی دارند ، بهینه گردد.عرض کانال هی مبدل معمولا در بازه ۵ تا ۳۰ میلیمتر می باشد.عرض صفحه در طول حورهای مبدل می تواند ۲ متر باشد و این قطر می تواند تا سطح انتقال حرارتی حدود  600 m2 را برای ما تامین کند.

پوشش های صاف واشری منطبق با سمت باز کانال ها موجب دسترسی آسان و کاهش هزینه های تعمیرات می شود.این مبدل ها قابلیت این را دارند که خودشان را تمیز کنند.کانال صاف و خمیده باعث کاهش تمایل به زسوب دهی با سیالات مختلف می شود.هر سیال تنها در یک کانال عبور می کند ، پس اگر درون کانال رسوب بگیرد،باعث می شود تا سرعت سیال در کانال افزایش یابد و در نتیجه باعث کنده شدن رسوبات از دیواره می شود.این عمل خودشستشوی مبدل های مارپیچی هزینه های عملیات را هنگامی که از واحد های نصب شده بصورت عمودی استفاده می شود بشدت کاهش می دهد.

استفاده از حالت نصب عمدی هنگای ضروری است که از سیالات الیافی ، ویسکوز ، دارای ذره یا دارای ناخالصی استفاده می کنیم.به این صورت تمام ذرات در اثر گرانش در انحنای پایین کانال ته نشین می گردند.

ساخت:مبدل های حلزونی می توانند بصورت سفارشی برای بارهای حرارتی مختلف ، با تمام فلزاتی که توانایی شکل دهی سرد و جوس دادن را دارند،مانند کرین استیل،فولاد ضد زنگ و تیتانیوم ، ساخته شود.در بعضی موارد از فاصله گذار دوبل استفاده می شود که در این حالت از ۴ نوار برای مبدل که در آن هرسیال از دو کانال عبور می کند،استفاده می شود.از حالت دوبل برای مواقعی که دبی جریان بالا یا افت فشار کمی داریم ، بهره می بریم اما این حالت نباید برای سیالات رسوب زا یا دارای ذرات جامد استفاده شود.

شکل )‏۲ (۷-  فرآیند ساخت مبدل حلزونی

استفاده از مبدل های حلزونی به سرویس های مایع – مایع محدود نمی شود.تنوع در طراحی اولیه آن امکان استفاده برای سرویس های مایع – بخار و مایع – گاز را نیز می دهد. به طور کلی مبدل های حلزونی در سه مدل چیدمان موجودند:

نوع ۱: جریان سیالات کاملا متقابل

سیال گرم به وسط مبدل وارد می شود و از داخل به بیرون جریان می یابد . سیال سرد از محیط واردو به سمت مرکز جریان می یابد.

شکل )‏۲ (۸- جریان سیالات در مبدل حلزونی، نوع ۱

نوع ۲: یک سیال جریان متقاطع و سیال دیگر جریان مارپیچی

سیال در جریان متقاطع از کانال های باز عبور کرده و عموما در جهت عمودی می باشد.سیال سرویس بصورت مارپیچی در کانال دیگر جریان می یابد.(مانند شکل زیر)از این طراحی می توان هم برای کندانسور و هم برای تبخیرکننده استفاده کرد.

نوع ۳ : طراحی ترکیبی

در این نوع مبدل ، گاز یا مخلوط بخار و مایع به صورت ترکیبی از دو حالت قبلی از کنار هم عبور داده می شوند.جریان داغ از بالا وارد و به صورت مماس از محل تعبیه شده روی مبدل خارج می شود.

محدوده عملیاتی:معمولا ، حداکثر دمای طراحی با توجه به محدودیت مواد سازنده ی گسکت تا ۴۰۰ ᵒC می باشد.در طراحی بدون گسکت ، این دما تا  850 ᵒC قابل افزایش است.معمولا حداکثر فشار طراحی  15 bar می باشد که در طراحی های خاص تا ۳۰ bar نیز قابل دستیابی است.

کاربردهای اصلی:این نوع مبدل برای سیالاتی که تمایل به رسوب دهی دارند یا آلوده به ذرات هستند ، مناسب است که علت این امر بزرگی نسبت عرض کانال است.از این رو ، این مبدل برای صنایع غذایی مناسب است.این مبدل ها کاربرد بسیاری دارند . در صنایع شیمیایی می توان به انتقال حرارت دوغاب PVC ، و بازیابی حرارتی در بسیاری از فرآیندها اشاره کرد.این مبدل ها همچنین می توانند کنترل دمایی رسوبات فاضلابی را انجام دهند.مبدل های حلزونی از آنجا که دارای جریان متقابل کامل می باشند،بهترین امکان را رای کاربرد در بازیابی حرارتی دارا هستند.اگرچه ممکن است ساخت آن ها از دیگر انواع مبدل های صفحه ای گران تر باشد.

مقایسه با مبدل پوسته و لوله : مبدل حلزونی نسبت به مبدل پوسته و لوله مزایای بسیاری دارد،مانند:

–         شرایط جریان بهینه در دو سوی مبدل

–         توزیع متقارن سرعت بدون نقاط مرده در سیال

–         توزیع متقارن دما بدون نقاط گرم و سرد

–         کارایی حرارتی بیشتر با بازدهی حرارتی بالا

–         سازگاری با مشکل تقاطع دمایی در حالیکه در مبدل های پوسته و لوله برای کاهشش این مشکل ،می بایست چند پوسته سری شوند.

