فهرست مطالب

عنوان	صفحه
مقدمه	1
تجهيزات تبخيري	2
فرايندهاي تبخيري در نيروگاه	2
1- تبخير كننده هاي آب جبراني	3
2- تبخري كننده در فرايندها	3
3- تبخير كننده هاي مورد استفاده براي انتقال حرارت	4
4- دستگاه تقطيرآب نمك	5
فرآيندهاي تبخيري	5
طبقه بندي مبدلهاي تبخير كننده	6
مبدل هاي تبخيري يا سيركولاسيون اجباري	7
الف ) تبخير در پوسته	7
ب ) تبخير در لوله	7
مبدل هاي تبخيري با سيركولاسيون طبيعي	7
الف ) تبخير در پوسته	7
ب ) تبخير در لوله	7
محدوديتهاي شار حرارتي و اختلاف درجه حرارت	8
1- شار حرارتي	9
2- ضريب فيلم	9
رابطه ميان حداكثر شار و حداكثر ضريب فيلم	9
1- تبخير در پوسته	10
الف ) تبخير كننده با ريبويلر داراي پمپ با جوشش همزمان	10
ب ) تبخير كننده يا ريبويلر داراي پمپ يا محدوده جوشش	11
پ ) تبخير كننده هاي سيركولاسيون اجباري ريبويلر محلول هاي آبي	13
2- تبخير در لوله ها	14
الف ) تبخير كننده ريبويلر داراي پمپ يا بدون محدوده جوشش	14
ب ) تبخير كننده يا ريبويلر محلول آبي با سيركولاسيون اجباري	14
مبدلهاي تبخيري سيركولاسيون طبيعي	14
1- تبخير در پوسته	14
الف ) ريبويلر كتري مانند ؛	14
ب ) سردكن	16
پ ) دسته لوله ها درون ستون	16
ت ) ريبويلر ترموسيفون افقي	17
2- تبخير در لوله ها	17
فصل دوم : اواپراتور	19
1- اواپراتورهايي كه به وسيله تبادل حرارتي انجام مي دهند	19
2- اواپراتورهايي كه با مبرد ثانويه تبادل حرارتي انجام مي دهند	20
3- اواپراتورهايي كه به صورت طبيعي با محيط خود تبادل حرارتي مي كنند	21
نقش اواپراتور در سيكل هاي تبريد	21
نقش اواپراتور	23
سيكل هاي استاندارد تراكمي بخار	23
عملكرد اواپراتور	25
سيستم تبريد بخار افشاني	25
نقش اواپراتور	26
سيستم هاي چند اواپراتوره	27
1- يك كمپرسور و دو اواپراتور	27
دو كمپرسور و دو اواپراتور	29
فصل سوم : انواع اواپراتور	31
اواپراتورهاي صفحه اي	32
اوئاپراتورهاي نوع خشك و مرطوب	35
اواپراتورهاي جريان طبيعي و اجباري	37
اواپرااتورهاي نوع آب سردكن	39
سركن دو لوله	39
سرد كن لوله اي	40
سرد كن مخزني	41
فصل چهارم : طراحي مبدل براي آزمايشگاه ترموديناميك	43
روشهاي طراحي و محاسبه ترموهيدروليكي	48
شرايط هواي گرم ورودي	49
شرايط مبرد R12	49
مرحله ( 2 ) : انتخاب مبدل	50
( طرف 1 ) : هواي گرم	50
محاسبه پارامترهاي هندسي مبدل	51
مرحله ( 3 ) محاسبه خواص فيزيك سيال ها	51
طرف ( 3 ) براي R12	52
مرحله ( 4 ) : محاسبات افت فشار و تعيين ابعاد اصلي هسته مبدل	53
محاسبه عدد رينولدز	53
مرحله ( 5 ) : محسابه ضرايب انتقال حرارت	55
ضمايم	57

 

 

 

 

 

مقدمه :

با توجه به نياز بخش صنعت به مبدلهاي حرارتي و نقش بسزاي اين تجهيزات، اميدوارم كه توانسته باشم منبعي مفيد و در دسترس براي دانشجويان علاقمند به اين رشته فراهم آورده باشم . در اينجا لازم مي دانم كه از زحمات استاد ارجمند جناب آقاي مهندس ................ كه در ارائه اين پروژه بنده را ياري نمودند صميمانه تشكر و قدرداني نمايم و همچنين اميد است كه توانسته باشم گوشه اي از زحمات بي كران اساتيد ارجمند كه براي شكوفايي استعدادهاي ما از جان خويش مايه گذاشتند را جبران كنم .

