طراحی مبدل های حرارتی Aspen B-JAC به همراه آموزش نرم افزار

مهندس یار

مولف علی مصطفی زاده ابوالمعالی

شرکت مهندسی سینوس 90 درجه تحت نظارت و سرپرستی: مهندس یاسر جعفری جوزانی

سخنی با خوانندگان

تمامی در دانش مرزهای همه جانبه ی توسعه ی تکاپوی در به سرعت و بی وقفه 21 قرن بشر حوزه هاست و در این مسیر از تالش باز نمی ایستد؛ چرا که اثرگذارترین ابزار برتری جویی در فضای رقابتی امروز را دست یابی به فناوری های پیشرفته، علوم نوین و گسترش صنایع پیشرفته، کارآمد و منحصربه فرد یافته است. براساس چنین نگرشی است که رشد سریع علوم و فنون کاربردی در

گستره ی عظیمی از زمینه های تحقیقاتی در دستورکار بازی گردانان نظام جهانی قرار گرفته است.در شرایط ویژه و پیچیده ای که کشور ما با آن روبه روست، گام برداشتن در مسیر پیشرفت بین المللی منوط تاثیرگذار در عرصه ی نیز کسب جایگاه درخور و و رشد و توسعه ی داخلی و پیشرفت ارتقای شاخص های با هدف پژوهشی و علمی توسعه ی به نسبت دید کالن اصالح به و توسعه ی کشور است و این جز با حمایت ویژه و مستمر از بخش های دانشگاهی و پژوهشی

امکان پذیر نخواهد بود. انتشارات دانشگاهی کیان، به عنوان یکی از بسترهای مستعد تحقق بومی سازی فناوری های پیشرفته )High Technology( قصد دارد با استفاده از همت بلند متخصصان صنعتی و دانشگاهی کشور و با استفاده از تجارب خود در زمینه چاپ و نشر بیش از سیصد عنوان کتاب های فنی و

مهندسی، بخشی هرچند کوچک از این وظیفه ی خطیر را به انجام برساند.و پژوهشگران اساتید، دانشجویان، دسترسی هدف با مهندس یار، کتاب های مجموعه نگاه ویژه ای تدوین با دنیا در حوزه ی فنی و مهندسی به دانش فنی و تخصص روز عالقمندان شده است. در این آثار سعی شده است تا تجارب و دستاوردهای علمی و پژوهشی مولفان به نام و فرهیخته ی کشور، به شیوه ای آموزشی و استاندارد و با باالترین کیفیت فنی و محتوایی، به مخاطبان عالقمند انتقال یابد. این مجموعه ، گستر ه ی وسیعی از علوم فنی و مهندسی را دربر می گیرد و تالش بر آن است تا در آینده ی نزدیک در سایه ی الطاف الهی و با تکیه بر دانش و تخصص بومی، عناوین

کاملی از کتاب های کاربردی و ارزشمند در این مجموعه پوشش داده شود.انتشارات دانشگاهی کیان در این مسیر دست یکایک اساتید و پژوهشگران حوزه ی فنی و مهندسی را به گرمی می فشارد و از پیشنهادهای ارزنده ی تالیف و ترجمه در این چارچوب استقبال می کند و از مخاطبان این مجموعه خواهشمند است نقدها و نظرهای سازنده ی خود را از طریق

پل های ارتباطی موجود در جهت ارتقای محتوایی و کیفی آثار مطرح نمایند.

نشر دانشگاهی کیان www.kianpub.com info@kianpub.com

مقدمه مولف

بی شک مبدل های حرارتی اجزای جدایی ناپذیر و پرکاربرد صنعت هستند. این تجهیزات به طور گسترده در از بسیاری و فرایندهای شیمیایی گاز، و نفت الکترونیک، خودرو، غذایی، تهویه ی مطبوع، صنایع صنایع صنایع دیگر استفاده می شوند. فرایند کلی که در مبدل ها رخ می دهد، انتقال حرارت از سیال با دمای بزرگ تر به سیالی با دمای کوچک تر است، ولی همین مفهوم ساده موجب پدید آمدن انواع فراوانی از مبدل ها شده که برای نمونه می توان از مبدل های دولوله ای، لوله پوسته، سرمایش با هوا، لوله مارپیچی، صفحه ای، چگالنده،

تبخیرکننده و برج های خنک کننده یاد کرد.آنچه در این کتاب به آن پرداخته شده است بیان انواع مبدل ها، اصطالحات به کار برده شده و مفاهیم اصلی برای طراحی و بررسی آنهاست؛ البته به جهت رعایت سرفصل های دانشگاهی، محدوده ی مبدل هایی که در این کتاب به صورت دقیق به آن پرداخته شده، مبدل هایی است که هر دو سیال سرد و گرم تک فاز بوده و در طول حرکت در مبدل دچار تغییر فاز نمی شوند. همچنین در فصل های دوم، سوم، چهارم، پنجم و هشتم در مجموع هفده مثال به همراه پاسخ تشریحی آورده شده است که در تمامی مثال ها سعی بر رعایت

دو اصل زیر بوده است:1. تکراری نبودن و نکته دار بودن مثال ها؛

2. حل دقیق و گام به گام مثال و ارایه ی توضیح دقیق در تمامی مراحل حل مساله.و در واقع، سعی شده است مثال ها به گونه ای باشند که چنانچه خواننده، متن آن فصل از کتاب را نخوانده باشد نیز بتواند متوجه نحوه ی حل مثال شود، به همین دلیل در روند حل مثال توضیح هایی نیز ارایه شده است. به این ترتیب کتاب حاضر می تواند راهنمای مناسبی برای آن دسته از مهندسان و دانشجویانی باشد که در

زمینه ی مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی فعالیت داشته و آشنایی قبلی مناسبی با مبدل ها ندارند.تحلیل و برای نرم افزارهای مختلفی انکار است. قابل امروز غیر دنیای نرم افزارها در صنعِت نقش طراحی مبدل ها وجود دارند که از معروف ترین آنها می توان به نرم افزار Aspen B-JAC اشاره کرد. در Aspen B-JAC که به ترتیب، به طراحی Teams از نرم افزار Hetran و فصل پایانی کتاب دو برنامه ی حرارتی و مکانیکی مبدل لوله پوسته مربوط هستند، آموزش داده شده و دو مثالی که در فصل ششم کتاب به

صورت دستی حل شدند، در فصل هشتم به کمک نرم افزار حل و پاسخ های آنها با هم مقایسه شده اند.امید است این کتاب بتواند نقش موثری در آموزش مفاهیم مبدل های حرارتی به دانشجویان مشتاق،

داشته باشد.در اینجا بر خود الزم می دانم از جناب دکتر حسین افشین، عضو هیات علمی دانشکده ی مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف، مدرس »طراحی مبدل های حرارتی« که ایده ی اصلی این کتاب پس از گذراندن این واحد درسی با