–         زمان اقامت و حجم کم

–         قابلیت جداکردن سرپوشی که در معرض جریان قرار دارد،به منظور تمیز کردن و تعمیرات

–         برای بار حرارتی یکسان ، سطح انتقال حرارت مبدل حلزونی در مقایسه با یک مبدل صفحه ای گسکت دار ۹۰ m2 به ۶۰ m2 ور در مقایسه با پوسته و لوله ۹۰ m2 به ۱۲۵ m2 می باشد،مقایسه اندازه فیزیکی این سه مبدل با هم در شکل زیر نمایان است.

۲-۸-     ساختار مبدل های صفحه ای

به علت وجود انواع مختلف مبدل های صفحه ای ، انتخاب مواد و روش ساخت این مبدل ها نیز با هم متفاوت است و به پارامترهایی مانند ظرفیت حرارتی ، نوع سیال و کاربرد انتقال حرارت (با ۱ عبور،جوش آور،کندانسور …)بستگی دارد.اجزای اصلی یک مبدل صفحه ای که انتخاب صحیح آن ها بسیار حائز اهمیت است صفحات موج دار ، گسکت ها و صفحات انتهایی آن ها هستند.

۲-۹-     جنس و ساخت صفحات  مبدل صفحه ای

صفحات موج دار که در مبدل های حرارتی به کار می روند ، می توانند از فلزات و آلیاژهایی که قابلیت شکل دهی سرد و جوش دادن را داشته باشند،ساخته شوند.فولاد زنگ نزن ، تیتانیوم ، نیکل ، آلومینیوم ، incolo ،hastelloy و مونل نمونه ای از این آلیاژها هستند.انتخاب جنس صفحه با در نظر گرفتن سازگاری سیال و ظرفیت حرارتی انجام می شود.البته فاکتورهایی مانند بهینه کردن طراحی حرارتی و دیگر اولویت های سازندگان در این انتخاب نقش دارند.علت نیاز به فلزات چکش خوار را می توان اینگونه توجیه نمود که در هر مرحله ساخت صفحات برای ایجاد شیارهای مناسب بر روی صفحات و همچنین برای ایجاد مکان مناسب برای نصب گسکت ها ما مجبوریم تا صفحات را تحت پرس قرار دهیم و این عمل همراه با ایجاد تنش های مکانیکی جبران ناپذیری در فلز خواهد بود.ایجاد تنش باعث بهم ریختگی ساختار مولکولی فلز گردیده و مقاومت های ثانویه در برابر تنش های حرارتی و مکانیی فلز را به شدت کاهش خواهد داد.همچنین باعث کاهش شدید مقاومت در برابر خوردگی فلزات خواهد گشت.پس ما مجبوریم برای به حداقل رساندن این آسیب ها از گروهی از آلیاژ استفاده کنیم که آسیب کمتری در طی این فرآیند متحمل می گردند.همچنین علت حذف کرین استیل از فلزات قابل استفاده در ساخت صفحات در حقیقت اثر پرس بر صفحات و بهم ریختگی شدید مولکولی است که در این فلز ایجاد شده و باعث کاهش قابل ملاحظه مقاومت در مقابل خوردگی در این فلز می شود و این فلز را در مبدل های صفحه ای غیر قابل استفاده می نماید.

جنس صفحات بطور کلی به ۴ گذوه زیر تقسیم می شود:

–         فولادهای زنگ نزن که شامل آلیاژهایی مانند:Nickle 200/201 , 400 , 625 , 686 , 825 , 3033 , 28 , 31 , 59 , D-205 , G30 , C-2000 , C-22 , C-276

–         تیتانیوم و آلیاژخای تیتانیوم مانند Gr II , ASTM Gr II

–         دیگر فلزات و آلیاژها و همچنین مواد غیر فلزی مانند گرافیت ، مس و آلیاژهای مس،تانتالیوم و آلومینیوم

–         از آن جا که ضخامت صفحات بسیار کم است.جنس صفحات از موارد با آلیاژهای با گرید بالا انتخاب می شود تا خوردگی کاهش یابد.به عنوان مثال در حالیکه در یک مبدل پوسته و لوله برای جریان سیال اسیدی از لوله های با جنس فولاد زنگ نزن ۳۱۶ استفاده می شود،برای همین جریان در مبدل صفحه ای از آلیاژهای شامل Incoloy 825 , 2Cu , 40 Mo , 20 Cr , 25 Ni استفاده می شود.در جدول۳-۲، یک راهنمای عمومی تجربی برای انتخاب جنس صفحه با توجه به سازگاری سیال ارائه شده است.همچنین از آن جا که در طراحی حرارتی مبدل صفحه ای ، مقاومت حرارتی صفحات بسیار مهم است ، مقادیر اسمی ضریب رسانایی انتقال حرارت (K) برای صفحات رایج و پرکاربرد در جدول ۴-۲ ارائه شده است.

  جدول( ‏۲ (۳-راهنمای انتخاب صفحات با توجه به سازگاری سیال

۲-۱۰- سایز صفحات :

سایز رایج برای مساحت صفحات بین  0.01  تا ۳٫۶ m2 می باشد.معمولا حداکثر تا ۷۰۰ صفحه را می توان در کنار یکدیگر قرار داد. همچنین ساخت مبدل هایی با مساحت کل بیش از ۲۵۰۰ m2 رایج نیست.برای تنظیم آشفتگی جریان و جلوگیری از کم شدن آشفتگی حداقل نسبت طول به عرض ۸/۱ در نظر گرفته می شود و فاصله صفحات نیز معمولا بین ۲-۵mm خواهد بود تا سیستم در شرایطی مناسب بتواند عمل نماید.