 

تجهيزات تبخيري :

در صنعت دو نوع اصلي تجهيزات تبخيري لوله اي وجود دارد : ديگهاي بخار و مبدلهاي تبخيري . در ديگهاي بخار مستقيماً انرژي سوخت تبديل به حرارت نهان تبخير مي شود . در مبدلهاي تبخيري عمل احتراق صورت نمي گيرد و فقط حرارت محسوس يا نهان يك سيال به حرارت نهان تبخير سيال ديگر تبديل مي شود . اگر يك مبدل تبخيري براي تغليظ تبخيري آب با يك محلول آبي مورد استفاده قرار مي گيرد ، اصطلاحاً آن را تغليظ كننده تبخيري گويند . اگر از مبدل تبخيري براي تغذيه حرارت مورد نياز به پايين ستونهاي تقطير استفاده شود ( بخار تشكيل شده چه بخار باشد چه بخار ماده ديگر ) آن را ريبويلر گويند . وقتي مبدل تبخيري براي توليد بخار آب و نيز به عنوان جزئي از فرايند تقطير استفاده نشده باشد آن را تبخير كننده مي نامند .

زمانيكه به منظور تهيه آب خالص يا هر فرايند تغليظ كردن ديگر ، يك تغليظ كننده تبخيري به سيستم هاي توليد انرژي الكتريكي متصل شود آن را تبخير كننده نيروگاهي مي نامند و وقتي از آن براي تغليظ يك محلول شيميايي به روش تغليظ تبخيري آب موجود در حلال استفاده مي شود آن را تغليظ كننده تبخيري شيميايي مي نامند . بر خلاف تغليظ كننده هاي تبخيري در ريبويلر ها هدف تأمين بخشي از حرارت مورد نياز نقطير بدون انجام تغليظ مي باشد ، اگرچه معمولاً از وقوع چنين پديده اي نمي توان جلوگيري كرد . در بسياري از موارد براي تركيبي از چند دستگاه گوناگون كه هر يك از آنها را مي توان تغليظ كننده تبخيري ناميد ، نيز از اصطلاح تغليظ كننده تبخيري استفاده مي شود .

 

 

 

فرآيندهاي تبخيري در نيروگاه :

در نيروگاهها فرآيندهاي تبخيري به چهار گروه تقسيم مي شوند :

1- تبخير كننده هاي آب جبراني براي تغذيه به ديگ بخار

2- تبخير كننده هاي فرآيندي براي تهيه آب خالص

3- تبخير كننده براي انتقال حرارت

4- دستگاه تقطير آب نمك

 

1- تبخير كننده هاي آب جبراني :

تبخير كننده هاي آب جبراني ، مقدار آب لازم براي جايگزيني نشت ها و كاستي هاي كه به صورت بخار آب و يا مايع چگالي شده ، از سيستم خارج مي شوند را تأمين مي كند . اين تبخير كننده ها به مراتب بزرگتر از تبخير كننده هاي فرآيندي هستند و معمولاً از نوع يك مرحله اي هستند ، با وجود اين بعضي اوقات با توجه به مشخصه هاي سيكل مايع چگاليده و نيز مقدار آب جبراني مورد نياز ، از تبخير كننده هاي دو مرحله اي نيز استفاده مي شود . امروزه به ندرت مي توان نيروگاهي فاقد اين تجهيزات پيدا كرد . تبخير كننده هايي كه خودشان كوچك هستند داراي 100 تا ft² 1000 سطح حرارتي مي باشند .

 

2- تبخير كننده ها در فرآيندها :

در بسياري از منابع به صورت مداوم نياز به مقادير زيادي آب مقطر مي باشد . در اين گونه تأسيسات از تبخير كننده هاي دو مرحله اي ، سه مرحله اي و يا چهار مرحله اي استفاده مي شود . اين تبخير كننده ها حرارت مورد نياز خود را از بخار آب برداشت شده و يا به طور مستقيم از ديگ بخار دريافت مي كنند . انتخاب مراحل بستگي زيادي به ارتباط بين سرمايه گذاري ثابت و ارزش بهره برداري از بخار آب دارد .

