چکیده :مبدل حرارتي وسيله اي است كه انرژي را از سيالي به يك يا چند سيال ديگر كه داراي درجه حرارت هاي متفاوتي هستند منتقل مي كند ، لذا مبدل هاي حرارتي در تمام زمينه هاي صنعتي ،تجاري و حتي زندگي روزمره نيز كه به نحوي با تبادل انرژي سر و كار دارند مورد استفاده قرار مي گيرند . براي شناخت هر چه بهتر مبدل هاي حرارتي آن ها را در هشت گروه متفاوت دسته بندي مي كنيم .مبدل هاي حرارتي با جريان متقاطع كه در اغلب كاربرد هاي صنعتي مانند توليد بخار در ديگ هاي بخار و يا گرمايش و سرمايش هوا و گاز هاي ديگر كاربرد دارند ، در اين دسته بندي جزء مبدل هاي حرارتي با جريان پيوسته سيال به صورت تماس غير مستقيم كه هم به صورت فشرده و هم غير فشرده ساخته شده و با ساختاري به شكل لوله اي و صفحه اي با آرايش جريان عمود بر هم بين دو سيال كه به صورت جابجائي با هم تبادل حرارت مي كنند ، جاي مي گيرند .مبدل هاي حرارتي لوله – پره دار صفحه اي كه جزء اين نوع از مبدل هاي حرارتي هستند كمتر مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته اند ، هچنين در كتب درسي و دانشگاهي نيز كمتر به معرفي اين نوع مبدل هاي حرارتي مبادرت گرديده است ، لذا هدف از اين تحقيق معرفي بيشتر اين نوع از مبدل هاي حرارتي و بررسي اثر پارامتر هاي هندسي موثر در طراحي اين نوع مبدل هاي حرارتي مي باشد .بنا براين در اين تحقيق با استفاده از نرم افزار فلوئنت كه يكي از نرم افزارهاي ديناميك سيالات است ، به بررسي اثر اين پارامترها در طراحي اين نوع از مبدل هاي حرارتي(CFD)محاسباتي پرداخته ايم و در نهايت نيز نتايج بدست آمده از تحقيق را با نتايج محاسبات تجربي در مبدل هاي حرارتي با جريان متقاطع بروي دسته لوله ها مقايسه شده است . مقدمه :مبدل حرارتی وسیله ای است که انرژی حرارتی را از سیالی به یک یا چند سیال دیگر که دارای درجه حرارت های متفاوتی هستند منتقل می کند . این تعریف به طور ضمنی بیان می کند که در یک مبدل حرارتی حداقل دو سیال وجود دارند که حرارت بین آن دو جابجا می شود . هرچند که این تعریف از جامعیت كافي برخوردار است معهذا موارد خاصی از مبدلهای حرارتی وجود دارند که در این تعریف نمی گنجند . از جمله این موارد دستگاههای تبادل حرارتی هستند که در سفینه های فضایی و یا هر وسیله ای که در خلاء کار می کند مورد استفاده قرار می گیرند .مبدل های حرارتی در تمام زمینه های صنعتی ، تجاری و زندگی روزمره که به نحوی با تبادل انرژی سرو کا ردارند مورد استفاده قرار می گیرند . هر موجود زنده به طریقی به مبدل حرارتی مجهز است.مبدل های حرارتی در اندازه های بسیار کوچک و بسیار بزرگ ساخته شده اند . کوچکترین آنها (کمتر از 1 وات) برای مصارف الكترونیکی فوق هادی ها، هدایت موشک هائی که بوسیله منبع حرارتی کنترل می شوند و بزرگ ترین آنها (ظرفیت حرارتی بزرگ از 1000 مگاوات) در نیروگاه های بزرگ به عنوان دیگ بخار ، کندانسور یا برج خنک کن به کار می روند .