شکل )‏۲ (۹- مقایسه صفحات با ابعاد مختلف

شیارها : انواع مختلفی از شیارها با شکل ها و الگوهای هندسی متفاوتی در دسترس می باشند،مدل های رایج تر شیارها عبارتند از : ۱- مدل واشبورد[۸]   (شکل a 2-14) 2- مدل هرینگبون یا شورون (شکل b 2-14)

اسامی این مدل ها از روی شکل ظاهری آن گرفته شده است.مدل اول شبیه تخته شستشوی لباس بوده و مدل دوم شبیه ساختار تیغ ماهی است.

شکل )‏۲ (۱۰- a-یک صفحه با شیارهای مدل واشبورد   b- یک صفحه با شیارهای مدل هرینگتون  

۲-۱۱- وظیفه شیارها

وظیفه شیارها افزایش اثر سطح صفحه و همچنین مقدار سطح و ایجاد آشفتگی مناسب و کافی در کل مبدل می باشد.چگونگی تولید آشفتگی جریان در هر مدل در حقیقت وجه تمایز آن را حاصل می نماید.در مدل واشبورد با ایجاد تغییر مسیر جریان و ایجاد اختلاف سرعت در سیال سعی در ایجاد آشفتگی داریم.در این مدل صفحات مجاور در کنار هم جفت می شوند و با توجه به همشکل بودن صفحات کنار هم می تواینم مجاری جریان مشترکی ایجاد نماییم که جریان در آن حالت چرخشی پیدا نماید.برای این مدل افت فشار قابل قبول با توجه به سایز و مشخصات مبدل بین ۱۰ تا ۲۵ بار در نظر گرفته می شود.

شکل )‏۲ (۱۱- چگونگی تولید آشفتگی جریان در مدل واشبورد  

در مدل واشبورد نقاط تقاطع کمتری نسبت به مدل شورون وجود دارد و عمق شیارها دقیقا بزابز با فاصله صفحات خواهد بود(به دلیل مشابه بودن صفحات ،فاصله تمام قسمت ها با هم برابر است)اما در مدل شورون (شکل ۱۶-۲) به دلیل عکس بودن صفحات نسبت به یکدیگر دقیقا عکس این نکته را مشاهده خواهیم نمود.

در مدل شورون زاویه ای که از تقاطع خطوط پرس شده روی صفحه پدید می آید نقش بسیار مهمی در ایجاد آشفتگی بر عهداه دارد.در این مدل صفحات مشابه به هم پرس شده اما به صورت عکس هم نصب می گردند.در شکل ۱۷-۲ چگونگی قرارگیری صفحات نسبت به هم نمایش داده شده است.با این حربه زمینه ایجاد پیچش را در جربان فراهم نموده ایم و باعث ایجاد آشفتگی بیشتر و بهتری می شویم.

شکل )‏۲ (۱۲- چگونگی قرارگیری صفحات نسبت به هم

همچنین در این حالت فاصله  بین صفحات در نقاط مختلف متغیر بوده و با توجه به عمق شیارهای ایجاد شده حتی ممکن است از فاصله اسمی صفحات نیز بیشتر گردد.به همین علت ، تغییرات سرعت و در حقیقت توزیع سرعت در نقاط مختلف صفحه بهبود یافته که خود باعث افزایش آشفتگی جریان می گردد . مدل شورون مقاومت بیشتری را در مقابل جریان نسبت به مدل واشبورد از خود نشان می دهد.همچنین این مدل به خوردگی نیز به دلیل تنش های وارده در هنگام ساخت حساس تر خواهد بود . پس مجبوریم برای تحمل فشار بالاتر از فلزات مقاوم تری در ساخت صفحات با این مدل استفاده کنیم و بنابراین هزینه ساخت آن بالاتر می رود.با توجه به تمام موارد ذکر شده مثل ضریب انتقال حرارت و هزینه های ساخت صفحات و دیگر موارد،محاسبات اقتصادی انجام شده و شیار مناسب امنتخاب می شود.تجریه نشان داده است که معمولا مدل شورون مناسب تر خواهد بود

 جنس گسکت ها

کارایی(ایمنی و اطمینان پذیری از آب سیستم)یک مبدل صفحه ای قاب و ضفحه تا حد زیادی به گسکت های به کار رفته در آن بستگی دارد.گسکت ها معمولا قطعات الاستومتری هستند و جنس آن ها با توجه به سازگاری سیال و دما و فشار عملیاتی ، انتخاب می شود.گسکت ها در شیارهایی که در محیط پیرامونی صفحات طراحی شده است قرار می گیرند.هدف این شیارها افزایش سطح تماس صفحه و گسکت است.در قدیم گسکت ها به سطح صفحات با چسب هایی چسبانده می شدند،اما با پیشرفت تکنولوژی ساخت موارد الاستومتر،امروزه سازندگان این مبدل ها از گسکت های فاقد چسب استفاده می کنند.علاوه بر شرایط عملیاتی ، قابلیت فشرده شدن گسکت برای مقاومت در مقابل فشار و استرس وارد شده از طرف جریان سیال بسیار مهم است.در جدول ۵-۲ کاربردهای متدوال انواع اصلی گسکت ها و شرایط دمایی قابل قبول آن ها آمده است.

جدول( ‏۲ (۴-مشخصات مواد متداول به کار رفته در گسکت ها و محدودیت های دمایی و کاربردهای آن ها  

به طور کلی ، قیمت مواد گسکت ها،متناسب با محدودیت های دما ، فشار و مقاومت در مقابل خوردگی آن ها می باشد.به طور معمول گسکت ها حداقل برای یکسال ،در صورتیکه در حداکثر دمای مجاز قید شده در جدول کار کنند،قابل استفاده هستند،اما عمر آن ها با ضریب ۲ به ازای هر ۱۰ درجه کاهش دمای عملیاتی از حداکثر دمای قابل قبول گسکت ، افزایش می یابد.

