كارگاه ماشينهاي حساس

 

ملاحظاتی در مورد پوسته و لوله های مبدل حرارتی

Saturday, November 10, 2007

Design Considerations for Shell and Tube Heat Exchangers

ملاحظاتی در مورد پوسته و لوله های مبدل حرارتی

مقدمه :

بخش عمده و اساسی رشته مهندسی به طراحی و ساخت تجهیزات صنعتی  اختصاص دارد و از این روست که مباحثی که در  اغلب رشته های مهندسی در کشورهای پیشرفته تدریس می شود به همین موضوع طراحی اختصاص داده شده است  و از این جاست که ضرورت مطالعه آن همه مطالب تخصصی و مشکل در رشته های مهندسی  مشخص می شود مثلا در همین گرایش های مختلف رشته مکانیک با مبحث انتقال حرارت و محاسبات آن سر و کار داریم که  یکی از کاربردهای آن طراحی مبدلهای حرارتی  می تواند باشد .

اما در ایران متاسفانه طراحی مهندسی جایگاهی ندارد و به همین جهت است که آن همه مطالب تئوری که در دوره های مختلف مهندسی به خورد دانشجویان بینوا داده می شود کاربردی پیدا نمی کند چون محلی برای اجرای و استفاده از این اطلاعات نیست جامعه ما صنعتی نیست و مصرف کننده کالاهای صنعتی غرب است ان چیزی را هم که به ظاهر می سازد گرته برداری از روی طرح های صنعتی خارجی است و حالت مونتاژ را دارد . تازه این درشرایطی است که آن دانشجویان آن  درسها را فهمیده باشند و توانایی چنین کاری را داشته باشند که شما زیاد این موضوع را جدی نگیرید چون اینها غالبا  مفهوم مطلب را درک نکرده اند تقصیری هم ندارند یک مشت مطالب تئوری که هیچ جذابیتی ندارد توسط عده ای تدریس می شوند که انها نیز خودشان مطلب را نفهمیده اند ! معلوم است که نتیجه چه می شود . به همین علت است که همیشه معتقد بوده ام که ما نباید مواد درسی دانشکده های غربی را اینجا در ایران تدریس کنیم بلکه باید فهرستی از واحد هایی را تهیه کنیم که بیشتر جنبه کاربردی دارند وگرنه این اطلاعات طراحی چه مشکلی را می تواند حل کند ؟ کدام مبدل حرارتی طراحی شده است ؟ ( حالا از یکی دو مورد مثل آذرآب اراک بگذرید ) از همه مهم تر اینکه اصلا مبدلها جزء پیش پا افتاده ترین تجهیزات مکانیکی هستند و شما کافی است نگاهی با ماشینری و دستگاههای پیچیده ای چون توربین و کمپرسور و یا حتی انواع پمپ ها بیندازید تا متوجه شوید که طراحی که هیچ , حتی تعمیر و نگهداری اینگونه تجهیزات چه مشکلات عدیده ای دارد و چه کار شاقی است !

و ما در اینجا فقط برای آگاهی از اینکه همین مبدلهای حرارتی که از جمله ساده ترین دستگاهها هستند چه دردسرهایی دارند متن زیر را آورده ایم باشد که گره کوچکی از این کوه مشکلاتی که پیش روی داریم  را حل کند . حل هم نکرد شما زیاد نگران نباشید یکی دو قرن دیگر درست خواهد  شد !

اصول تبخیر

پرسش و پاسخ : انتقال حرارت

قوانین مبنی بر تجربه در تبخیر کننده ها و مبدلهای حرارتی

جستجو برای انتقال حرارت

Article: Basics of Vaporization
Questions and Answers: Heat Transfer
Experienced-Based Rules for Heat Exchangers and Evaporators
ChE Links: Search for "Heat Transfer"


Online Store: Shell and Tube Exchanger Specification Sheet
Online Store: Heat Transfer Categor

هنگامی که می خواهیم مبدل حرارتی را طر احی کنیم باید از کجا شروع کنیم ؟ بارها شده است که در میانه کار متوجه شده اید که یک نکته مهم را فراوموش کرده اید و باعث شده که بسیار بابت این موضوع دچار تشویش و نگرانی شوید  برای جلوگیری از  این کار می توانید از متن زیر کمک بگیرید :

مجموعه ای از سوالات وجود دارد که پاسخ دادن به آنها می تواند برای شما مفید باشید .