کاربرد مبدل حرارتی بسیار وسیع و در صنایع مختلفی از قبیل نیروگاه های تولید برق ، پالایشگاه ها ، صنایع ذوب فلز و شیشه سازی ، صنایع غذایی و دارو سازی ، کاغذ سازی ، صنایع پتروشیمی ، سردخانه ها و سیستم های گرمایش و سرمایش ساختمان ها ، صنایع میعان گازها ( مانند هوا ) وسائط نقلیه زمینی ، دریایی و فضایی و صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند . به طور کلی هرجا که مسئله تبدیل و تبادل انرژی مطرح باشد مبدل های حرارتی به نحوی کاربرد دارند . مبدل های حرارتی به صور مختلفی نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اوپراتور ، تبخیر کننده ، برج خنک کن ، پیش گرم کن هوا ، بازیاب ، خنک کن میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای ، فن کويل ، هواساز ، خنک کن روغن ، خنک کن و گرم کن مشتقات نفتی ، رادیاتور وسائط نقلیه ، گرم کن آب تغذیه و سوپر هیتر در نیروگاه های بخار، کوره و غیره و در صنایع فوق الذکر به کار می روند . 1-1 دسته بندی مبدل های حرارتیدسته بندی مبدل های حرارتی می تواند بر اساس پیوستگی یا تناوب جریان ، پدیده انتقال ، میزان فشردگی ، طريقه ساخت ، آرایش جریان ، تعداد سیالات ، مکانیزم انتقال حرارت و در جه حرارت کارکرد انجام پذیرد . این دسته بندی ها در شکل 1- 1 خلاصه شده است . 1- دسته بندي بر مبناي پيوستگي يا تناوب جريان جريان متناوب سيال جريان پيوسته سيال 2- دسته بندي بر مبناي پديده انتقال تماس غير مستقيم تماس مستقيم بستر سيال ذخيره اي انتقال مستقيم3- دسته بندي بر مبناي فشردگي غير فشرده فشرده/ ) 700< تراكم سطح بر واحد حجم ) (/ 700 > تراكم سطح بر واحد حجم )شكل 1 - 1 دسته بندي مبدل هاي حرارتي4- دسته بندي بر مبناي طريقه ساخت صفحه اي سطوح گسترش يافته ( پره دار ) لوله اي بازياب صفحه صفحه صفحه لاملا لوله صفحه لوله دو لوله اي لولهمارپيجي شاسي كويل پره دار پره دار پوسته اي مارپيچي 5- دسته بندي بر مبناي آرايش جريان چند مسيره تك مسيره موازي موازي مخالف عمود بر هم مخالف موازيمخالف عمود بر هم عمود بر هم6- دسته بندي بر مبناي تعداد سيالات چند سيال دو سيال يك سيال ادامه شكل 1 - 1 دسته بندي مبدل هاي حرارتي 7- دسته بندي بر مبناي مكانيزم انتقال حرارت تبادل تشعشعي يا جابجائي دو فازي جابجائي تك فازي در جابجائي تك فازيتوام با جابجائي در هر دو طرف يك طرف و دو فازي در هر دو طرفدر طرف ديگر 8- دسته بندي بر مبناي درجه حرارت كاركرد درجه حرارت بالا درجه حرارت متوسط درجه حرارت پائينادامه شكل 1 - 1 دسته بندي مبدل هاي حرارتي1 - 1- 1 دسته بندی بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریانجریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی یا پیوسته است یا متناوب . در مبدل های حرارتی با جريان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند و سیال گرم دائم درمجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوطه به خود جریان دارند . دو مجرای جریان توسط یک جداره جامد مانند جدار لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند .از طرفی دیگر در مبدل های حرارتی با جریان متناوب یا بازیاب ها[1] از یک مجموعه مجاری جریان برای هر دو سیال استفاده می شود . مجموعه مجاری جریان ، هسته مبدل را تشکیل می دهند که دو سیال به تناوب از آن عبور میکنند . تمام یا بخشی از هسته مبدل مدتی در معرض جریان سیال گرم قرار دارد که در این مدت انرژی را از سیال گرفته در خود ذخیره می نماید . سپس مدتی در مسیر جریان سیال سرد قرار گرفته و انرژی ذخیره شده رابه آن پس می دهد . این دوره تناوب مرتباً تکرارمی شود .به عنوان مثال در كوره هائي كه در صنايع شيشه سازي يا شيميائي بكار مي روند از پيش گرم كن هاي ساكن هوا با جريان متناوب استفاده مي گردد . شكل شماتيك يكي از اين پيش گرم كن ها كه به كوره كوپر[2] معروف است و همراه با كوره بلند در صنعت فولاد سازي به كار مي رود در شكل 1- 2 نشان داده شده است . چنانچه در شكل ملاحضه مي شود اين كوره از دو قسمت تشكيل شده است .