لازم به ذکر است که امروزه سازندگان از برخی گسکت ها که دارای شرایط قابل قبول دمایی و فشاری بهتری هستند استفاده می کنند.در این گسکت ها به جای بهبود خواص گسکت با اضافه کردن گوگرد،از پراکساید استفاده شده است.

۲-۱۲- بازرسی و تعمیر

از خصوصیات صفحات این مبدل ها سهولت در باز و بسته کردن مبدل حرارتی است.در هر باز و بسته کردن ، می توان تمام رسوب ها را تمیز نمود که این مزیت برای سیالات رسوب گذار بسیار حائز اهمیت است.همچنین می توان تمامی قطعات را بازرسی کرد و در صورت لزوم هر قطعه و یا صفحه ای را تعویض نمود.از مشخصات بارز مبدل های صفحه ای اینست که در صورت لزوم می توان میزان حرارت تبادل شده با سیال را به میزان مورد نظر تغییر داد.چون می توان به راحتی تعدادی صفحه را از مبدل کم کرد و یا تعدادی صفحه به آن اضافه کرد.همچنین با تغییر ترتیب گذرها می توان در میزان حرارت منتقله تغییر ایجاد نمود.

۲-۱۳-  چیدمان و توزیع جریان

یکی از مزایای مبدل های صفحه ای ، انعطاف پذیری آنها در ایجاد چیدمان های گوناگون جریان های سیال است.این انعطاف پذیری با فاکتورهای مختلفی مانند جهت جریان ، عداد گذرها ، تعداد عبور در هر گذر ، توزیع جریان در کانال ها و ورود و خروج بدست می آید.مسیری را که سیال برای انتقال در طول دستگاه (از بالای یک صفحه به پایین یک صفحه یا بالعکس) طی می کند ، یک گذر می نامند. در یک مبدل صفحه ای با تغییرات مسیر جریان انواع الگوهای جریان می تواند وجود داشته باشد که به آن ها اشاره می شود.

۲-۱۴-  جهت جریان

هنگامی که سیال ها در دو طرف یک صفحه در یک جهت جریان دارند، جریان را موازی و وقتی که جهت حرکت سیال ها مخالف هم است،جریان را متقابل می گویند. معمولا جریان متقابل به خاطر کارایی حرارتی بالاتر ترجیح داده می شود.جریان موازی در شرایط خاص که محدودیت هایی مانع چیدمان متقابل می شود، استفاده می گردد.

۲-۱۵-  گذر

یک چیدمان تک گذر هنگامی به وجود می آید که تمامی جریان های سیال در کاکانال ها در یک جهت باشند.هنگامی که از یک صفحه با کمتر از ۴ سوراخ برای تغییر مسیر جریان در بخشی از مبدل استفاده می کنیم چیدمان دو گذر خواهد بود. در صورت استفاده از ۲ صفحه با سوراخ های کور شده ، چیدمان سه گذر می شود و به همین ترتیب تعداد گذرها را می توان افزایش داد.افزایش تعداد گذرها باعث می شود که سیال عملیات انتقال را در زمان و مسیر بیشتر طی کند.دو سیال موجود در یک مبدل صفحه ای می توانند تعداد گذرهای مساوی یا نامساوی داشته باشند . عموما چیدمان با چند گذر هنگامی که به مقادیر NTU ، بالاتر از مقداری که با یک گذر به دست می آید ، مورد نیاز است ، استفاده می شود.هنگامی که نسبت میزان جریان ها تفاوت زیادی دارد، ویا دلیل خاصی برای کم کردن افت فشار در یک جریان وجود دارد ، گذرهای نامساوی با تعداد گذر کمتر برای سیال با افت فشار کمتر، کاربرد دارد . علاوه برافت فشار بیشتر ، از معایب چیدمان چند گذره نسبت به چیدمان تک گذر ، کارایی پایین تر به علت موازی شدن جریان ها حداقل برای دو صفحه مجاور است ، که در چیدمان های چند گذر اجتناب ناپذیر است.

۲-۱۶-  تعداد مسیرهای عبور در هر گذر

تعداد کانال هایی که در هر گذر، سیال در آن جریان دارد تعداد عبور هر گذر گفته می شود. به عنوان مثال در شکل ۱۹-۲-c تعداد عبور در هر گذر برای هردوسیال ۴ است.این تعداد با توجه به سرعت سیال در کانال های جریان انتخاب می شود.سرعت های بسیار بالا منجر به ناپایداری سیال و سرعت های بسیار پایین موجب انتقال حرارت پایین و افزایش انتقال رسوب گرفتگی می شود. لذا تعداد عبور در هر گذر با توجه به سرعت سیال و سطح انتقال حرارت مورد نیاز انتخاب می شود.

۲-۱۷-  توزیع سیال در مبدل

در مبدل های صفحه ای دو نوع اصلی توزیع سیال در مبدل که اصطلاحا چیدمان U شکل و Z شکل گفته می شوند وجود دارد. این چیدمان در شکل ۱۹-۲-b نشان داده شده اند. با توجه به اینکه در چیدمان U شکل ، اتصالات ورودی و خروجی تنها در یک طرف (سمت قاب مبدل) وجود دارد ، در این چیدمان تنها امکان استفاده از یک گذر وجود دارد.

۲-۱۸-  توزیع درون کانال ها

از آنجا که قطر ورودی های هر صفحه از عرض محدوده انتقال حرارت کمتر است،چگونگی توزیع سیال در درون هر کانال اهمیت پیدا می کند. ورودی ها می توانند به صورت مورب (ورود و خروج در دو سمت مخالف صفحه باشند) و یا عمودی (ورودی و خروجی در یک صفحه) تنظیم شوند. این دو نوع توزیع جریان در کانال عا در شکل ۲۰-۲ نشان داده شده است.توزیع دما بر روی صفحات نیز در این شکل مشخص شده است.

