بخشی از مقاله
چکیده
مبدلهای حرارتی در صنایع مختلف از جمله صنایع تاسیساتی و شیمیایی نقش تعیینکنندهای را ایفا مینمایند. در چنین صنایعی اهمیت وجود پدیدهی خوردگی شیمیایی ما را بر آن میدارد که در طراحی مبدل نه تنها به رفتار ترمودینامیکی مواد سازنده آن بلکه به رفتار شیمیایی آنها در محیط مورد استفاده نیز توجه کنیم. از رایجترین مشکلات مبدلهای حرارتی فلزی متعارف، خوردگی و رسوبگذاری، به ویژه در محیطهای متخلخل است. یکی از راه حلهای آیندهنگری به این مشکلات استفاده از مواد پلیمری است که مقاومت آنها در برابر خوردگی و رسوبگذاری، علاقه اولیه را در توسعهی مبدلهای حرارتی مبتنی بر پلیمر ایجاد میکند.
علاوه بر این، آنها ارزان بوده و آسانتر شکل و فرم میگیرند و چگالی آنها به مراتب پایینتر از فلزات است و در نتیجه ساخت و ساز ، حمل و نقل، و هزینههای نصب و راهاندازی بسیار پایینی دارند. با این وجود، هدایت حرارتی بسیار پایین مواد پلیمری مانع کاربرد گسترده و مقبولیتشان شده است. در این پژوهش به بررسی کارایی و عملکرد یک مبدل پوسته- لولهای پلیمری به صورت تجربی پرداخته شده است.
نتایج نشان میدهد برای افزایش کارایی مبدل پلیمری به دلیل داشتن هدایت حرارتی پایین، با افزایش سطح تماس لولههای پلیمری میتوان افزایش قابل توجهی در تبادل حرارت و کارایی مبدل را شاهد بود به طوری که با دبی ورودی ./23 به تبادل حرارتی معادل 5195w دست یافته شد که عدد قابل توجهی است و در دبی 0/335 بازده مبدل %83 به دست آمده است که عدد قابل توجهی است.
-1 مقدمه
علاقمندی به مبدلهای حرارتی پلیمری برای کاربرد دمای پایین به دلیل مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی و رسوب گذاری، رو به افزایش است. با این حال، استفاده وسیع و مقبولیت مبدلهای حرارتی پلاستیکی به دلیل هدایت حرارتی بسیار کم مواد پلیمری، محدود شده است مبدلهای حرارتی به عنوان تجهیزات جهانی در بسیاری از بخشهای صنعتی استفاده میشود. از رایجترین مشکلات مبدلهای حرارتی فلزی متعارف ، خوردگی و رسوبگذاری، به ویژه در محیطهای متخلخل است.
علاوه بر این، استفاده از مبدلهای حرارتی فلزی منجر به سرمایهگذاریهای عظیم، وزن بیش از حد، و غیره میشود .[2] یکی از راه حلهای آیندهنگری به این مشکلات استفاده از مواد پلیمری است که مقاومت آنها در برابر خوردگی و رسوبگذاری علاقه اولیه را در توسعهی مبدلهای حرارتی مبتنی بر پلیمر ایجاد میکند .[3] زاهید و جاچوک [4] به بررسی کلی از مبدلهای حرارتی فشرده با تاکید ویژه بر واحد پلیمری پرداختند و مزایا و معایب انواع مبدلهای پلیمری صفحهای، کویل و پوسته و لوله را بیان نمودند.
علاوه بر این، آنها ارزان بوده و آسانتر شکل و فرم میگیرند و چگالی آنها به مراتب پایینتر از فلزات است، و در نتیجه ساخت و ساز، حمل و نقل، و هزینههای نصب و راهاندازی بسیار پایینی دارند. با این وجود، هدایت حرارتی بسیار پایین مواد پلیمری مانع کاربرد گسترده و مقبولیتشان شده است. برای غلبه بر این محدودیتها، محققان مبدلهای حرارتی از جنس پلیمرهای فیبری توخالی - PHFHEs - را مطرح کردند که سطح بسیار بزرگ نسبت مساحت / حجم در این مبدلها، آنها را کارآمدتر از مبدلهای حرارتی فلزی معمولی میکند 4]،.[2 در همین حال، بسیاری از محققان هدایت حرارتی را با پلیمرهای پر شده توسط گرافیت [6]، نانولولههای کربنی [10- 6] و پرکنندههای دیگر 10]،[9 بهبود دادند.
پارک و ژاکوبی [11] با مرور منابع به بررسی ویژگیهای مواد پلیمری مانند پیشرفتهای اخیر در زمینه پلیمرهای از نوع کامپوزیتهای شبکهای پرداختند. آنها نشان دادند که این مواد قابلیت استفاده در ساخت مبدلهای حرارتی در زمینه تهویه مطبوع را دارند، اما هنوز تحقیقات قابل توجهی باید در زمینه این نوع مبدلها، ویژگیهای ماده آنها و طول عمر آنها، انجام بگیرد. یکی از کاربردهای موفق مبدلهای پلیمری بر پایه انتخاب مواد و اصلاحپذیری طراحی بالا است. این مقاله نشان داد که با استفاده از ساختارهای پلیمری با ضخامت بسیار کم در هر دو مورد مبدلهای لولهای و صفحهای، طراحی مبدل حرارتی موفق خواهد بود.