در تبخير كننده هاي چند مرحله اي كه تغذيه آنها به صورت موازي صورت مي گيرد ، نيازي نيست كه تمام مرحله ها به صورت همزمان كار كند و بنابراين اگر مقدار آب مقطر مورد نياز تغيير كرد ، مي توان تعداد مراحل را تنظيم كرد . معمولاً تبخير كننده هاي مورد استفاده براي اينگونه خدمات داراي اندازه متوسط هستند و سطح حرارتي هر يك از پوسته ها مقدار 500 تا ft² 1000 است .

 

3- تبخير كننده هاي مورد استفاده براي انتقال حرارت :

تبخير كننده هاي مورد استفاده در انتقال حرارت ، سيستمهاي يك مرحله اي هستند كه در آنها يك يا چند پوسته به صورت موازي با يكديگر قرار دارند و بخار آب را از خروجي يك توربين فشار قوي يا موتور فشار قوي دريافت مي كنند . هدف از كاربرد اين نوع تبخير كننده ، چگالش بخار آب توليد شده در ديگ بخار فشار قوي كه از درون توربين فشار قوي گذشته مي باشد .

سپس مايع چگاليده شده با استفاده از يك چپ افزاينده فشار كه مستقيماً به يك ديگ بخار فشار قوي برگردانده مي شود و بدين ترتيب مواد فشار قوي به طور مداوم تغذيه مي شود ، بديهي است كه محل نصب ديگ بخار و توربين فشار قوي بستگي زيادي به اين مدار دارد . با چگالش بخار خروجي از توربين يا موتور فشار قوي ، از حرارت منتقل در تبخير كننده براي تهيه مقادير زيادي بخار جهت فرآيندهاي گوناگون استفاده مي شود . در اينصورت تمامي يا بخشي از مايع چگاليده شده هرگز به سيستم تبخير كننده باز نخواهد گشت . اگر مايع چگاليده شده باز گردانده نمي شود ، بدين دليل است كه جمع آوري مايع چگاليده شده بسيار مشكل خواهد بود ، يا اينكه ممكن است بخار توليد شده در تبخير كننده در يك فرآيند شيميايي يا گرمايشي مصرف شده و يا اينكه به طور مداوم آلوده شود .

 

4- دستگاه تقطير آب نمك :

معمولاً يك پوند سوخت مي تواند حدود 10 پوند بخار آب توليد كند و اين بخار در يك تبخير كننده دو مرحله اي مي تواند از آب دريا 5/12 پوند آب خالص توليد كند ، پس اين مطلب كمي عجيب است كه معمولاً كشتي ها آب مورد نيازشان را از آب دريا تأمين مي كنند . آب دريا حدود سه درصد وزني و يا 34000 ppm مواد جامد دارد ، در حاليكه آب تازه حدود 340 ppm مواد جامد دارد . مرسوم است كه به جاي 90 درصد تبخير ، فقط يك سوم آب تغذيه تبخير مي شود . باقيمانده آب تغذيه كه حدوداً داراي 5 درصد يا 51000 ppm ماده جامد دارد به دريا باز گردانده مي شود . چون مقدار زيركش حيلي زياد است ، مطلوب تر است كه از سيستم هايي با درجه حرارت متغير پايين استفاده شود . زيرا كم بودن درجه حرارت موجب كمتر شدن نرخ رسوب گيري نيز خواهد شد .

 

 

 

 

 

 

 

 

فرآيندهاي تبخيري :

تبخير كننده ها تجهيزاتي هستند كه براي تبادل حرارت نهان مورد استفاده قرار مي گيرند و به عنوان بخشي از يك فرآيند نغليظ يا تقطير مطرح نمي شوند . محاسبه بار حرارتي معمولاً بسيار ساده است . شايد رايج ترين نوع تبخير كننده مبدل 2-1 افقي و يا شكلهاي اصلاح شده آن باشد كه تبخير در پوسته و يا لوله ها صورت مي گيرد ، اگر بخار آب ماده واسط گرمايش باشد ، خوردگي ناشي از وجود هوا در مايع چگاليده شده و اين معمولاً سبب مي گردد تا متغير در پوسته مزاياي بيشتري به همراه داشته باشد . چند اختلاف اساسي ميان عمليات و محاسبات تبخير وجود دارد و تبخير كننده هاي عمودي و افقي وجود دارد .