شکل )‏۲ (۱۳- چیدمان گذرها در مبدل های صفحه ای a) چیدمان بصورت سری b) چیدمان بصورت یک گذر U شکل و Z شکل c)چند گذر با عبورهای مساوی d)چند گذر با عبورهای نامساوی

۲-۱۹- تقسیم بندی چیدمان گذرها

بر پایه چیدمان گسکت ها ، ترکیب های مختلفی از انواع گذرها برای عبور سیالات در مبدل های صفحه ای ممکن است.

الف – جریان به صورت سری که تمامی جریان از هر صفحه عبور می کند و پس از هر عبور تغییر جهت می دهد. این چیدمان در جریان های سیال با مقادیر کم اقتصادی است و به ندرت استفاده می شود.

ب – چیدمان حلقه ای که جریان ها به چند زیر جریان تقسیم شده ، و بیش از خروج از مبدل دوباره با هم ترکیب می شوند.

ج – چیدمان های پیچیده که از ترکیب چیدمان سری و حلقه ای بوجود می آیند.

این چیدمان در شکل ۲۰-۲ نشان داده شده اند.

شکل )‏۲ (۱۴- توزیع دما و جریان در کانال ها

۲-۱۹-۱-    کاربردهای مبدل های صفحه ای

ساختار مبدل های حرارتی صفحه ای به گونه ای است که این مبدل ها برای کاربردهای مایع – مایع و در جریان متلاطم مناسب هیتند.اگرچه جریانی که در مبدل پوسته و لوله به صورت آرام است،احتمالا در مبدل صفحه ای دارای جریان متلاطم خواهد بود. تا چندی پیش به خاطر شرایط عملیاتی محدود مبدل های صفحه ای ، کاربرد آن ها عمدتا به صنایع غذایی و نوشیدنی محدود می گردید. امروزه با پیشرفت فن آوری های ساخت ، کاربرد آن ها عمدتا به صنایع غذایی و نوشیدنی محدود می گردید. امروزه با پیشرفت فن آوری های ساخت ، کاربرد آن ها به این طیف خاص از صنایع محدود نبوده و هرکجا که نیاز به استفاده از مزایای این نوع از مبدل ها باشد ، از آن ها استفاده می گردد. صنایع تهویه مطبوع ، صنایع غذایی ، دارویی و بهداشتی ، صننایع نفتی و شیمیایی ، نیروگاه ها ، تاسیسات دریایی نفت و گاز ، کشتی ها و صنایع چوب  و کاغذ نمونه از موارد مورد استفاده از مبدل های صفحه ای است. از میان صنایع فوث ، کاربرد در تاسیسات دریایی و صنایع شیمیایی و همچنین مواردی که استفاده از مبدل های صفحه ای مناسب نیست ، بررسی میشود.

۲-۱۹-۲-   مواردی که استفاده از مبدل های صفحه ای مناسب نیست

در برخی از موارد به شرح زیر استفاده از مبدل های صفحه ای مناسب نیست و پیشنهاد نمی شود.

الف – کاربردهای گاز- گاز

ب- سیالات ویسکوزیته بسیار بالا . به خصوص هنگام استفاده برای سرد کردن سیال ویسکوز ، ممکن است منجر به مشکلات توزیع جریان گردد. لذا برای سرعت های کمتر از ۰٫۱ m/s به علت ضریب انتقال حرارت پایین و کاهش راندامن از این مبدل ها استفاده نمی شود.

ج- این مبدل ها برای شرایطی که بخار در شرایط خلا ، مایع می شود مناسب نیستند.

۲-۱۹-۳-    کاربرد در تاسیسات دریایی نفت و گاز

صرفنظر از مکان سکوی دریایی تولید نفت و گاز و نوع چاه محصول استحصالی ، نیازهای گرمایشی و سرمایشی از ضروریات تاسیسات دریایی هستند. نیاز به تجهیزات انتقال حرارت ، به عوامل مختلفی مانند وجود تاسیسات افزایش فشار گاز و یا تصفیه نفت خام بر روی سکو وابسته است.محدودیت اصلی در انتخاب این تجهیزات ، مقاومت نسبت به شرایط خورنده محیط ، ابعاد کوچک و وزن کم می باشد. مبدل های صفحه ای علاوه بر نداشتن محدودیت های عملیاتی فوق ، توانایی تغییر ظرفیت حرارتی با توجه به تغییرات نیازهای حرارتی را دارندیکی از کابربرد های متداول مبدل های صفحه ای ، در تجهیزات افزایش فشار گاز بر روی سکوهای نفتی است.فشرده کردن گاز طبیعی یک فرآیند چند مرحله ای گرمازاست که لازم است حرارت تولید شده توسط مبدل هایی که با آب خنک کار می کنند ، در بین مراحل فشرده سازی دفع شود. این مبدل ها که با یک سیکل بسته آب خنک کار می کنند ، حرارت خود را از طریق یک مبدل صفحه ای از جنس تیتانیوم که با آب دریا خنک می شود ، از دست می دهند. شکل ۲۱-۲ نمای جریان فرآیند را برای فشرده سازی سه مرحله ای نشان می دهد.مبدل های صفحه ای همچنین در رطوبت زدایی از سیالات نفتی ، سرمایش سیستم های روانکاری و هیدرولیک، سیستم های تهویه مطبوع[۹] و … بر روی سکوهای دریایی کاربرد دارند.