ایشان به وجود آمد، کمال تقدیر و تشکر را داشته باشم. علی مصطفی زاده ابوالمعالی

گسترش دانش در شاخه های مختلف جزو اولین اهداف کالن هر مجموعه دانش بنیان است که تحقق آن می تواند سهم به سزایی در پیشرفت و اعتالی هر کشور ایفا نماید. طی سال های گذشته در کشور عزیزمان ایران، سرعت پیشرفت علوم در شاخه های مختلف و به ویژه در رشته های فنی و مهندسی بسیار چشمگیر و مورد توجه بوده است. شاید به جرات بتوان گفت یکی از دالیل این موفقیت ها، تجلی روح خودباوری در میان جامعه علمی کشور است که به دلیل برقراری تحریم های مختلف از

سوی کشورهای خارجی است.جریان اقتصادی و سیاسی حاکم بر جهان به سمت و سویی است که به هیچ عنوان حاضر به پذیرش پیشرفت علمی و اقتصادی کشورهای مستقل نمی باشد. در این بین با عنایت خداوند متعال و همت جامعه علمی کشور عزیزمان ایران، شاهد پیشرفت های خیره کننده ای در شاخه های مختلف

صنعتی از جمله:فناوری صلح آمیز هسته ای؛ ½

هوا و فضا؛ ½ نفت، گاز و پتروشیمی؛ ½

داروسازی؛ ½ ارتباطات؛ ½

و سایر موارد هستیم. در باتجربه و نخبه مهندسان داشتن اختیار در با درجه 90 سینوس مهندسی شرکت دپارتمان های مختلف مهندسی، طی سال های گذشته سهمی هرچند کوچک در پیشرفت و اعتالی این مرز و بوم ایفا نموده است. این شرکت تا به حال پروژه های صنعتی مختلفی را در حوزه های متعدد صنعتی و تحقیقاتی با موفقیت به انجام رسانده است. بدنه اصلی شرکت، شامل معاونت فنی

مهندسی در 12 دپارتمان به شرح ذیل است:2. دپارتمان مهندسی مکانیک 1. دپارتمان مهندسی برق

4. دپارتمان مهندسی شیمی 3. دپارتمان مهندسی عمران 6. دپارتمان مهندسی هوافضا 5. دپارتمان مهندسی صنایع

8. دپارتمان مهندسی راه آهن 7. دپارتمان مهندسی کامپیوتر 10. دپارتمان مهندسی معماری 9. دپارتمان مهندسی نفت،گاز و پتروشیمی

12. دپارتمان مهندسی معدن 11. دپارتمان مهندسی خودرو

پیشگفتار شرکت سینوس

هر دپارتمان شامل چندین زیر گروه تخصصی است. برای آشنایی بیشتر و مشاهده پروژه های انجام شده در دپارتمان های مختلف می توانید به وب سایت رسمی شرکت مهندسی سینوس 90 درجه

به آدرس www.Sin90.ir مراجعه نمایید. »Aspen B-JAC کتاب حاض تحت عنوان »طراحی مبدل های حرارتی به همراه آموزش نرم افزار توسط دپارتمان مهندسی مکانیک، گروه تبدیل انرژی و طراحی کاربردی تهیه شده است. با توجه به کاربرد گسترده مبدل های حرارتی در پروژه های مختلف مهندسی از قبیل پروژه های نیروگاهی، پاالیشگاهی و موارد دیگر و با توجه به اهمیت و کارایی نرم افزار Aspen B-JAC در طراحی مبدل های حرارتی و همچنین کمبود منابع علمی مفید به زبان فارسی در این حیطه، واحد تحقیق و توسعه دپارتمان مهندسی مکانیک با برنامه ریزی مدون، تصمیم به انتشار این کتاب نمود. این کتاب حاصل تجربیات و سوابق تحقیقاتی و اجرایی جناب آقای مهندس مصطفی زاده می باشد. هدایت و نظارت راهبردی این کتاب توسط معاونت فنی مهندسی شرکت، جناب آقای مهندس یاسر جعفری جوزانی

صورت گرفته است.در پایان از همکاری خوب سرکار خانم مریم کیاء و طاهره قهرمانی که زحمات زیادی در آماده سازی این کتاب بر عهده داشتند؛ تشکر می گردد. همچنین از همکاری صمیمانه نشر دانشگاهی کیان، جناب آقایان علیرضا تجملی و پیمان عمرانی که در طول آماده سازی کتاب، در کنار تیم تدوین

و آماده سازی کتاب بوده اند، کمال تشکر و قدردانی صورت می پذیرد. با تشکر

واحد تحقیق و توسعهشرکت مهندسی سینوس 90 درجه

دعوت به همکاری

از کلیه دانشجویان و فارغ التحصیالن عالقه مند به همکاری در پروژه های صنعتی و تحقیقاتی و نیز تالیف و ترجمه کتاب های کاربردی در رشته های فنی و مهندسی )کلیه مقاطع تحصیلی( در سراسر ایران دعوت به عمل می آید تا با مراجعه به وب سایت رسمی شرکت مهندسی سینوس به آدرس www.Sin90.ir بخش دعوت به همکاری، نسبت به ثبت سوابق تحصیلی، پژوهشی

و کاری خود جهت همکاری با این شرکت، اقدام نمایند.

�وارر یاد ���و� ��

یخان��خا� ����ج

وي در طول حيات پر . در شهر كرمانشاه ديده به جهان گشود 1296مرحومه قمرتاج خانلرخاني در سال

ايشان در . هاي زياد در زندگي، هرگز دست از مقاومت و تالش نكشيدبركت خود با وجود مشكالت و سختي

هاي مختلف علمي و در زمينه رسان جوانان طول زندگي و حتي پس از وفات خود همواره مشوق و ياري

. به ديار باقي شتافت 1391ماه سال در اسفند مرحومه قمرتاج خانلرخاني. فرهنگي بوده است

»باد روحش شاد، يادش گرامي«

مرحومه قمرتاج خانلرخانی در سال 1296 در شهر کرمانشاه دیده به جهان گشود. وی در طول حیات پر

برکت خود با وجود مشکالت و سختی های زیاد در زندگی، هرگز دست از مقاومت و تالش نکشید. ایشان

در طول زندگی و حتی پس از وفات خود همواره مشوق و یاری رسان جوانان در زمینه های مختلف علمی

و فرهنگی بوده است. مرحومه قمرتاج خانلرخانی در اسفند ماه سال 1391 به دیار باقی شتافت.