در تبخير كننده هاي نيروگاهي 50 تا 60 درصد از قسمت فوقاني پوسته براي آزاد سازي مايع كه درون حبابهاي واقع بر سطح به دام افتاده اند به كار برده مي شود . آزاد سازي بيشتر مايع به كمك يك جداكننده بخار آب در پوسته انجام مي شود . طرح مكانيكي و ضخامت پوسته ، فلانجها و صفحه نگهدارنده لوله بستگي به حاصل ضرب فشار درون پوسته و قطر پوسته دارد .

در بسياري از موارد فشار يا خلاء ايجاد شده زياد نيست و ضخامت پوسته فلانج و صفحه نگهدارنده لوله هاي غير قابل قبول نمي باشد . در مورد تبخير كننده هاي ديگر معمولاً فشار بالا است و بقيه فضاي آزادسازي در پوسته گران خواهد بود ، زيرا تدارك چنين فضايي براي آزاد سازي در فشارهاي بالا با افزايش ضخامت پوسته همراه است . به اين دليل معمولاً تبخير كننده ها را براي آزادسازي داخلي طراحي نمي كنند و در عوض از نوعي وسيله خارجي نظير ظروف استوانه اي شكل جوشي ارزان قيمت متصل به تبخير كننده استفاده مي شود كه در آن مايع به دام افتاده در حبابهاي بخار آب از بخار خارج مي شود .

وقتي بخار آب از سطح يك حوضچه تبخير مي شود ( نظير يك تبخير كننده نيروگاهي ) ممكن است خوراك را 100 درصد تبخير كرده بدون آنكه سطح مايع در حوضچه كه در ابتدا تا حد مورد نظر پر شده است ، تغيير كند . دليل اينكه كمتر از 100 درصد خوراك كه به طور معمول تبخير مي گردد اين است كه ته مانده در آن جمع شده و لازم است احتمالي براي خارج كردن آن در نظر گرفت .

 

طبقه بندي مبدلهاي تبخير كننده :

طراحي اين گروه از مبدلها از ساير انواع مبدلها پيچيده تر و با حساسيت بيشتر همراه است . به اين دليل طبقه بندي تبخيري بر مبناي روشهاي محاسبه مورد استفاده براي هر نوع عمل خاص رايج است . هر يك از گروههاي زير از نظر محاسبه با ساير انواع ديگر اختلاف دارد .

 

مبدلهاي تبخيري با سيركولاسيون اجباري :

الف ) تبخير در پوسته :

1- تبخير كننده ريبويلر داراي پمپ با جوشش هم دما

2- تبخير كننده ريبويلر داراي پمپ با محدوده درجه حرارت جوشش

3- تبخير كننده سيركولاسيون اجباري يا ريبويلر محلولهاي آبي

 

ب ( تبخير در لوله :

1- تبخير كننده يا ريبويلر داراي پمپ با يا بدون محدوده درجه حرارت جوشش

2- تبخير كننده با سيركولاسيون اجباري يا ريبويلر محلولهاي آبي

 

مبدلهاي تبخري با سيركولاسيون طبيعي :

الف ) تبخير در پوسته :

1- ريبويلر كتري مانند

2- سرد كن

3- ريبويلر به صورت دسته لوله ها در ستون

4- ريبويلر تريموسيفون افقي

 

ب ) تبخير در لوله ها :

1- ريبويلر ترموسيفون عمودي

2- تبخير كننده هاي عمودي با لوله هاي بلند

 

محدوديتهاي شار حرارتي و اختلاف درجه حرارت :