شکل )‏۲ (۱۵- شمای کلی سیکل سیال خنک کننده در تجهیزات سکوی نفتی

۲-۲۰- پیشینه اجمالی بر تحقیق

مطالعات آزمایشگاهی نسبتاً زیاد و بررسی های عددی نسبتاً کمی برای پیش بینی رفتار هیدرولیکی حرارتی در کانالهای صفحات شورون انجام شده که تعدادی از آن ها در ادامه آمده است.

– بایرام کلیچ و همکارانش (Kılıç and İpek,2017) سرعت انتقال حرارت و اثربخشی در صفحات موج دار مبدل های حرارتی صفحه ای را در زوایایی شورون 𝞫=۳۰º , 𝞫=۶۰º را بصورت آزمایشگاهی بررسی کردند و مشاهده کردند که نرخ انتقال حرارت و اثر بخشی در مبدل های حرارتی صفحه ای برای زاویه شورون ۶۰ درجه بالاتر از دیگری است.

– فوک و همکارانش (Focke, et al.,1985) مطالعاتی بر روی اثر زوایای شورون صفحات مبدل و عملکرد هیدرولیک حرارتی انجام دادند. آن ها درآزمایش خود برای هفت زاویه متفاوت) ۰ ، ۳۰ ، ۴۵ ، ۶۰ ، ۷۲ ، ۸۰ ، ۹۰ درجه( در اعداد رینولدز بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰ مشاهده نمودند که تغییر زاویه شیارها بر ساختار جریان تاثیر می گذارد که این امر عامل اصلی اثرگذار بر ضریب انتقال حرارت جابجایی درون مبدل است.

– گوت و پینتو (Gut and Pinto,2004) به ارائه یک الگوریتم بهینه سازی برای طراحی مبدل حرارتی صفحه ای پرداختند و تابع هدف الگوریتم خود را دستیابی به حداقل افت فشار قرار دادند. آزمایشات نشان داد که روش غربالگری قادر به تعیین موفق مجموعه تنظیمات بهینه با تعداد بسیار کم ارزیابی های مبدل است.

– مانچین و همکاران (Mancin, et al.,2012) مطالعات را بصورت جزئی برای بخار سوپرهیت R410A , R407C در دمای ºK  15 در داخل دو نمونه از مبدل های حرارتی صفحه ای با ویژ گی های هندسی مختلف ، طراحی صفحات مختلف و نسبت ابعاد مختلف انجام دادند. نتایج تجربی، نشان داد ضریب انتقال حرارت با بالارفتن کیفیت بخار افزایش می یابد و با افزایش اختلاف دما کاهش می یابد.

– داویچ و همکارانش  (Dović, et al.,2009)پارامترهای جریان را در صفحات شورون مبدل های حرارتی صفحه ای از طریق تجربیات آزمون برای زوایای شورون 𝞫=۲۸ᵒ و 𝞫=۶۱ᵒ بررسی کردند.آزمایشات نشان داد که برای صفحه با 𝞫=۶۵ᵒ در عدد رینولدز Re<30 عدد ناسلت دچار کاهش ناگهانی می شود از آنجائیکه ضریب اصطکاک هنوز بطور قابل توجهی بالاتر از 𝞫=۲۸ᵒ می باشد بهتر است برایجریان هایی با عدد رینولدز خیلی کم از صفحات با زاویه کم تر استفاده شود.

– گراسیم و همکاران (Gherasim, et al.,2011) بررسی های آزمایشگاهی را برای میدان های حرارتی و هیدرودینامیکی در دو کانال شورون مبدل حرارتی صفحه ای برای شرایط آرام و آشفته بررسی کردند و فاکتور اصطکاک و عدد ناسلت را برای تعدادی از اعداد رینولدز در شرایط آرام و آشفته بدست آوردند ومشاهده کردند ارتفاع و طول موج های مربوط به زوایای شورون بشدت برروی عدد ناسلت و ضریب اصطکاک تاثیرگذار می باشد.

– دارموس و همکاران (Durmuş, et al.,2009) بصورت آزمایشگاهی اثرات مشخصات هندسی سطح را در سه مبدل حرارتی مختلف بر روی انتقال حرارت ، ضریب اصطکاک و کاهش اگزرژی بررسی کردند ونشان دادند موج دار کردن صفحات سبب افزایش انتقال حرات و افزایش افت فشار می شود و بنابراین برای ایجاد یک مبدل بهینه می بایست بین افزایش انتقال حرارت و افت فشار یک تعادل بهینه ایجاد نمود تا بیشترین راندمان را داشته باشیم.

– در زمینه آزمایشگاهی ، مولی و همکارانش (Muley and Manglik,1999) به بررسی افت فشار و انتقال حرارت در یک مبدل صفحه ای با صفحات شورون برای سیال آب پرداختند.آن ها زوایای شورون ۳۰ ، ۴۵ ، ۶۰ درجه را برای رینولدزهای ۶۰۰ تا ۱۰۰۰۰ مورد مطالعه قرار دادند و روابطی را برای پیش بینی ضریب اصطکاک و عدد ناسلت بدست آوردند.ومشاهده کردند در این محدوده ی رینولدزی با افزایش زاویه شورون انتقال حرارت افزایش می یابد.

– گوت و همکارانش (Gut, et al.,2004) روش ارزیابی پارامتری برای مبدل های حرارتی صفحه ای که با اطلاعات آزمایشگاهی سروکار دارند را ارائه کردند در این آزمایش یک مبدل حرارتی صفحه ای FT-43 با صفحات مسطح مورد آزمایش قرار گرفت و مشاهده گردید که همبستگی انتقال حرارت بدست آمده از مبدل های صفحه ای بطور زیادی با نتایج تجربی بدست آمده از الگوی جریان ارتباط دارد.

