آزمایش مبدل حرارتی

[The Idealist 1,526]

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 كلی

 

ابزار لازم: مبدل حرارتی-بشر بزرگ برای اندازه گیری دبی-كرنومتر

مواد لازم: سیال مورد نیاز مبدل (آب)

تئوری:

1- مقدمه:

به طور كلی مبدل حرارتی وسیله ای است كه انرژی حرارتی را از یك سیال به یك یا چند سیال كه دارای درجه حرارت متفاوتی هستند منتقل

می كند.

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

پستانداران مبدل های حرارتی پیچیده ای دارند كه مهمترین آن شش ها هستند كه با اشباع هوای بازدم از بخار آب بدن را خنك می كند.

رادیاتور نیز از انواع مبدل های حرارتی است كه در آن آب در گردش داخل موتور به وسیله ی هوا خنك 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 كه از آن جمله می توان به دو نوع (تك 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 تشكیل میشود. یكی از دو سیال در لوله ی داخلی و دیگری در مجرای حلقوی بین دو لوله یا به عبارتی در لوله ی خارجی جریان دارد.

كاربرد این گونه مبدل ها زمانی است كه سطح تبادل مورد نیاز كوچك باشد به ویژه زمانی كه یكی از دو سیال گاز یا مایع لزج یا دبی آن كم باشد.

مبدل های حرارتی لوله-پوسته :

این مبدل از انواع متداول مبدل های حرارتی چند لوله ای است كه برای انتقال حرارت (مایع-مایع) (مایع با سیال در حال تبخیر) و (مایع در حال تقطیر) كاربرد دارد. یك نوع از این مبدل كه شبیه مبدل های دو لوله ای است از یك پوسته تشكیل شده است كه تعدادی لوله ی (یو)شكل در داخل آن قرار دارد.

3- انواع جریان در مبدل های حرارتی:

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

الف-جریان هم سو :

دراین مبدل سیال سرد و گرم هر دو در یك جهت حركت كرده تبادل حرارت صورت می گیرد.

ب-جریان ناهم سو :

سیال سرد و گرم در دو جهت مخالف حركت میكنند در نتیجه میزان تبادل ح انتقال حرارت افزایش می یابد و راندمان كار بیشتر می شود.

 

4- اساس كار 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 كرده 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 میكنید باید از یك گاز بی اثر یا بخار آب برلی تخلیه ی هوای درون مبدل و جلوگیری از انفجار-استفاده نمایید.

6-از كار انداختن مبدل های حرارتی :

 

1-ابتدا جریان گرم را درون مبدل قطع كنید تا مبدل به تدریج سرد شود.

2-جریان سرد را قطع نمایید.

3-برای جلوگیری از انفجار در مبدل های حرارتی كه مخلوط های هیدروكربنی در آن نقش سیال را بر عهده دارد باید پس از خاموش كردن دستگاه مبدل را هوا گیری نمایید.

7-خوردگی در مبدل های حرارتی:

با توجه به این كه در صنایع شیمیایی بیشتر مواد خاصیت خورندگی دارند لوله های موجود در مبدل های حرارتی نیز فرسوده شده بر اثر خوردگی سوراخ می شوند كه این امر در عمل تبادل حرارت ایجاد اختلال می كند.

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 كامل تخلیه كنید.

3-خروجی مسیر پوسته را ببندید.

4-آب فشار قوی را در درون پوسته ی مبدل وارد كنید.

توجه : چون خروجی پوسته مسدود است هر لوله ای كه سوراخ باشد آب را از خود عبور می دهد.

 

ضریب كلی انتقال حرارت :

در سیستم های مسطح ضریب كلی انتقال حرارت را میتوان معكوس 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 كه در قسمت محاسبات ذكرشده است با معادله مربوطه.

البته اگر از مبدلی به غیر از نوع دو لوله ای استفاده شود یك ضریب به معادله ی میزان حرارت منتقل شده كه ذكر شده اضافه می شود.

 

شرح آزمایش:

ابتدا مقداری آب گرم در مخزن آب گرم می ریزیم تا به گرم شدن آب توسط آب گرمكن سرعت بدهیم.

سپس لوله ی جریان آب سرد را هم به آب شهر وصل كرده و خروجی آن را هم درون سینك قرار می دهیم.

بعد آب گرم كن را روشن می كنیم تا درجه حرارت را به حدود 60 درجه سانتی گراد برسد.

پمپ را هم روشن می كنیم تا آب گرم را از مخزن آب گرم پمپ كند و سیكل آب گرم ما تكمیل گردد. (آب گرم پس از عبور از مبدل حرارتی دوباره به مخزن بر می گردد.)

زمانی كه دماها متعادل شد دماهای آب گرم ورودی و خروجی را هم از روی نشانگر دما كه بر روی مبدل قرار دارد می خوانیم و یادداشت می كنیم.

دبی آب گرم و سرد را هم اندازه گیری می كنیم.(البته بر روی مبدل روتامتر هم هست.)ولی مه به روش پیمهنه ای دبی را اندازه گیری می كنیم به این صورت كه مقدار آبی كه در زمان مشخصی خارج شده را اندازه گیری می كنیم و بعد بر آن زمان تقسیم تا دبی به دست آید.(دبی را یادداشت می كنیم.)

این كارها 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 كنیم.

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 كه جریان سیال های گرم و سرد مخالف جهت حركت 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 :

كتاب انتقال حرارت نوشته ی جك فیلیپ هولمن

سایت های مختلف اینترنت

كتاب كارگاه عملیات دستگاهی در صنایع شیمیایی