نتایج نشان داده است که مبدلهای پلیمری نه تنها وزن و هزینه کمتری نسبت به مبدلهای سنتی فلزی دارند، بلکه از لحاظ بازدهی هم با این مبدلها قابل مقایسه هستند. جان و همکاران [12] نیز پتانسیلهای فنی مبدلهای حرارتی با دسته لوله پلیمری را برای کاربردهای انتقال حرارت گاز به مایع مورد ارزیابی قرار دادند. پارامترهای طراحی مبدل حرارتی پلیمری تحت شرایط کاری یکسان برای همخوانی با عملکرد حرارتی-هیدرولیکی مبدلهای فلزی سنتی به دست آمدند.
نتایج نشان داده است که مبدل حرارتی پلیمری میتواند همزمان با بازدهی بالا، وزن هسته پایین، حجم پایین و قیمت ماده پایینی داشته باشد. یافتهها نشان میدهد که مقاومت حرارتی رسانش لولههای پلیمری میتواند چشمگیر باشد و برای کاهش دادن حجم، جرم و قیمت مواد هسته مبدل حرارتی مطلوب است که همیشه یک لوله با قطر کوچک با نسبت گام کوچک و دبی جریان پایین داشته باشیم. همچنین، برای عملکرد بهتر در برابر دماهای بالا میتوان از نایلونهای دما بالا استفاده کرد که باعث کاهش جرم و حجم هسته مبدل میشوند.
در پژوهش حاضر نیز به صورت تجربی و آزمایشگاهی به بررسی کارایی و بازدهی مبدل پوسته- لولهای پلیمری پرداخته شده است که با استفاده از هیترهای تعبیه شده، حرارت لازم برای آب فراهم میشود و از طریق سنسورهای مقاومتی و دبیسنج نتایج ثبت و ضبط میشود. نتایج نشان میدهد مبدل از بازدهی حرارتی خوبی برخوردار بوده و ارزش سرمایهگذاری و توجه بیشتر را دارد.
-2 ساخت و راه اندازی مبدل
مبدل ساخته شده در این پژوهش از نوع پوسته - لوله میباشد که در شکل 1 نشان داده شده است. مطابق شکل این مبدل دارای دو محوظهی استوانهای شکل به قطر 92cm است که دو لولهی رابط، یکی در پایین دو محفظه و دیگری در ارتفاع 35cm از لولهی رابط پایین، در بالای دو محفظه قرار گرفته است که دو محفظه را به یکدیگر مرتبط میکند. در یکی از این محفظهها - گرمکن - ،4 هیتر حرارتی که به صورت موازی بسته شدهاند، تعبیه شده است.
برای ساخت قسمت لوله مبدل، از لولههای پلاستیکی از جنس پلیاتیلن استفاده شده است. طول این لولهها در مجموع75 متر بوده و قطر خارجی آن 15/5 mm و ضخامت آن 2/15 mm میباشد، در نتیجه با این طول زیاد، سطح زیادی برای انتقال حرارت و در نتیجه توان تولیدی زیادی خواهیم داشت. برای قرار دادن لوله در پوسته، با توجه به اینکه 75 متر لوله، طول زیادی برای عبور سیال بوده و به دنبال آن افت فشار زیادی را ایجاد خواهد کرد، برای رفع این مشکل کل لوله به 11 شاخه تقسیم شده و این شاخهها در دو سمت، یکی در ابتدا و ورودی لولهها و یکی در انتها و خروجی لولهها، به یک لوله تقسیمکننده وصل متصل شدهاند، یعنی در واقع با ورود سیال در ورودی، جریان به11 قسمت تقسیم شده و در انتها این 11 قسمت جریان به هم رسیده و یک جریان خروجی را تشکیل می دهند.
نکتهی مهم دیگری که در این مبدل قابل ذکر میباشد این است که در داخل این لولهها از توربولاتور - مغشوشکننده - برای درهمی بیشتر جریان و در نتیجه افزایش انتقال حرارت استفاده شده است که برای این امر، یک سیم آلومینیومی به شکل فنر در داخل لولهها جاگذاری شده است. سپس هر یک از این شاخهها به صورت حلقههایی جمع شده و به صورت طبقه به طبقه در محفظهی بدون هیتر، قرار گرفته است که در شکل -2 الف نحوه چیدمان لولهها نشان داده شده است. در این مبدل آب گرم در پوسته و اب سرد در لوله جریان دارد و دما توسط یک حسگر با نام IDR-RH101، ثبت شده و از روی نمایشگر دیجیتالی خوانده میشود که در شکل -2 ب نمایشگر دیجیتالی دما قابل مشاهده میباشد.