»روحش شاد، یادش گرامی باد«

فصل صفر : پیش زمینه و جمع بندی مطالب0-1- مروری بر کتاب..................................................................................................................................................................... 11 15 ................................................................................................................................................................ DVD -2-0 همراه کتاب

فصل اول : معرفی انواع مبدل های حرارتی1-1- بهبوددهنده و بازیاب............................................................................................................................................................. 1819 ....................................................................................................................................................... 1-2- فرایندهای انتقال حرارت20 ................................................................................................................................................................... 1-3- هندسه ی ساخت 22 ................................................................................................................................................. 1-4- ساز و کارهای انتقال حرارت1-5- آرایش جریان......................................................................................................................................................................... 2324 ............................................................................................................................................................................. 1-6- تعداد مسیر25 ............................................................................................................................................................................. 1-7- تعداد سیال25 ...................................................................................................................................................................... 1-8- میزان فشردگی26 ........................................................................................................................... 1-9- مالحظات کلی در طراحی و ساخت مبدل

فصل دوم : روش های طراحی گرمایی مبدل های حرارتی2-1- انواع مسایل مبدل حرارتی.................................................................................................................................................... 2829 .................................................................................................. 2-2- معادالت اساسی برای تحلیل گرمایی مبدل های حرارتی34 ............................................................................................................. )LMTD( 2-3- روش اختالف دمای میانگین لگاریتمی44 ...................................................................................................................................................................... ε-NTU 2-4- روش2-5- دمای کالریک.......................................................................................................................................................................... 5355 ........................................................................................................................................... 2-6- روند طراحی مبدل های حرارتی

فصل سوم : روابط انتقال حرارت و افت فشار تک فازی در جریان داخلی3-1- جریان داخلی در مجراهای دایروی ................................................................................................................................... 59

3-2- جابه جایی اجباری در جریان آرام....................................................................................................................................... 65 71 .................................................................................................................................. 3-3- جابه جایی اجباری در جریان متالطم3-4- محاسبه ی افت فشار در جریان داخلی................................................................................................................................ 81 83 ............................................................................................................................... 3-5- توان مورد نیاز برای پمپ کردن سیال

فصل چهارم : مبدل حرارتی دو لوله ای4-1- معرفی، ویژگی ها، مزایا و معایب مبدل های دو لوله ای..................................................................................................... 87

4-2- طراحی مبدل دو لوله ای تک لوله بدون پره.......................................................................................................................... 90 4-3- مبدل های دو لوله ای سری-موازی...................................................................................................................................... 95

فهرست مطالب

طراحی مبدل های حرارتی 10

فصل پنجم : آشنایی با مبدل حرارتی لوله پوسته103 .................................................................................................................................................... 5-1- معرفی مبدل لوله پوسته5-2- استانداردهای طراحی و ساخت ....................................................................................................................................... 104

104 ................................................................................................................................... 5-3- اجزای اصلی مبدل های لوله پوسته116 ................................................................................................................................................................................ 5-4- دیوارک

5-5- طبقه بندی مبدل های لوله پوسته بر اساس ساخت........................................................................................................... 122 126 ................................................................................................................................. 5-6- صفحه ی برخورد )محافظ برخورد(128 ........................................................................................................................................................................... 5-7- صفحه لوله

129 .............................................................................................................................................. 5-8- اتصال لوله ها به صفحه لوله 131 ................................................................................................................................................................................... 5-9- لوله ها 132 .................................................................................................................................................................... 5-10- آرایش لوله ها

فصل ششم : طراحی مبدل حرارتی لوله پوسته6-1- پارامترهای اصلی در طراحی مبدل لوله پوسته.............................................................................................................. 135

139 ................................................................................................................. 6-2- ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت لوله 139 ......................................................................................................................................... 6-3- مدل ایده آل سیال سمت پوسته6-4- مدل تینکر برای سیال سمت پوسته.................................................................................................................................. 140 144 .......................................................................................... 6-5- محاسبه ی ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت پوسته 157 ........................................................................................................................ 6-6- طراحی و تعیین عملکرد مبدل لوله پوسته

فصل هفتم : آشنایی با مبدل سرمایش با هوا179 ............................................................................................................................................ 7-1- معرفی مبدل سرمایش با هوا7-2- استاندارد طراحی................................................................................................................................................................ 1807-3- مزایا و معایب مبدل سرمایش با هوا................................................................................................................................ 181183 ........................................................................................................................................... 7-4- جریان هوای دمشی و مکشی7-5- اجزای مبدل سرمایش با هوا............................................................................................................................................. 184184 ....................................................................................................................................... 7-6- دسته لوله و اجزای مرتبط با آن

194 ....................................................................................................................................................................... 7-7- سازه ی مبدل 195 ......................................................................................................................................................................................... 7-8- فن197 .......................................................................................................................................... 7-9- نویز در مبدل سرمایش با هوا

197 ........................................................................................................................................................ 7-10- روش های کنترل دما

Aspen B-JAC فصل هشتم : نرم افزار202 ............................................................................................................................................... Hetran 8-1- معرفی برنامه ی221 ................................................................................................................................................... Teams 8-2- معرفی برنامه ی

228 ............................................................................................................................Teams به Hetran 8-3- انتقال اطالعات از230 ....................................................................................................................................................... 8-4- یک مثال تعیین عملکرد8-5- یک مثال طراحی.................................................................................................................................................................. 247

259 ........................................................................................................................................................................................................... پیوست ها 272 ................................................................................................................................................................................................................. مراجع

بندي مطالب جمعزمینه و پیش

شـده اسـت تـا انجـام هاي اول تا هشتم کتـاب در این فصل مروري کلی بر مطالب بیان شده در فصل

.مطرح شود، آشنا گرددخواننده در همین ابتدا با آنچه قرار است

مروري بر کتاب -0-1

فصل اول -0-1-1

ها بیان بندي آن و سپس معیارهاي مختلف طبقه هدر فصل نخست کتاب ابتدا مبدل حرارتی تعریف شد

:شودمیها بیان بندي مبدل بر این اساس هشت معیار مختلف براي طبقه. گرددمی

بهبوددهنده و بازیاب؛.1

مستقیم؛ شامل تماس مستقیم و تماس غیرفرایندهاي انتقال .2

دار؛اي، سطوح پرهاي، صفحهي ساخت شامل لوله هندسه.3

نوع انتقال حرارت شامل تک فاز یا دوفازي؛.4

؛)قاطعتم( آرایش جریان شامل همسو، ناهمسو و عمود.5

تعداد گذر؛.6

تعداد سیال؛.7

.میزان فشردگی.8

فصل

صفر

هاي حرارتی طراحی مبدل12

هـایی بـراي هـر کـدام و مثال شودمیبندي به طور کامل توضیح داده هر کدام از معیارهاي طبقه

کـه شودمیها بیان در انتهاي فصل نخست مالحظات کلی در طراحی و ساخت مبدل. خواهد شدبیان

.گیردچنین در کاربردهاي عملی مد نظر قرار این نکات باید در سرتاسر کتاب و هم

دومفصل -0-1-2

مسایل مبـدل حرارتـی . گیردمیها مورد بررسی قرار در فصل دوم کتاب مبانی طراحی حرارتی مبدل

:شودمیبه دو دسته تقسیم

؛مسایل تعیین عملکرد.1

.مسایل طراحی.2

ي و پـس از آن معـادالت پایـه شـده بیـان در این فصـل هاي هر دو نوع مساله ها و تفاوت ویژگی

ضریب انتقـال ( Uپارامتر مهم . شودمیهاي جریان همسو و ناهمسو نوشته انتقال حرارت براي مبدل

بـراي تعیـین . گرددمیي آن بیان ي محاسبه و در ادامه نحوه شودمیها تعریف در مبدل) حرارت کلی

U در ادامـه . خواهند شـد عرفی و بررسی مفاهیم دیگري نظیر مقاومت گرمایی و ضریب رسوب نیز م

.شودمیهاي سوزنی و مستطیلی بیان نیز روابط انتقال حرارت براي پره

:به منظور تحلیل مسایل مبدل حرارتی پنج روش ابداع شده است

؛)����(روش اختالف دماي میانگین لگاریتمی .1

ε(انتقال هاي تعداد واحد -روش کارایی.2 − ؛)���

�روش .3 − ؛���

ψروش .4 − ؛�

��روش .5 − P�.

