مبدل حرارتی

موضوع آزمایش : مبدل حرارتی

هدف آزمایش : آشنایی با مبدلهای حرارتی (مقایسه ی جریان هم سو و ناهم سو) –محاسبه مقدار حرارت منتقل شده -درجه حرارت لگاریتمی- ضریب انتقال حرارت کلی

ابزار لازم: مبدل حرارتی-بشر بزرگ برای اندازه گیری دبی-کرنومتر
مواد لازم: سیال مورد نیاز مبدل (آب)

تئوری:

1- مقدمه:

به طور کلی مبدل حرارتی وسیله ای است که انرژی حرارتی را از یک سیال به یک یا چند سیال که دارای درجه حرارت متفاوتی هستند منتقل
می کند.

در این تعریف مشخس می گردد که در یک مبدل حرارتی حداقل دو سیال وجود دارد که حرارت میان آن دو تبادل می شود.

پستانداران مبدل های حرارتی پیچیده ای دارند که مهمترین آن شش ها هستند که با اشباع هوای بازدم از بخار آب بدن را خنک می کند.

رادیاتور نیز از انواع مبدل های حرارتی است که در آن آب در گردش داخل موتور به وسیله ی هوا خنک میشود.
شوفاژها و تهویه های متبوع از انواع مبدلها هستند.

2- مبدل های حرارتی لوله ای:

از این مبدل ها بیش از هر نوع مبدل حرارتی دیگر استفاده می شود. مبدل های حرارتی لوله ای خود انواع مختلفی دارند که از آن جمله می توان به دو نوع (تک لوله ای) و (دو لوله ای) و (لوله ی مارپیچی) و (لوله-پوسته) اشاره نمود.

مبدل حرارتی دو لوله ای :
این مبدل از دو لوله ی هم محور تشکیل میشود. یکی از دو سیال در لوله ی داخلی و دیگری در مجرای حلقوی بین دو لوله یا به عبارتی در لوله ی خارجی جریان دارد.
کاربرد این گونه مبدل ها زمانی است که سطح تبادل مورد نیاز کوچک باشد به ویژه زمانی که یکی از دو سیال گاز یا مایع لزج یا دبی آن کم باشد.

مبدل های حرارتی لوله-پوسته :
این مبدل از انواع متداول مبدل های حرارتی چند لوله ای است که برای انتقال حرارت (مایع-مایع) (مایع با سیال در حال تبخیر) و (مایع در حال تقطیر) کاربرد دارد. یک نوع از این مبدل که شبیه مبدل های دو لوله ای است از یک پوسته تشکیل شده است که تعدادی لوله ی (یو)شکل در داخل آن قرار دارد.

3- انواع جریان در مبدل های حرارتی:

جریان سیالات در مبدل های حرارتی لوله ای به دو شکل صورت می گیرد:

الف-جریان هم سو :
دراین مبدل سیال سرد و گرم هر دو در یک جهت حرکت کرده تبادل حرارت صورت می گیرد.

ب-جریان ناهم سو :
سیال سرد و گرم در دو جهت مخالف حرکت میکنند در نتیجه میزان تبادل ح انتقال حرارت افزایش می یابد و راندمان کار بیشتر می شود.

4- اساس کار مبدل های حرارتی لوله – پوسته:

بیشتر سیال گرم درون لوله های موجمد در لوله های موجود در پوسته جریان می یابد و در محفظه ی میانی لوله ها (درپوسته) سیال سرد پس از عبور از مسیر های تعیین شده با سطح جانبی لوله برخورد کرده تبادل حرارت صورت می گیرد و در انتها از مجرای مخصوص خارج می شود.

5- راه اندازی مبدل حرارتی :

1- ابتدا سیال سرد وارد پوسته ی مبدل می شود سپس به تدریج سیال گرم در درون لوله ها جریان می یابد.
2-چنانچه از مشتقات نفتی یا گازی برای سیالات درون مبدل استفاده میکنید باید از یک گاز بی اثر یا بخار آب برلی تخلیه ی هوای درون مبدل و جلوگیری از انفجار-استفاده نمایید.