مي توان شرط كرد كه شرايط فزاينده همواره تعيين كننده اين نكته است كه چه مقدار از خوراك مايع ورودي به تبخير كننده بايد تبخير شود ، وقتي تبخير مايع از حوضچه صورت مي گيرد ، تقريباً حداكثر شار حرارتي به دست مي ايد . براي آب حداكثر شار حرارتي معادلtu / ( hr ) ( ft² ) 400000 و براي مواد آلي 70000 تا btu / ( hr ) ( ft² ) 125000 گزارش شده است اگر چه اين مقادير فقط در تجهيزات آزمايشگاهي از سطوح كاملاً تميز به دست آمده اند . مجدداً متذكر مي شويم كه حداكثر شار حرارتي در اغلب درجه حرارتهاي بحراني به دست مي آيد كه محدوديتي براي حداكثر ضريب قابل حصول است . قبل از اختلاف درجه حرارت بحراني ضريب انتقال حرارت و شار حرارتي كاهش مي يابد ، اين كاهش ناشي از تشكيل لايه اي از گاز روي لوله ها مي باشد ، اين پديده انسداد ناشي از بخار است كه كه شكل اصلي در طراحي و عمليات مبدلهاي تبخيري مي باشد .

شار حرارتي با نسبت يا تعريف مي شود اما به كمك كه در آن h_vضريب تبخير و اختلاف درجه حرارت بين ديواره لوله و درجه حرارت جوشش است تعريف مي گردد _. شار حرارتي بر مبناي سطح تميز A_c مي باشد در حاليكه شار حرارتي بر مبناي سطح واقعي A‌مي باشد . مقدار A در يك نبخير كننده طراحي شده با توجه به ضريب جرم گيري بزرگتر از A_c مي باشد ، با اين همه محدود كردن و h_v تا حداكثر مقدار قابل اطمينان مرسوم است . اين دو كميت از ايجاد اختلاف درجه حرارت بسيار زياد نيز جلوگيري مي كند محدوديتهاي زير همواره در نظر گرفته مي شوند :

 

1- شار حرارتي :

الف ) حداكثر شار مجاز براي تبخير كننده ها داراي سيركولاسيون اجباري و ريبويلرهايي كه در آنها مواد آلي تبخير مي شود معادل btu / (hr)(ft²) 20000 و به ازاي سيركولاسيون طبيعي btu / (hr)(ft²) 12000 مي باشد .

ب ) حداكثر شار مجاز براي تبخير آب يا محلولهاي آبي با غلظت كم با استفاده از سيركولاسيون اجباري و طبيعي معادل btu / (hr)(ft²) 30000 است .

 

2- ضريب فيلم :

الف ) حداكثر ضريب فيلم متغير مجاز براي متغير مواد آلي با سيركولاسيون طبيعي يا آزاد معادل btu / (hr)(ft²) 300 مي باشد .

ب ) حداكثر ضريب فيلم مجاز براي تبخير آب و محلولهاي آبي با سيركولاسيون طبيعي يا آزاد معادل btu / (hr)(ft²) مي باشد .

 

رابطه ميان حداكثر شار و حداكثر ضريب فيلم :

محدوديتهاي مطرح شده باعث حذف تمام احتمالات ايجاد كننده انسداد بخار مي شوند . تصور كنيد مي خواهيم يك تركيب آلي را كه در 200 درجه فارنهايت مي جوشد در يك تبخير كننده داراي سيركولاسيون اجباري با استفاده از بخار آب 400 درجه فارنهايت تبخير كنيم به طوريكه باشد و جريان به صورتي برقرار گردد كه ضريب تبخير معادل btu / (hr)(ft²) 3000 به دست مي ايد . اگر ضريب چگالش بخار آب R_u = 0.003 , U_c = 250 , 1500 آنگاه U_D = 142 خواهد بود . در اينصورت شار حرارتي برابر است با btu / (hr)(ft²) 28000 = 200*142 كه از حد مطرح شده در بند ( I– ب )تجاوز مي كند . چون يا ممكن است از 20000 تجاوز نكند .

هر تغييري كه با ( I– الف ) همخواني لازم را ايجاد كند با افزايش سطح كل تبخير همراه است . اگر درجه حرارتهاي اوليه و بخار حفظ شوند ، ضريب كل جديد U_D معادل 200/20000 كه برابر btu / (hr)(ft²) 100 خواهد بود . اختلاف درجه حرارت ممكن است بزرگتر از اختلاف درجه حرارت بحراني باشد زيرا چنين وضعي در حداكثر شار قابل حصول رخ نمي دهد و تحت چنين شرايطي اختلاف درجه حرارت بحراني مي تواند در يك محدوده تغيير كند بدون آنكه خطر انسداد بخار پيش آيد .