– سلباس و همکارانش (Selbaş, et al.,2009) از روشی جایگزین برای آنالیز انتقال حرارت در مبدل های حرارتی صفحه ای استفاده کردند.به منظور مشاهده ی میزان انتقال حرارت و مقدار اثربخشی در مبدل های حرارتی صفحه ای شبکه عصبی بعنوان الگو مورد استفاده قرار گرفت و نتیجه ایجاد فورمولاسیون جدیدی برای مشخص کردن نرخ انتقال حرارت و اثربخشی ارائه بود.

همان طور که در بالا مشاهده شد ، مطالعات تجربی بر روی نفوذ انتقال حرارت بر روی صفحات شورون مبدل های حرارتی صفحه ای بسیار زیاد می باشند.

دینامیک سیالات محاسباتی نقشی کلیدی در ارزیابی هیدرولیکی و حرارتی الگوهای جدید برای تولید صفحات با کارایی بالا بر عهده دارند.

ازسوی دیگر، روش های عددی حل جریان و انتقال حرارت با کاهش زمان چرخه طراحی و بهینه سازی صفحات جدید می تواند منجر به کاهش قابل توجه هزینه گردد. به همین دلیل، در سال های اخیر محققین زیادی به مطالعه جریان در مبدل حرارتی صفحه ای با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی روی آورد ه اند.(Fernandes, et al.,2007)

به علت این که با راه حل های عددی می توان جزئیات میادین دما و جریان را ارائه کرد و هم چنین میتوان درک بهتری از فرآیند انتقال حرارت واندازه ی حرکت به دست آورد؛ لذا در سالهای اخیر شبیه سازی عددی حرکت سیال و انتقال حرارت در اینگونه مبدل ها بیش تر مورد نظر واقع گردیده است.

از آن جمله

– افونسو و همکارانش (Afonso, et al.,2008) یک بررسی عددی را برای بدست آوردن ارتباط بین ضریب انتقال حرارت جابجایی مربوط به سیال ماست را در حالت درهم را در داخل یک محفظه خنک کننده مبدل حرارتی صفحه ای انجام دادند این شبیه سازی ساده تر و سریع تر نشان داد که برای شرایط ویسکوزیته بالا و عدد رینولدز کم مناسب است.

– تسای و همکارانش (Tsai, et al.,2009) دو کانال یک مبدل را بوسیله نرم افزارفلوئنت (FLUENT 6.3.26 ) به صورت سه بعدی در سایز واقعی، مدل کردند و افت فشار و توزیع جریان را برای ۶۰۰ <Re <1700 بررسی نمودند و به این نتیجه رسیدند که مدلسازی عددی آن ها با نتایج آزمایشگاهی اختلافی کمی را دارد.

– ژانگ و همکارانش (Zhang, et al.,2006) کانال هایی با صفحات شورون با زوایای ۳۰ ، ۴۰ و ۶۰ درجه را بصورت سه بعدی برای بررسی توزیع جریان مدل کردند و به این نتیجه رسیدند که تغییر زاویه شورون سبب تغییر الگوی جریان می گردد.

فهرست منابع غیر فارسی

[۱] Sundén, B. and Manglik, R. M.,”Plate heat exchangers: design, applications and performance”,Journal,2007, Article

[۲] Kanaris, A. G., Mouza, A. A.., and Paras, S. V.,”Flow and heat transfer prediction in a corrugated plate heat exchanger using a CFD code”,Chemical engineering & technology,2006,923-930

[۳] Wang, Y., Dong, Q.., and Liu, M.,”Characteristics of Fluid flow and heat transfer in Shellside of Heat Exchangers with Longitudinal Flow of Shellside Fluid with Different Supporting structures”,Challenges of Power Engineering and Environment,2007,474-479

[۴] Grijspeerdt, K., Hazarika, B.., and Vucinic, D.,”Application of computational fluid dynamics to model the hydrodynamics of plate heat exchangers for milk processing”,Journal of food engineering,2003,

[۵] Kılıç, B. and İpek, O.,”Experimental investigation of heat transfer and effectiveness in corrugated plate heat exchangers having different chevron angles”,Heat and Mass Transfer,2017,725-731

[۶] Focke, W., Zachariades, J.., and Olivier, I.,”The effect of the corrugation inclination angle on the thermohydraulic performance of plate heat exchangers”,International Journal of Heat and Mass Transfer,1985,1469-1479

[۷] Gut, J. A. and Pinto, J. M.,”Optimal configuration design for plate heat exchangers“,International Journal of Heat and Mass Transfer,2004,4833-4848

[۸] Mancin, S., Del Col, D.., and Rossetto, L.,”Condensation of superheated vapour of R410A and R407C inside plate heat exchangers: Experimental results and simulation procedure”,International Journal of Refrigeration,2012,2003-2013

[۹] Dović, D., Palm, B.., and Švaić, S.,”Generalized correlations for predicting heat transfer and pressure drop in plate heat exchanger channels of arbitrary geometry”,International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,4553-4563

[۱۰]   Gherasim, I., Taws, M., Galanis, N.., and Nguyen, C. T.,”Heat transfer and fluid flow in a plate heat exchanger part I. Experimental investigation”,International Journal of Thermal Sciences,2011,1492-1498

[۱۱]   Durmuş, A., Benli, H., Kurtbaş, İ.., and Gül, H.,”Investigation of heat transfer and pressure drop in plate heat exchangers having different surface profiles”,International journal of heat and mass transfer,2009,1451-1457