εو LMTDدر فصل دوم تنها به بررسی دو روش اصلی − ، زیـرا ایـن دو شـود میپرداخته ���

هـاي حرارتـی بـا در ادامه روند تحلیل مبدل. ها هستند تر از سایر روش تر و ساده روش شناخته شده

بـراي اسـتفاده در ایـن Fو ضریب تصحیح شدهبیان LMTDجریان عمودي و چندگذر توسط روش

بـراي ) 11-2(تـا ) 5-2(هـاي و نمودارهاي مربوط به ضریب تصحیح در شکل گرددمیروش معرفی

.شودمیهاي مبدل آورده انواع آرایش

ε، روش LMTDپس از معرفی روش − ي هـاي حرارتـی معرفـی و نحـوه در طراحـی مبـدل ���

.شودمیاستفاده از آن بیان

و روابط و نمودارهـاي مربـوط بـه ایـن دمـا، شودمیي فصل دوم دماي کالریک معرفی ر ادامهد

نظیر چگالی، لزجت، عدد پرانتل و سایر یي خواص هاي حرارتی براي محاسبه در مبدل. گردندمیبیان

ک هاي سرد و گـرم، از دمـاي کالریـ بهتر است به جاي استفاده از دماي میانگین حسابی سیال موارد

13 بندي مطالب جمع زمینه وپیش :صفرفصل

هـاي در انتهـاي فصـل دوم نیـز رونـد طراحـی مبـدل . استفاده گردد تا خطا در محاسبات کاهش یابد

ε و LMTDحرارتی در هر دو روش − به منظور تبیین بهتر مفاهیم ایـن فصـل، . خواهد شدبیان ���

.خواهد شدموع شش مثال نیز بیان و به صورت تشریحی پاسخ داده جدر م

فصل سوم -0-1-3

فاز پرداختـه شـده اسـت، بـه همـین دلیـل در هاي با جریان تک در این کتاب به معرفی و طراحی مبدل

. شـوند مـی فـاز داخلـی بیـان هـاي تـک فصل سوم کتاب روابط انتقال حرارت و افت فشار در جریـان

پوسته از نـوع جریـان داخلـی هسـتند و بـه منظـور اي و لوله هاي دولوله هاي موجود در مبدل جریان

، به همین دلیـل در وجود داشته باشدها باید با این نوع جریان آشنایی کامل طراحی و تحلیل این مبدل

هاي داخلی در مجراهاي دایروي معرفی و مفاهیم و روابط مورد نیاز جهـت ابتداي فصل سوم جریان

.بیان خواهد شدتحلیل این جریان

و پس از آن جریـان در مجراهـاي شوندمیی هاي آرام و متالطم بررس در این فصل انواع جریان

ي عـدد ناسـلت جریـان در در فصل سوم روابط متعددي جهت محاسبه. گردندمیحلقوي نیز معرفی

شرایط مختلف نظیر طول ورودي گرمایی، طول ورودي هیدرودینامیکی و حالت توسعه یافته معرفی

.خواهد شدضیح داده هاي فصل سوم تو ها در مثال ي کاربرد آن و نحوه شوندمی

فصل چهارم -0-1-4

هـاي اي یکـی از مبـدل لولـه مبدل دو. یابدمیاي اختصاص فصل چهارم کتاب به مبدل حرارتی دولوله

در ابتـداي . تـر اسـت پوسته سـاده کاربرد در صنایع مختلف است و طراحی آن نسبت به مبدل لولهپر

و در ادامـه رونـد طراحـی مبـدل شـود مـی ها، مزایا و معایب ایـن مبـدل معرفـی فصل چهارم ویژگی

مـوازي معرفـی -اي سـري هـاي دولولـه در ادامه نیز مبدل. شودمیاي بدون پره توضیح داده دولوله

:خواهد شدها بیان و سه روش به منظور تحلیل آن شوندمی

؛Sپارامتر .1

؛ضریب تصحیح.2

3.ε − ���.

.خواهد شداي توضیح داده روند طراحی یک مبدل دولوله 1-4در مثال

فصل پنجم -0-1-5

هاي پنجم و ششم کتاب پوسته، فصل ي مبدل حرارتی لوله با توجه به اهمیت فراوان و کاربرد گسترده

در فصل پنجم پس از معرفی این مبدل، استانداردهاي طراحـی . ه استاین نوع مبدل اختصاص یافتبه

هاي حرارتی طراحی مبدل14

بـر TEMAاسـتاندارد ،طور که اشاره خواهد شدهمان. گرفتخواهد و ساخت آن مورد بررسی قرار

ل پوسته شام هاي لوله در ادامه اجزاي اصلی مبدل. پوسته نظارت دارد هاي لوله ساخت و طراحی مبدل

سـایر اجـزاي ایـن مبـدل نظیـر . شـوند مـی ها و سـرهاي عقبـی معرفـی انواع سرهاي جلویی، پوسته

در انتهـاي فصـل نیـز . گردنـد مـی یل در این فصل بررسی صي برخورد نیز به تف ها و صفحه دیوارك

.خواهند شدپوسته بررسی ها در مبدل لوله انواع آرایش لوله

فصل ششم -0-1-6

ي پوسته در فصل پنجم، در فصل ششـم نحـوه پس از معرفی استانداردها و اجزاي مختلف مبدل لوله

پارامترهاي اساسی در طراحی این مبـدل شـامل نـوع . شودمیپوسته بیان طراحی مبدل حرارتی لوله

تعـداد ها، تعداد پوسته و مسـیرهاي آن، ها، آرایش لوله ساخت مبدل، تعیین سمت جریان، انتخاب لوله

.گیردمیها به طور دقیق مورد بررسی قرار ي میان آن لوله و مسیرهاي آن و نوع دیوارك و فاصله

شـود، مـی ها بیـان ي به دست آوردن ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت لوله در ادامه نحوه

جهـت هـاي متنـوعی مـدل . پوسته، جریان سمت پوسته است ي اصلی در طراحی مبدل لوله ولی مساله

:تحلیل جریان سمت پوسته وجود دارد که در فصل ششم به دو مدل اشاره شده است

؛آلی سیال سمت پوسته مدل ایده.1

.مدل تینکر.2

:شوندمیي ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت پوسته بیان در ادامه سه روش براي محاسبه