ستون سمت راست خود بازياب است كه شامل مواد متخلخل سراميكي بوده و ستون سمت چپ اتاق احتراق مي باشد . وقتي كه كوره گرم كار مي كند هوا وسوخت از سمت چپ و پائين اتاق وارد شده و گاز هاي داغ از بالاي بازياب ( ستون سمت راست ) وارد شده و از پائين خارج مي شوند . پس از مدتي درجه حرارت مواد سراميكي داخل بازياب به حد كافي بالا مي رود آنگاه ورود سوخت و هوا به اطاق احتراق قطع مي شود و هواي محيط از سمت راست و پائين كوره وارد بازياب مي گردد . پس از عبور از بازياب درجه حرارت آن بالا رفته و از سمت چپ خارج شده و وارد كوره بلند مي شود . شكل 1- 2 يك بازياب ساكن كه در كنار كوره بلند مورد استفاده قرار مي گيرد .در مبدل حرارتی با جریان متناوب ساکن غالباً لازمست جریان همیشگی دو سیال برقرار باشد . در این صورت حداقل دو هسته بازیاب موردنیاز است که درهر لحظه در یکی سیال گرم و در دیگری سیال سرد جاری باشد . درزمان های تناوب تعیین شده به وسیله شیرهای اتوماتیک جای دو سیال عوض می شود . این نوع مبدل در شکل زیر نشان داده شده است . بازیاب شکل 1-3 در میعان هوا به کا رگرفته می شود که در آن سیال گرم (هوا) و سیال سرد (ازت) به طور متناوب در دو هسته مبدل جریان می یابند . شكل 1-3 مبدل حرارتي با جريان متناوب ( بازياب ) كه در ميعان هوا مورد استفاده قرار مي گيرد .1-1- 2 دسته بندی بر مبنای پدیده انتقال تبادل انرژی بین دو سیال یا به صورت تماس مستقیم و یا به صورت تماس غیر مستقیم صورت می گیرد .در نوع تماس مستقیم حرارت بین دو سیال که با یکدیگر تماس مستقیم دارند منتقل می شود . معمولاً یکی از دو سیال گاز و دیگری مایعی است با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی از یکدیگر قابل تفکیک هستند . برج خنك کن نوع مرطوب که در شکل 1-4 نشان داده شده است از این نوع مبدل حرارتی می باشد . کاربرد دیگر آن کندانسور فواره ای است که در آن پاشش آب به داخل بخار آب یا سایر سیالات باعث تقطیر آن بخار می گردد . شكل 1- 4 يك نوع برج خنك كن مرطوب با جريان مكشي هوا در یک مبدل حرارتی نوع تماس غیر مستقیم حرارت ابتدا از سیال گرم به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر ( مثلاً سطح جداره لوله ) منتقل شده و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد . به این نوع مبدل حرارتی ، مبدل حرارتی سطحی نیز گفته می شود که خود به سه دسته زير تقسيم مي شود :1- انتقال مستقیم2- ذخیره انرژی3- بستر سیالدر مبدل حرارتی نوع انتقال مستقیم دو سیال به وسیله یک جداره جامد ( جداره لوله یا یک ورق ) از هم مجزا شده اند . تمام مبدلهای حرارتی با جریان پیوسته از این نوع هستند . هیچ قطعه متحرکی در مبدل های حرارتی وجود نداشته و با آب بندی های مناسب از اختلاط دو سیال جلوگیری می شود .مبدل های حرارتی که برا اساس ذخیره انرژی کار می کنند همان بازیاب ها هستند که دربخش قبل مورد بحث قرار گرفتند .در شکل 1- 5 یک مبدل حرارتی با بتسر سیال[3] نشان داده شده است . جریان یک گاز از یک بستر ذرات جامد ( ماسه، ذغال سنگ ، ذرات آلومینا ، کاتالیزور و... ) باعث سیالی شدن این بستر خواهد شد . در حالت سیالی شده ذرات جامد در داخل گاز به طور یکنواخت مخلوط و پراکنده خواهد شد . اگر سرعت رو به بالای گاز کم باشد ذرات در روی بستر باقی مانده و پراکنده نخواهند شد . از طرفی اگر سرعت گاز زیاد باشد ذرات را با خودش به خارج مبدل حرارتی حمل خواهد نمود . فقط در یک سرعت مناسب است که نیروی دراگ رو به بالا روی ذرات کمی بیشتر از وزن آنها بوده و این ذرات به صورت معلق و پراکنده د رگاز خواهند ماند .