[۱۲]   Muley, A. and Manglik, R.,”Experimental study of turbulent flow heat transfer and pressure drop in a plate heat exchanger with chevron plates”,Journal of heat transfer,1999,110-117

[۱۳]   Gut, J. A., Fernandes, R., Pinto, J. M.., and Tadini, C. C.,”Thermal model validation of plate heat exchangers with generalized configurations”,Chemical Engineering Science,2004,4591-4600

[۱۴]   Selbaş, R., Şencan, A.., and Kılıç, B.,”Alternative approach in thermal analysis of plate heat exchanger”,Heat and Mass Transfer,2009,323-329

[۱۵]   Fernandes, C. S., Dias, R. P., Nóbrega, J. M.., and Maia, J. M.,”Laminar flow in chevron-type plate heat exchangers: CFD analysis of tortuosity, shape factor and friction factor”,Chemical Engineering and Processing: Process Intensification,2007,825-833

[۱۶]   Afonso, I. M., Cruz, P., Maia, J. M.., and Melo, L. F.,”Simplified numerical simulation to obtain heat transfer correlations for stirred yoghurt in a plate heat exchanger”,food and bioproducts processing,2008,296-303

[۱۷]   Tsai, Y.-C., Liu, F.-B.., and Shen, P.-T.,”Investigations of the pressure drop and flow distribution in a chevron-type plate heat exchanger”,International communications in heat and mass transfer,2009,574-578

[۱۸]   Zhang, G.-m., Tian, M.-c.., and Zhou, S.-j.,”Simulation and analysis of flow pattern in cross-corrugated plate heat exchangers”,Journal of Hydrodynamics, Ser. B,2006,547-551

[۱۹]   Han, X.-H., Cui, L.-Q., Chen, S.-J., Chen, G.-M.., and Wang, Q.,”A numerical and experimental study of chevron, corrugated-plate heat exchangers”,International Communications in Heat and Mass Transfer,2010,1008-1014

 [20]- Nimmagadda, R., Venkatasubbaiah, K., Conjugate heat transfer analysis of micro-channel using novel hybrid nanofluids (Al2O3– Ag/Water), European Journal of Mechanics B/Fluids, Vol. 52, pp. 19-27, 2015.

[۲۱]- Mohammed, H.A., Gunnasegaran, P., Shuaib, N.H., Heat transfer in rectangular microchannels heat sink using nanofluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 37, pp. 1496-1503, 2010.

[۲۲]- Lelea, D., The performance evaluation of Al2O3/water nanofluid flow and heat transferin microchannel heat sink, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 54, pp. 3891-3899, 2011.

[۲۳]- Hung, T.C., Yan, W.M., Wang, X.D., Chang, C.Y., Heat transfer enhancement in microchannel heat sinks using nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, pp. 2559-2570, 2012.

[۲۴]- Mital, M., Analytical analysis of heat transfer and pumping power of laminar nanofluid developing flow in microchannels, Applied Thermal Engineering, Vol. 50, pp. 429-436, 2013.

[۲۵]- Ramiar, A., Ranjbar, A.A., Hosseinizadeh, S.F., Effect of Axial Conduction and Variable Properties on Two-Dimensional Conjugate Heat Transfer of Al2O3-EG/Water Mixture Nanofluid in Microchannel, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 5, pp. 79-87, 2012.

[۲۶]- Kalteh, M., Abbassi, A., Saffar-Avval, M., Frijns, A., Darhuber, A., Harting, J., Experimental and numerical investigation of nanofluid forced convection inside a wide microchannel heat sink, Applied Thermal Engineering, Vol. 36, pp. 260-268, 2012.

[۲۷]- Salman, B.H., Mohammed, H.A., Kherbeet, A.SH., Heat transfer enhancement of nanofluids flow in microtube with constant heat flux, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 39, pp. 1195-1204, 2012.

[۲۸]- Ramiar, A., Ranjbar, A.A., Two-Dimensional Variable Property Conjugate Heat Transfer Simulation of Nanofluids in Microchannels, Journal of Nanoscience, 2013.

[۲۹]- Nimmagadda, R., Venkatasubbaiah, K., Conjugate heat transfer analysis of micro-channel using novel hybrid nanofluids (Al2O3– Ag/Water), European Journal of Mechanics B/Fluids, Vol. 52, pp. 19-27, 2015.

[۳۰]- Mohammed, H.A., Gunnasegaran, P., Shuaib, N.H., Heat transfer in rectangular microchannels heat sink using nanofluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 37, pp. 1496-1503, 2010.

[۳۱]- Lelea, D., The performance evaluation of Al2O3/water nanofluid flow and heat transferin microchannel heat sink, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 54, pp. 3891-3899, 2011.

[۳۲]- Hung, T.C., Yan, W.M., Wang, X.D., Chang, C.Y., Heat transfer enhancement in microchannel heat sinks using nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, pp. 2559-2570, 2012.

[۳۳]- Mital, M., Analytical analysis of heat transfer and pumping power of laminar nanofluid developing flow in microchannels, Applied Thermal Engineering, Vol. 50, pp. 429-436, 2013.


[۱] . Albrecht Derake

[۲].Dr. Richard Seligman

[۳] Brazed Plate Heat Exchangers

[۴] .The Bavex Hybrid Welded Plate Heat Exchanger

[۵] .The Platular Welded Plate Heat Exchanger

[۶]. The Compabloc Welded Plate Heat Exchanger

[۷] Spiral Heat Exchangers

[۸] Corrugation

[۹] Heating Ventilating and Air Conditioning(HVAC)












 

برچسبها
مطالب مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

بهتر است دیدگاه شما در ارتباط با همین مطلب باشد.

0