؛روش کرن.1

؛روش تابورك.2

.دالور -روش بل.3

پوسـته بیـان و هـر هاي لوله در انتهاي این فصل روند تحلیل مسایل تعیین عملکرد و طراحی مبدل

.خواهند شدکدام در قالب یک مثال به صورت شفاف توضیح داده

فصل هفتم -0-1-7

در فصـل هفـتم پـس از . هاي پرکاربرد در صنایع پتروشیمی، مبدل سرمایش با هواسـت یکی از مبدل

انواع دمشی و مکشـی . شودمیمعرفی این مبدل به استاندارهاي طراحی و مزایا و معایب آن پرداخته

معرفی و در ادامه نیز اجزاي این مبدل. گرددمیاین مبدل معرفی و سپس مزایا و معایب هر نوع بیان

هاي کنترل دما در مبدل سرمایش با هوا شامل ایجاد جریـان کنارگـذر، بـادگیر، و روش هبررسی شد

چنین روش کنترل دماي هـواي مبـدل هم. شوندمیهاي فن با گام متغیر، بیان کنترل سرعت فن و پره

.خواهند شدده در شرایط جوي بسیار سرد مانند استفاده از کویل و گردش مجدد هوا نیز توضیح دا

15 بندي مطالب جمع زمینه وپیش :صفرفصل

فصل هشتم -0-1-8

در بـین . هـاي حرارتـی اسـت افزارهاي طراحی مبـدل هدف از فصل هشتم کتاب آشنایی با یکی از نرم

مورد Aspen B-JACافزار نرمبه جهت سهولت کاربرد افزارهاي متعدد موجود براي طراحی مبدل، نرم

افزار جهت طراحی حرارتی و مکانیکی از این نرم Teamsو Hetranهاي و برنامه استفاده قرار می گیرد

هـاي تعیـین عملکـرد و طراحـی پس از آموزش هر دو برنامه، مثال. ندوشمیپوسته معرفی مبدل لوله

افزار نیز تحلیل و نتایج حاصل با نتایج به دست آمده در فصل ششـم مقایسـه فصل ششم توسط نرم

.خواهند شد

0-2- DVD همراه کتاب

شده است تا خواننده ضمن دسترسی آسان به منـابع شامل موارد زیر ارایه DVDکتاب یک همراهبه

:تر آماده کندتر و مطالعات تخصصیمورد استفاده در این کتاب، خود را براي درك بهتر و عمیق

؛Aspen B-JACافزار نرم.1

.هاي انتقال حرارت و مبدل حرارتی برخی مراجع و کتاب.2

تر از آن است که بتوان در قالب یک کتاب تمـامی مفـاهیم ها بسیار گسترده دنیاي مبدلبه هر حال

تواند براي گسترش دانش خـود در ایـن زمینـه، بـه مراجـع خواننده می. ها را آموزش داد و اصول آن

.مراجعه نمایداین قسمت موجود در

هاي حرارتی طراحی مبدل16

هاي حرارتی معرفی انواع مبدل

یعصـنا یمیایی،شـ هايفراینـد قـدرت، یـد تولگوناگون از جملـه یعدر صنا یمتنوع 1یحرارت يها مبدل

جهیـزات ، ت2مطبوع ي یهساخت، تهو یعحرارت، صنا یافتباز یست،ز یطمح یمهندس یک،الکترون یی،غذا

يمختصـر یحتوضـ ،کتـاب از فصـل یـن هـدف از ا . شـوند یی استفاده مـی فضا يو کاربردها یبرودت

.ستها آن يبند ها و طبقه مبدل ینانواع ا ي درباره

یـزان م ي،کـار یالانتقـال حـرارت، تعـداد سـ هايفراینـد بر اساس یحرارت يها مبدل یبه طور کل

در . شـوند یم يبند انتقال حرارت دسته ساز و کارو یانجر یشآرا ي،ساختار یاتخصوص ی،فشردگ

پوسـته و مبـدل ، لولـه اي دو لولـه يهـا مبـدل یطراحـ ي کتاب به طور خاص بـه نحـوه آتی هاي فصل

توسط و سرمایش با هوا پوسته لوله يها مبدل یسپس روش طراح. پرداخت یمخواهسرمایش با هوا

.یمپرداز یبه حل چند مثال مدر نهایت آموزش داده شده و Aspen B-JAC افزار نرم

هـاي کمـی وجـود مبـدل .حرارتی دستگاهی براي انتقال حرارت بین حداقل دو محـیط اسـت مبدل

هـا سـیاالت کـاري در بیشـتر مبـدل . دارند که در آنها سیاالت کاري در تماس مستقیم با هـم هسـتند

بنـدي معیارهاي زیـر طبقـه اساسبرها به طور کلی مبدل. شوندي جامدي از هم جدا می توسط جداره

.شوند می

1. Heat exchangers2. Air conditioning

فصل

1

:خوانید آنچه در این فصل می

هاي حرارتی؛ بندي مبدل طبقه

ها مالحظات کلی در طراحی مبدل.

هاي حرارتی طراحی مبدل18

؛2و بازیاب 1بهبوددهنده.1

؛مستقیم هاي انتقال شامل تماس مستقیم و تماس غیرفرایند.2

دار؛اي، سطوح پرهاي، صفحهي ساخت شامل لوله هندسه.3

نوع انتقال حرارت شامل تک فاز یا دوفازي؛.4

آرایش جریان شامل همسو، ناهمسو و عمود؛.5

؛3تعداد گذر.6

تعداد سیال؛.7

.میزان فشردگی.8

بهبوددهنده و بازیاب -1-1

نوع بهبوددهنـده انتقـال حـرارت در . شوندي کلی تقسیم می ها از نظر نوع ساختمان به دو دستهمبدل

در نـوع دیگـر . گیـرد مـی بین سیال سرد و گرم به طور پیوسته و از طریق یک سطح میـانی صـورت

انتقال حرارت بین سیال گرم و سرد به طور متنـاوب و بـا اسـتفاده از ها که به بازیاب معروفند،مبدل

هاي مسـیر داده انرژي خود را به دیوارهشود؛ به این شکل که سیال گرم، یک عامل خارجی انجام می

قسـمت ) 1-1(در شـکل . گیـرد هـا مـی و سپس سیال سرد با عبور از همان مسیر انرژي را از دیواره

گاهی نیز جسمی دوران کننده وجـود دارد کـه بـه طـور متنـاوب . شود این نوع بازیاب دیده می) الف(

شـود و انـرژي چرخیده و وارد سیال سرد مـی وارد سیال گرم شده و بعد از افزایش انرژي درونی،

بر این . شود مالحظه می) ب(قسمت ) 1-1(چنین موردي در شکل . کندذخیره شده در خود را آزاد می

هـاي هـاي بازیـاب در تـوربین از مبـدل . شـود بندي میمبنا، بازیاب به دو نوع دورانی و ساکن تقسیم