گرچه ضریب انتقال حرارت بین یک گاز در جریان و یک سطح جامد بین w/mc°30 تا w/mc°100 مي باشد اما اين ضريب براي يك بستر سيال تا w/mc°700 نیز می رسد .مبدل های حرارتی بستر سیالی در تبدیل پودر ذغال سنگ به گاز ، بازیابی انرژی حرارتی خشک کن ، راکتور های شیمیای و غیره به کا ربرده می شوند . شكل 1- 5 يك بستر سيالي شدهدر شكل 1- 6 (الف) نيز يك مبدل حرارتي بستر سيالي نشان داده شده كه وظيفه آن خنك كردن ذرات آلومينا است . ذرات از سمت چپ وارد پوسته مبدل شده كه درآنجا با جريان رو به بالاي هوا يك بستر سيالي تشكيل مي شود و از طرفي آب سرد داخل لوله مارپيچ جريان دارد . در اثر تبادل حرارت آب و هوا گرم شده ذرات آلومينا خنك مي شوند . سيال اصلي خنك كن آب است ولي هوا هم كه براي سيالي كردن بستر بكار مي رود خود نقش يك خنك كن ثانويه را ايفا مي كند .يك راكتور شيميائي با بستر سيالي نيز در شكل 1- 6 (ب) نشان داده شده است . چون راكتور بايستي در دماي يكنواخت و زياد عمل كند از بستر سيالي استفاده شده است .شكل 1- 6 (ب) يك راكتور شيميائي با بستر سيال شكل 1- 6 (الف) مبدل حرارتي بستر سيال1-1- 3 دسته بندی بر مبنای فشردگی سطح به سطح تماس بین یک سیال و یک جامد که با هم تبادل حرارت می کنند ، سطح تبادل حرارت گفته می شود . آن قسمت از سطح که برای تفکیک دو سیال نیز به کارمی رود ( سطح لوله یا ورق های اصلی یک مبدل حرارتی ) سطح اصلی نامیده می شود .برای افزایش نرخ تبادل حرارت بین سیال معمولاً پره هایی روی سطح اصلی نصب می شود که به سطح گسترده یا ثانویه معروف است . البته خود پره ها هم گاهی اوقات مجاری جريان متعددی به وجود می آورند . هدف از بکارگیری سطوح گسترده یا پره ها افزایش نرخ تبادل حرارت است و معمولاً در طرف گاز یا بخار فشار ضعیف که ضریب انتقال حرارت جابجا ئی آنها کوچک است مورد استفاه قرار مي گیرند و با افزایش تمرکز و تعداد پره ها روی سطح اصلی به مقدار سطح تبادل حرارت بر واحد حجم مبدل حرارتی افزوده می گردد .به طور اختیاری مبدل حرارتی که تمرکز سطح یا نسبت سطح تبادل حرارت به حجم آن 700 بیشتر باشد مبدل حرارتی فشرده گفته می شود .بعضی از ویژگی های مربوط به مبدل های حرارتی فشرده عبارتند ا ز :1- معمولاً حداقل یک سیال گا ز است .2- سیالات بایستی تمیز و غیر خورنده باشند زیرا مجاری جریان خیلی کوچك و سطوح گسترده نیز از ورق های نازک تشکیل می شوند . لذا آلودگی گاز باعث بسته شدن مجاری جریان و خورنده بودن سیال نیز سبب سوراخ شدن سطح مبدل می گردد .3- معمولاً توان پمپاژ به اندازه انتقال حرارت حائز اهمیت است زیرا کوچک بودن مجاری جریان ، افت فشار زیادی را ایجاب می کند .4- درجه حرارت و فشار کارکرد محدود است .روش های ساخت مبدل های حرارتی فشره بستگی به درجه حرارت و فشار کارکرد دارد . متداول ترين مبدل هاي حرارتي مادون سرد نوع سطوح تخت پره دار هستند كه در شكل 1- 7 نشان داده شده است . اين نوع مبدل ها از ورق هاي آلومينيومي تشكيل شده اند كه بين ورق ها توسط ورق هاي موج دار ديگر پر شده است . 1- Stationary Regenerator2- Cowper Stove1- Fluidization