طراحی مبدل حرارتی با نرم افزار HTRI

مبدل حرارتی وسیله ای است که برای انتقال انرژی حرارتی (آنتالپی) بین دو یا چند سیال، در دماهای مختلف و در تماس حرارتی استفاده می شود. به طور کلی، آنها با استفاده از MATLAB طراحی می شوند، اما ما قصد داریم از نرم افزار مجموعه HTRI برای طراحی سریع و منظم استفاده کنیم. مبدل های حرارتی مطابق با استانداردهای ASME طراحی می شوند. نرم افزار مورد استفاده در این مقاله HTRI Xchanger Suite® است. این نرم افزار برای طراحی حرارتی و طراحی مبدل حرارتی استفاده می شود.روش‌های محاسبه نرم افزار HTRI با 50 سال تحقیق گسترده و داده‌های جمع‌آوری‌شده در تجهیزات انتقال حرارت مرتبط صنعتی پشتیبانی می‌شوند.

مبدل حرارتی وسیله ای است که برای انتقال انرژی حرارتی (آنتالپی) بین دو یا چند سیال، بین یک سطح جامد و یک سیال، یا بین ذرات جامد و یک سیال، در دماهای مختلف و در تماس حرارتی استفاده می شود. در مبدل های حرارتی معمولاً هیچ گونه فعل و انفعالات حرارتی و کاری خارجی وجود ندارد. کاربردهای معمولی شامل گرم کردن یا خنک کردن یک جریان سیال و تبخیر یا متراکم شدن جریان های سیال تک یا چند جزئی است. در کاربردهای دیگر، هدف ممکن است بازیابی یا دفع گرما، یا استریل کردن، پاستوریزه کردن، تکه تکه کردن، تقطیر، تغلیظ، کریستالیزه کردن یا کنترل یک سیال فرآیندی باشد. در اکثر مبدل های حرارتی، انتقال حرارت بین سیالات از طریق دیواره جداکننده یا به داخل و خارج از دیوار به صورت گذرا صورت می گیرد. در بسیاری از مبدل‌های حرارتی، سیالات توسط یک سطح انتقال حرارت از هم جدا می‌شوند و در حالت ایده‌آل، مخلوط نمی‌شوند یا نشت نمی‌کنند. چنین مبدل هایی به عنوان نوع انتقال مستقیم یا به سادگی بازیابی کننده نامیده می شوند. در مقابل، مبدل هایی که در آنها تبادل حرارت متناوب بین سیالات سرد و گرم از طریق ذخیره انرژی حرارتی و آزاد شدن از طریق سطح مبدل یا ماتریس وجود دارد، به عنوان نوع انتقال غیرمستقیم یا به سادگی احیا کننده نامیده می شود.

مبدل­های shell&tube یا پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و لوله یک نوع از طرح های مبدل حرارتی هستند. این رایج ترین نوع مبدل حرارتی در پالایشگاه های نفت و سایر فرآیندهای شیمیایی بزرگ است و برای کاربردهای فشار بالاتر مناسب است. همانطور که از نامش پیداست، این نوع مبدل حرارتی از یک پوسته (یک مخزن تحت فشار بزرگ) تشکیل شده است که داخل آن دسته ای از لوله ها قرار دارد. یک سیال از میان لوله ها عبور می کند و سیال دیگری بر روی لوله ها (از طریق پوسته) جریان می یابد تا گرما را بین دو سیال منتقل کند. به مجموعه لوله ها دسته لوله می گویند و ممکن است از چندین نوع لوله تشکیل شده باشد: ساده، باله دار طولی و غیره.

نرم افزار HTRI

موسسه تحقیقاتی انتقال حرارت (HTRI) در سال 1962 تاسیس شد. نرم افزار HTRI تحقیقات کاربردی را روی تأسیسات تحقیقاتی تجهیزات در مقیاس آزمایشی انجام می داد. کارکنان نرم افزار HTRI از این داده‌های تحقیقاتی اختصاصی برای توسعه روش‌ها و نرم‌افزار برای طراحی و تحلیل حرارتی مبدل‌های حرارتی و بخاری‌های آتش‌زا استفاده می‌کنند. این نرم افزار برای طراحی حرارتی و طراحی مبدل حرارتی استفاده می شود. این گرافیک همچنین به شما امکان می دهد جابجایی های متحرک را برای هر حالت بار استرس مشاهده کنید.

روش‌های محاسبه نرم افزار HTRI با 50 سال تحقیق گسترده و داده‌های جمع‌آوری‌شده در تجهیزات انتقال حرارت مرتبط صنعتی پشتیبانی می‌شوند. ویژگی های زیادی وجود دارد که می توان با استفاده از نرم افزار HTRI علاوه بر اجزای شامل انتقال حرارت برای محاسبه طراحی مبدل های حرارتی به کار گرفته شود. به عنوان مثال، نتایج همچنین می‌توانند نمودارها و ترسیم‌های مقیاسی را مانند تجسم دقیق و کاملی از نتایج محاسبه‌شده را ایجاد کنند. علاوه بر این، گزارش‌های خروجی گسترده نیز می‌توانند نتایج دقیقی از جمله پروفایل‌های محلی پارامترهای بسیار مهم را ارائه دهند.

انواع مختلفی از مؤلفه ها وجود دارد که HTRI می تواند شبیه سازی کند. در مجموع 9 جزء می توانند تحت شبیه سازی های مختلف قرار گیرند. برای نام بردن از برخی، Xace می‌تواند یک خنک‌کننده هوا یا اکونومایزر را شبیه‌سازی، رتبه‌بندی و طراحی کند. در حالی که Xfh می تواند عملکرد بخاری های استوانه ای و جعبه ای را شبیه سازی کند. Xist برای طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله با مقادیر شناخته شده ورودی دما، سرعت جریان، هندسه لوله، پوسته و بافل و غیره استفاده می شود.

مواد و متدها:

• مرحله 01: وظیفه را تعریف کنید
• مرحله 02: خواص فیزیکی سیال مورد نیاز است
• مرحله 03: نوع مبدل حرارتی
• مرحله 04: مقدار ضریب انتقال حرارت کلی آزمون و خطا کنید
• مرحله 05: تفاوت میانگین دما را محاسبه کنید
• مرحله 06: مساحت مورد نیاز را محاسبه کنید
• مرحله 07: ضرایب سمت لوله و پوسته را محاسبه کنید
• مرحله 08: ضریب کلی را محاسبه کرده و با مقدار آزمایشی مقایسه کنید
• مرحله 09: افت فشار مبدل را محاسبه کنید
• مرحله 10: بهینه سازی طراحی

Translation is too long to be sav

بدین ترتیب به این نتیجه رسیدیم که طراحی مبدل حرارتی با استفاده از نرم افزار مجموعه HTRI در مقایسه با MATLAB سریع و آسان بود. مقادیر محاسبه شده دستی و مقدار خروجی از نرم افزار HTRI تقریباً یکسان هستند. بدین ترتیب طراحی صنعتی به دست آمده مبدل حرارتی با استفاده از نرم افزار مجموعه نرم افزار HTRI با موفقیت انجام شد. از این رو مطالعه جامع مبدل حرارتی پوسته و لوله با شروع محاسبات طراحی دستی، اعتبارسنجی نرم افزار طراحی و بهینه سازی پارامتر کلیدی با استفاده از حل کننده آنالیز مناسب انجام شد.

نویسنده: فائزه کاظمی زاد، کارشناس دپارتمان مهندسی شیمی گروه آموزشی پارس پژوهان