.شودهاي ذوب استیل استفاده میشیشه و کوره هاي ذوب آهن،گرمایش هوا در کورهگازي، پیش

1. Recuperator2. Regenerator3. Pass

19 هاي حرارتی معرفی انواع مبدل :فصل اول

بازیاب دورانی) ب بازیاب ساکن،) الف) 1-1(شکل

هاي انتقال حرارتفرایند -1-2

بندي تقسیم 2و غیرمستقیم 1هاي انتقال حرارت، به دو نوع تماس مستقیمفراینداساس ها بر بهبوددهنده

حرارت بین سیال سرد و گرم به دلیل تماس مستقیم دو سیال در نوع تماس مستقیم، انتقال . شوندمی

کن، آب از باالي برج اسپري شده و وقتی با جریان هاي خنکبراي نمونه، در برج. افتدبا هم، اتفاق می

در ایـن نـوع مبـدل، انتقـال حـرارت و جـرم همزمـان . شودمی کند، خنکهواي باالرونده برخورد می

ي غیرمستقیم عبـارت سه ویژگی اصلی این نوع مبدل در مقایسه با گونهدر مجموع .گیرد صورت می

:است از

قابلیت دستیابی به ضریب انتقال حرارت باال؛.1

ي ساخت کمتر؛هزینه.2

.نیازي از سطح واسط انتقال حرارت گیري به خاطر بیعدم مشکالت رسوب.3

طریـق یـک سـطح میـانی در نوع تماس غیرمستقیم، انتقال حرارت بـین سـیال سـرد و گـرم از

.در این حالت انتقال جرم وجود ندارد و سطح میانی اغلب از جنس فلز است. پذیردصورت می

ي تمـاس ، هر سه از نـوع مبـدل بهبوددهنـده سرمایش با هواپوسته و اي، لولههاي دولولهمبدل

یاب، خالصـه شـده ها بر اساس بهبوددهنده و باز بندي مبدل دسته) 2-1(در شکل . غیرمستقیم هستند

.است

1. Direct contact2. Indirect contact

هاي حرارتی طراحی مبدل20

هاي بازیاب و بهبوددهنده انواع مبدل) 2-1(شکل

.اي از مبدل تماس غیرمستقیماي نمونهمبدل دولوله) اي از مبدل تماس مستقیم، بکن نمونهبرج خنک) الف) 3-1(شکل

ي ساختهندسه -1-3

اي اي، صـفحه ي کلی لولـه غیرمستقیم اغلب براساس نوع ساختمان به سه دستههاي حرارتی تماس مبدل

.شونددار تقسیم میو پره

21 هاي حرارتی معرفی انواع مبدل :فصل اول

ايهاي حرارتی لوله مبدل -1-3-1

یک سـیال در داخـل لولـه و سـیال دیگـر در . شونداي ساخته می هاي استوانه ها از لولهاین نوع مبدل

تواند قطـر، طراح می. گیرد ي لوله صورت میطریق دیوارهبیرون لوله جریان دارد و انتقال حرارت از

ي زیـر تواند به سه دسـته این نوع مبدل می. ها را به دلخواه انتخاب کند تعداد، طول، گام و آرایش لوله

:تقسیم شود

اي؛مبدل حرارتی دولوله.1

پوسته؛ مبدل حرارتی لوله.2

.1مبدل حرارتی لوله مارپیچی.3

اي صفحه هاي حرارتی مبدل -1-3-2

گیرند و با توجه به شیارهاي موجـود در ایـن ها، صفحات نازك بر روي هم قرار می در این نوع مبدل

شـود ها خود به سـه دسـته تقسـیم مـی این مبدل. تواند از میان صفحات عبور کندصفحات، سیال می

:)4-1شکل (

؛2اي واشردار صفحه.1

؛3اي مارپیچ صفحه.2

.4برگی.3

دارحرارتی پرههاي مبدل -1-3-3

انتقال حرارت در گازهـا، گـاهی در سـمت سـیال گـازي، بـراي افـزایش ضریببه دلیل کوچک بودن

این نوع مبدل در حالتی که هر دو سـیال گـاز و یـا یـک . کنند ضریب انتقال حرارت از پره استفاده می

. مبدل سرمایش با هواست ،دار هاي پره ترین مبدل یکی از معروف. سیال گاز باشد، قابل استفاده است

:)5-1شکل ( ها عبارتند از به طور کلی دو نوع مرسوم این مبدل

؛5دار اي پره صفحه.1

.6دار اي پره لوله.2

1. Spiral tube2. Gasketed plate3. Spiral plate4. Lamella5. Plate-fin6. Tubular-fin

هاي حرارتی طراحی مبدل22

کارهاي انتقال حرارت و ساز -1-4

:بندي شوندهاي انتقال حرارت، به صورت زیر دسته کار و توانند بر اساس ساز هاي حرارتی می مبدل

فاز در هر دو سمت؛ جایی به صورت تک جابهانتقال حرارت .1

فاز؛جایی دو فاز و سمت دیگر جابه جایی تک یک سمت جابه.2

.جایی دو فاز هر دو سمت جابه.3

.پذیر است توجه شود که حالت دوفازي در شرایط تبخیر و میعان امکان

برگیمبدل ) اي مارپیچ، ج مبدل صفحه) اي واشردار، ب مبدل صفحه) الف) 4-1(شکل

23 هاي حرارتی معرفی انواع مبدل :فصل اول

دار اي پره مبدل لولهانواع ) دار، ب اي پره مبدل صفحه) الف) 5-1(شکل

آرایش جریان -1-5

بر ایـن . بندي بر اساس آرایش جریان استهاي حرارتی، دسته بندي مبدلترین انواع دستهیکی از مهم

:گیردبندي صورت میمبنا سه نوع تقسیم

؛1جریان همسو.1

؛2جریان ناهمسو.2

.3عمودجریان .3

در جریان همسو هر دو سیال از یک سمت وارد مبدل شده، در یک جهـت داخـل مبـدل حرکـت

در جریان ناهمسو، سیال سـرد و گـرم . شوندکنند و در نهایت با هم از سمت دیگر مبدل خارج میمی

کننـد و در نهایـت از دو از دو انتهاي مختلف مبدل وارد شده، در خالف جهت هم در مبدل حرکت مـی

در نوع جریان عمودي، جهت حرکت یک سـیال، عمـود بـر جهـت . شوند سمت متفاوت مبدل خارج می

.حرکت سیال دیگر است

1. Cocurrent flow2. Countercurrent flow3. Cross flow

هاي حرارتی طراحی مبدل24

ي انتخاب نوع آرایش جریان به میزان افت فشـار مجـاز، کـارایی مـورد نیـاز، بیشـینه و کمینـه

دیگـر بسـتگی کشی و معیارهـاي سرعت مجاز سیال، تنش حرارتی مجاز، حداکثر دما، مالحظات لوله

.دارد

به عنوان مثـال . رودکار میبه» نشدهمخلوط«و » شدهمخلوط«در جریان عمودي گاهی اصطالح

حرکت کند و در Yو هم در راستاي Xتواند در راستاي الف، جریان سیال یک، هم می) 6-1(در شکل