1- آیا تغییر فاز در سیستم  شما وجود دارد ؟

باید نگاهی گذار به نقطه جوش در مقایسه با دمای ورودی و خروئجی بیندازیم و این موضوع می تواند در پاسخ دادن به پرسش ها به ما کمک کند .

2- چه تعداد منطقه (گرمایی ) در سیستم ما وجود دارد ؟

منطقه گرمایی شیوه تغییر فاز و جایی که ضریب انتقال حرارت کلی عوض می شود گفته می شود . اگر در این مورد بخواهیم نمودار حرارت – گرما T-Q (Temperature-Heat) را رسم کنیم به این طریق می توانیم بهترین منطقه حرارتی را تعیین کنیم . سیستم می تواند از روش جریان های همسان یا جریان های متقابل استفاده کند و نمودار نیز بر همین مبنا ساخته می شود .

 

1.  Is there a phase change involved in my system?
   
A quick look at the boiling points compared with the entrance and exit temperatures will help you answer this question.

2.  How many "zones" are involved in my system?
   
"Zones" can best be defined as regimes of phase changes where the overall heat transfer coefficient (Uo) will vary.  Using T-Q (Temperature-Heat) diagrams are the best way to pinpoint zones.  The system is defined as co-current or countercurrent and the diagram is constructed.  The diagram on the left illustrates the use of T-Q diagrams. These diagrams should accompany your basic (input-output) diagram of the heat exchanger.   Chemical #1 enters the shell at 200 0C as a superheated vapor. In Zone 1, it releases heat to the tubeside chemical (Chemical #2).  Zone 1 ends just a Chemical #1 begins to condense.  The tubeside (Chemical #2) enters as a liquid or gas and does not change phase throughout the exchanger.  Chemical #1 leaves Zone 1 and enters Zone 2 at its boiling temperature, Tb1.  T* marks the temperature of Chemical #2 when Chemical #1 begins to condense.  In Zone 2, Chemical #1 condenses to completion while Chemical #2 continues to increase in temperature.  The temperature of Chemical #2 when Chemical #1 is fully condensed is denoted at T**.  Finally, in Zone 3, both chemicals are liquids.  Chemical #1 is simply liberating heat to Chemical #2 as it becomes a subcooled liquid and exits the shell at 100 0C.
    Defining zones is one of the most important aspects of heat exchanger design.  It is also important to remember that if your process simulator does not support zoned analysis (such as Chemcad III), you should model each zone with a separate heat exchanger.  Thus, the previous illustration would require 3 heat exchangers in the simulation.  BUT, do not draw 3 exchangers on your PFD (Process Flow Diagram).  This is all happening in one exchanger.

3.  What are the flowrates and operating pressures involved in my system?
   
This information is critical in establishing the mass and energy balance around the exchanger.  Operating pressures are particularly important for gases as their physical properties vary greatly with pressure.

4.  What are the physical properties of the streams involved?
   
If you're using a process simulator, obtaining the physical properties of your streams should be just a click of the mouse away.  However, if performing the calculation by hand, you may have to do some estimating as the streams may not be of pure substances.  Also, you should get the physical properties for each zone separately to ensure accuracy, but in some cases it is acceptable to use an average value.  This would be true of Chemical #2 in the tubes since it is not changing phase or undergoing a truly significant temperature change (over 1000C).  Physical properties that you will want to collect for each phase of each stream will include:  heat capacity, viscosity, thermal conductivity, density, and latent heat (for phase changes).  These are in addition to the boiling points of the streams at their respective pressures.