6-از کار انداختن مبدل های حرارتی :
 
1-ابتدا جریان گرم را درون مبدل قطع کنید تا مبدل به تدریج سرد شود.
2-جریان سرد را قطع نمایید.
3-برای جلوگیری از انفجار در مبدل های حرارتی که مخلوط های هیدروکربنی در آن نقش سیال را بر عهده دارد باید پس از خاموش کردن دستگاه مبدل را هوا گیری نمایید.

7-خوردگی در مبدل های حرارتی:

با توجه به این که در صنایع شیمیایی بیشتر مواد خاصیت خورندگی دارند لوله های موجود در مبدل های حرارتی نیز فرسوده شده بر اثر خوردگی سوراخ می شوند که این امر در عمل تبادل حرارت ایجاد اختلال می کند.
به همین منظور روش مشخص شدن در لوله ها بیان می شود :
1-مبدل حرارتی را از دستگاه خارج نمایید.
2-مواد را در پوسته و لوله ی مبدل به طور کامل تخلیه کنید.
3-خروجی مسیر پوسته را ببندید.
4-آب فشار قوی را در درون پوسته ی مبدل وارد کنید.
توجه : چون خروجی پوسته مسدود است هر لوله ای که سوراخ باشد آب را از خود عبور می دهد.

ضریب کلی انتقال حرارت :

در سیستم های مسطح ضریب کلی انتقال حرارت را میتوان معکوس جمع مقاومت ها در نظر گرفت یعنی :

(جمع مقاومت ها)1/R

ما برای به دست آوردن میزان حرارت منتقل شده در مبدل به اختلاف درجه حرارت لگاریتمی احتیاج داریم که در قسمت محاسبات ذکرشده است با معادله مربوطه.

البته اگر از مبدلی به غیر از نوع دو لوله ای استفاده شود یک ضریب به معادله ی میزان حرارت منتقل شده که  ذکر شده اضافه می شود.

شرح آزمایش:

ابتدا مقداری آب گرم در مخزن آب گرم می ریزیم تا به گرم شدن آب توسط آب گرمکن سرعت بدهیم.
سپس لوله ی جریان آب سرد را هم به آب شهر وصل کرده و خروجی آن را هم درون سینک قرار می دهیم.
بعد آب گرم کن را روشن می کنیم تا درجه حرارت را به حدود 60 درجه سانتی گراد برسد.
پمپ را هم روشن می کنیم تا آب گرم را از مخزن آب گرم پمپ کند و سیکل آب گرم ما تکمیل گردد. (آب گرم پس از عبور از مبدل حرارتی دوباره به مخزن بر می گردد.)
زمانی که دماها متعادل شد دماهای آب گرم ورودی و خروجی را هم از روی نشانگر دما که بر روی مبدل قرار دارد می خوانیم و یادداشت می کنیم.
دبی آب گرم و سرد را هم اندازه گیری می کنیم.(البته بر روی مبدل روتامتر هم هست.)ولی مه به روش پیمهنه ای دبی را اندازه گیری می کنیم به این صورت که مقدار آبی که در زمان مشخصی خارج شده را اندازه گیری می کنیم و بعد بر آن زمان تقسیم تا دبی به دست آید.(دبی را یادداشت می کنیم.)
 این کارها را برای دو جریان هم سو و ناهم سو انجام می دهیم. برای تبدیل جریان هم سو به ناهم سو جای شلنگ های مبدل  را عوض می کنیم.

موارد خطا :

مقداری خطای جزئی در اندازه گیری ها مثل اندازه گیری زمان برای به دست آوردن دبی.

نتیجه گیری :

در مبدل ها میزان حرارت منتقل شده در حالتی که جریان سیال های گرم و سرد مخالف جهت حرکت هم هستند (ناهم سو) بیشتر از حالت هم سو می باشد.و طبق این آزمایش و محاسبات به روش (ال-ام-تی-دی) و با به دست آوردن اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی می توان میزان حرارت مبادله شده را به دست آورد.

منابع :
کتاب انتقال حرارت نوشته ی جک فیلیپ هولمن
سایت های مختلف اینترنت
کتاب کارگاه عملیات دستگاهی در صنایع شیمیایی