ود و بـه ایـن جریـان خواهـد بـ Xال تنهـا تـابعی از نتیجه، توزیـع دمـا در ایـن سـیال در حالـت ایـده

حرکـت کنـد و Xتواند در راستاي ب، جریان سیال یک، فقط می) 6-1(در شکل . گویند شده می مخلوط

خواهد بـود و بنـابراین بـه Yو هم تابع Xال هم تابع در نتیجه توزیع دما در این سیال، در حالت ایده

هـاي تواند ترکیبی از آرایـش مبدل میشایان ذکر است که گاهی یک . گویند نشده میآن جریان مخلوط

.همسو، ناهمسو و عمود را در بر بگیرد

نشده، مبدل جریان عمودي مخلوط) شده، ب مبدل جریان عمودي مخلوط) الف) 6-1(شکل

مبدل جریان ناهمسو) مبدل جریان همسو و د) ج

تعداد مسیر -1-6

براي مثال اگر سیال، . گویندمی» پاس«یا » گذر«، »مسیر«کند به دفعاتی که سیال طول مبدل را طی می

شـماتیکی از یـک ) 7-1(در شـکل . بار طول مبدل را طی کند به این معناست که داراي دوپاس استدو

در این شکل سیال داخل لوله چهار بار و سیال داخـل پوسـته . پوسته نشان داده شده است مبدل لوله

.گویند بنابراین به این مبدل چهارگذر در لوله و دوگذر در پوسته می کند؛ دوبار طول مبدل را طی می

25 هاي حرارتی معرفی انواع مبدل :فصل اول

پوسته با چهار گذر در لوله و دو گذر در پوسته مبدل لوله) 7-1(شکل

تعداد سیال -1-7

هـاي حرارتـی بـا کننـد و مبـدل حرارت را بین دو سیال مبادلـه مـی ،هاي حرارتی موجود بیشتر مبدل

بـه . شـوند هاي شیمیایی اسـتفاده مـی فرایندو برخی 1اي در صنایع برودتی گستردهطور سیال به سه

سـازي و هـوا، خـالص -هـاي جداسـازي هلیـوم هـاي جداسـازي هـوا، واحـد عنوان مثال، در سیسـتم

البتـه در برخـی . شـود سازي هیدروژن و سنتز گاز آمونیاك از مبدل با سه سـیال اسـتفاده مـی مایع

طراحـی ایـن . شود هاي شیمیایی استفاده می فرایندبیش از ده سیال کاري نیز در هایی با موارد، مبدل

.ها بسیار پیچیده بوده و خارج از مباحث این کتاب است نوع مبدل

میزان فشردگی -1-8

بـه صـورت زیـر تعریـف » �«ها پارامتري به نـام دار و بازیاب اي پره اي، صفحه هاي صفحه در مبدل

:شود می

β�

=��

V�=

��

V�=

سطح انتقال حرارت سمت سرد (یا گرم)

( حجم مبدل سمت سرد (یا گرم

:شوددار به این شکل تعریف می اي پره پوسته و لوله هاي لوله این پارامتر در مبدل

β�

=��

V�����=

سطح کلی تبادل حرارت

حجم کل مبدل

1. Cryogenic

هاي حرارتی طراحی مبدل26

بزرگتر باشـد، مبـدل را فشـرده بـه 400و در سمت مایع از 700از �سمت سیال گازي اگر در

. سـاخته شـده اسـت 6600هایی با ضریب فشـردگی در صنایع توربین گازي، مبدل. آورند حساب می

!ي انسان است ترین مبدل در طبیعت، ریهجالب است بدانیم فشرده

مالحظات کلی در طراحی و ساخت مبدل -1-9

: توجه کرد در طراحی و ساخت مبدل حرارتی باید به موارد زیر

را ارضا کند؛ یعنی باید نیازهاي مساله، ماننـد دماهـاي خروجـی، افـت فرایندمبدل باید مشخصات . 1

همچنین بتواند تا زمان مشخص شده بـراي انجـام . فشارها و سایر شرایط مورد نظر را برآورده کند

عملیات تعمیر و نگهداري، بدون خرابی کار کند؛

رابر وضعیت محیطی، خوردگی ناشی از سیال کاري و سیال مورد استفاده مبدل حرارتی باید در ب. 2

هنگام سرویس دستگاه و همچنین در برابر رسوب مقاوم باشد؛

ي تمیز کـردن مبدل حرارتی باید قابلیت تعمیر داشته باشد؛ یعنی باید طوري ساخته شود که اجازه. 3

ارتعاش را فراهم کند؛پذیر در مقابل خوردگی، سایش و و تعویض اجزاي آسیب

هاي نصب و نگهداري مبـدل نیـز بایـد در بـرآورد مبدل حرارتی باید مقرون به صرفه باشد؛ هزینه. 4

هاي آن منظور شود؛ هزینه

هـا و نیازهـاي محـل نصـب هاي موجود در ساخت، نظیر قطر، طول، وزن، آرایـش لولـه محدودیت. 5

جایی دستگاه و امکـان سـرویس مبـدل در نظـر گرفتـه بلند کردن و جابه و دستگاه شامل امکان حمل

شود؛

به طور کلی سرعت براي مایعات بـین . شود ي معینی در نظر گرفته می براي سرعت سیال محدوده. 6

شـود؛ البتـه در مـوارد متر بر ثانیه در نظر گرفتـه مـی 30تا 3متر بر ثانیه و براي گازها بین 6تا 0.6

ن است این حدود رعایت نشود؛خاص بنا بر نیاز مساله ممک

دهند؛ زیرا تمیز کردن و تعویض داخل لوله قرار می گذار را بیشتر مواقع سیال خورنده و یا رسوب. 7

گذار داخل پوسته قرار گیرد، هم لولـه و تر است و در صورتی که سیال خورنده و یا رسوبآن آسان

برد؛ هم پوسته را از بین می

.بندي و نشتی بررسی شودآبمبدل باید از لحاظ . 8

حرارتی هاي مبدل گرمایی طراحی هاي روش

از حرارتی هاي مبدل گرمایی طراحی و تحلیل در موجود اصلی هاي روش بررسی به فصل این در

ها مبدل نوع این طراحی و تحلیل براي متنوعی هاي روش .پردازیم می گرمایی ي بهبوددهنده نوع

:از عبارتند ها روش این .دارد وجود

؛)����( لگاریتمی میانگین دماي اختالف روش.1

�������������( انتقال هاي واحد تعداد -کارایی روش.2 − ε( یا )��� − ؛)���

� روش.3 − ؛���

ψ روش.4 − ؛�

�� روش.5 − P�.