5.  What are the allowable pressure drops and velocities in the exchanger?
   
Pressure drops are very important in exchanger design (especially for gases).  As the pressure drops, so does viscosity and the fluids ability to transfer heat.  Therefore, the pressure drop and velocities must be limited.  The velocity is directly proportional to the heat transfer coefficient which is motivation to keep it high, while erosion and material limits are motivation to keep the velocity low.  Typical liquid velocities are 1-3 m/s (3-10 ft/s).  Typical gas velocities are 15-30 m/s (50-100 ft/s).  Typical pressure drops are 30-60 kPa (5-8 psi) on the tubeside and 20-30 kPa (3-5 psi) on the shellside.

6.  What is the heat duty of the system?
   
This can be answered by a simple energy balance from one of the streams.

7.  What is the estimated area of the exchanger?
   
Unfortunately, this is where the real fun begins in heat exchanger design!  You'll need to find estimates for the heat transfer coefficients that you'll be dealing with.  These can be found in most textbooks dedicated to the subject or in Perry's Chemical Engineers' Handbook.  Once you've estimated the overall heat transfer coefficient, use the equation Q=UoADTlm to get your preliminary area estimate.  Remember to use the above equation to get an area for each zone, then add them together.

8.  What geometric configuration is right for my exchanger?
   
Now that you have an area estimate, it's time to find a geometry that meets your needs.  Once you've selected a shell diameter, tubesheet layout, baffle and tube spacing, etc., it's time to check your velocity and pressure drop requirements to see if they're being met.  Experienced designers will usually combine these steps and actually obtain a tube size that meets the velocity and pressure drop requirements and then proceed.  Some guidelines may be as follows:  3/4 in. and 1.0 in. diameter tubes are the most popular and smaller sizes should only be used for exchangers needing less than 30 m2 of area.  If your pressure drop requirements are low, avoid using four or more tube passes as this will drastically increase your pressure drop.  Once you have a geometry selected that meets all of your needs, it's on to step #9.

9.  Now that I have a geometry in mind, what is the actual overall heat transfer coefficient?
   
This is where you'll spend much of your time in designing a heat exchanger.  Although many textbooks show Nu=0.027(NRE)0.8(NPR)0.33 as the "fundamental equation for turbulent flow heat transfer", what they sometimes fail to tell you is that the exponents can vary widely for different situations.   For example, condensation in the shell has different exponents than condensation in the tubes.  Use this fundamental equation if you must, but you should consult a good resource for accurate equations.  I highly recommend the following:  Handbook of Chemical Engineering Calculations, 2nd Ed., by Nicholas P. Chopey from McGraw-Hill publishers (ISBN 0070110212).  Also, don't forget to include the transfer coefficient across the tube wall and the fouling coefficient.  These can be very significant!

10.  What is the actual area of the exchanger using the 'actual' heat transfer coefficient?
   
If you recall, you used estimated heat transfer coefficients to get an initial area.  Now it's time to recalculate the area.

THE LOOP
   Now you're on your way, pick a new geometry corresponding to your new ("actual") area, check the velocity and pressure drop, calculate the overall heat transfer coefficient again.  How does it compare with the previously calculated value?  If it is not within 5-10%, recalculate the process over and over (using your new value for Uo) until it does!  Sounds like alot of work.  Add in the fact that some of the individual heat transfer coefficients require iterative solutions and it's not hard to see why people usually use a complex spreadsheet or a program to do this.  You can save some time by using estimates that you've undoubtedly seen, however you must realize that each time you estimate, you're losing accuracy. 
    Remember two main items:   
1.  ZONED ANALYSIS
2.   ACCURACY OF INITIAL OVERALL HEAT TRANSFER COEFFICIENT
The zoned analysis is the key to starting the process correctly.  The accuracy of the initial overall heat transfer coefficient will in part determine how many time you will be going through the calculation.

Other Considerations:

·         Materials of Construction

·         Ease of Maintenance

·         Cost of Exchanger

·         Overall Heat Integration

...................مقدمه و ترجمه از م.ت – آبان 1386 -

منبع :»

http://www.cheresources.com/designexzz.shtml

 

پيام هاي ديگران ()        link        ۱۳۸٦/۱٠/٥ - محمد توکلی