ε و ���� اصلی روش دو بررسی به تنها فصل این در − روش دو این زیرا پردازیم؛ می ���

و پرداخته آنها حل و مثال چند بیان به ادامه در .هستند ها روش سایر از تر ساده و تر شده شناخته

.است شده داده شرح ، شده بیان هاي روش از استفاده با حرارتی مبدل طراحی کلی روند

فصل

2

:خوانید می فصل این در آنچه

ها؛ مبدل گرمایی تحلیل در اساسی معادالت

لگاریتمی میانگین دماي اختالف روش )LMTD(؛

روش ε − NTU؛

حرارتی مبدل طراحی روند.

هاي حرارتی طراحی مبدل28

حرارتی مبدل مسایل انواع -2-1

:شویممی رو روبه اساسی يمساله نوع دو با حرارتی هاي مبدل بررسی هنگام در

؛1عملکرد تعیین مسایل.1

.2طراحی مسایل.2

:از عبارتند مساله هاي داده عملکرد، تعیین مسایل در

مبدل؛ ابعاد و نوع.1

گرم؛ و سرد سیال جرمی هاي دبی.2

گرم؛ و سرد سیال ورودي دماهاي.3

مبدل؛ سمت دو هر در فشار افت مجاز حدود.4

.آنها ترموفیزیکی خصوصیات و گرم و سرد سیال نوع.5

:از عبارتند مساله هاي خواسته و

گرم؛ و سرد سیال خروجی دماهاي.1

مبدل؛ در حرارت انتقال کل نرخ.2

.مبدل سمت دو هر در فشار افت.3

:از عبارتند مساله هاي داده طراحی، مسایل در اما

گرم؛ و سرد سیال جرمی هاي دبی.1

؛)گرم یا سرد سیال( خروجی دماهاي از یکی و گرم و سرد سیال ورودي دماهاي.2

فشار؛ افت مجاز حدود.3

.آنها ترموفیزیکی خصوصیات و گرم و سرد سیال نوع.4

:از عبارتند حالت این در مساله هاي خواسته و

مبدل؛ نوع تعیین.1

جریان؛ آرایش تعیین.2

.مبدل ابعاد تعیین.3

از یکـی از اسـتفاده با سپس و کرده مشخص را مساله نوع ابتدا باید حرارتی مبدل در حل مسایل

.بپردازیم آن حل به شد گفته که هایی روش

1. Rating2. Sizing

29 هاي حرارتی هاي طراحی گرمایی مبدل روش :دومفصل

حرارتی هاي مبدل گرمایی تحلیل براي اساسی معادالت -2-2

بیـان را بهبوددهنـده نـوع از حرارتـی هـاي مبـدل گرمـایی تحلیل براي اساسی معادالت بخش این در

مسـایل جمله از متعددي مسایل گرفتن نظر در به نیاز حرارتی مبدل یک کامل طراحی اگرچه کنیم؛ می

.دارد مبدل محیطی شرایط و مکانیکی هاي محدودیت اقتصادي،

این که دارد بستگی جریان آرایش نوع به سیال دو بین حرارت انتقال فرایند یک در دما تغییرات

انتقال سطح يدهنده نشان افقی محور ها شکل این در .است شده داده نشان )1-2( شکل در موضوع

در دما توزیع ترتیب به )د1-2( تا )الف1-2( هاي شکل در .دماست معرف عمودي محور و حرارت

گرم سیال با مبدل و )1تبخیرکننده( دماثابت سرد سیال با مبدل ناهمسو، جریان همسو، جریان مبدل

.است شده داده نشان )2چگالنده( ثابت دما

چگالنده )د و تبخیرکننده )ج ناهمسو، جریان مبدل )ب همسو، جریان مبدل )الف در دما توزیع نمایش )1-2( شکل

کردن فرض ناچیز و پایا شرایط در باز هاي سیستم براي ترمودینامیک اول قانون از استفاده با

:نوشت سیال یک براي را زیر معادله توانمی جنبشی و پتانسیل انرژي تغییرات

δ� = �̇�ℎ )2-1(

1. Evaporator2. Condenser

هاي حرارتی طراحی مبدل30

تغییـر بـراي سـیال بـه حرارت انتقال نرخ �δ و مخصوص آنتالپی ℎ جرمی، دبی ي دهنده نشان ̇� که

:داشت خواهیم )1-2( ي رابطه از گیريانتگرال با .است کوچک نهایتبی حالت

� = �̇(ℎ� − ℎ�) )2-2(

عدم( آدیاباتیک فرض با .هستند خروجی و ورودي جریان آنتالپی يدهنده نشان ترتیب به �ℎ و �ℎ که

:آمد خواهد در زیر شکل به سرد و گرم سیاالت براي )1-2( ي رابطه انتگرال )محیط با حرارت انتقال

� )الف 2-3( = �̇�(ℎ�� − ℎ��)

� )ب 2-3( = �̇�(ℎ�� − ℎ��)

به 2 و 1 هاي زیروند و سرد و گرم سیال معرف ترتیب، به � و ℎ هاي زیروند کتاب این در

فاز تغییر گرم و سرد هاي سیال که صورتی در .هستند خروجی و ورودي جریان معرف ترتیب

�ℎ ي رابطه از استفاده با توانمی ثابت، ي ویژه گرماي فرض با و باشند نداشته = روابط ����

:کرد بازنویسی زیر شکل به را )ب و الف 2-3(

)2-4 (� = ��̇����

(��� − ���) = ��(��� − ���)

)2-5 ( � = ��̇����(��� − ���) = ��(��� − ���)

در حرکت با گرم و سرد سیال بین دما اختالف است مشخص )1-2( هاي شکل در که طور همان

نحوي به میانگین دماي اختالف یک مبدل، گرمایی تحلیل براي نتیجه در کند؛ می تغییر مبدل طول

:یافت را � کل حرارت انتقال نرخ زیر يرابطه از استفاده با بتوان که شود می تعریف

)2-6( � = ��∆��

کلـی حـرارت انتقـال ضریب � و گرم یا سرد سمت کل حرارت انتقال مساحت � رابطه، این در

سـیاالت خروجی و ورودي دماهاي از تابعی که است میانگین دماي اختالف ��∆ .است آن با متناظر

��∆ بـراي اي رابطـه ���� روش در .شـود مشـخص آن جبـري يرابطـه بایـد و است گرم و سرد

آنگـاه باشـد، مشـخص )5-2( یـا )4-2( معادالت از � حرارت انتقال کل نرخ اگر .شد خواهد استخراج

.یافت را � کل حرارت انتقال سطح مساحت ،��∆ دانستن و )6-2( رابطه از استفاده با توانمی

� یکل حرارت انتقال ضریب تعیین -2-2-1

براي .است � کلی حرارت انتقال ضریب تعیین حرارتی، هاي مبدل تحلیل در مرحله تریناصلی

جریان و گرما رسانش .کنیم استفاده گرمایی مقاومت مفهوم از تا است الزم ضریب، این ي محاسبه

مقاومت اهم، قانون از استفاده با .کرد استفاده شباهت این از توان می و دارند هایی شباهت الکتریکی

:آید می دست به زیر شکل به الکتریکی

�� =�

�=

اختالف پتانسیل

جریان)2-7(