مهندسی شیمی
شیمی - پتروشیمی - نفت
گزارش کار انتقال حرارت

 عنوان:

گزارش کار آزمایشگاه حرارت

 

آزمایش اول:

محاسبه ضریب هدایت حرارتی(k)

 

 

 

وسایل مورد نیاز:

دستگاه هدایت خطی( (Liner condution

هدف آزمایش:

محاسبه مقدار ضریب هدایت حرارتی جامدات(k)

 

تئوری آزمایش:

انتقال گرما ، گذار انرژي بر اثر اختلاف دما است . اختلاف دما به عنوان يک نيروي محرکه ( Driving Force ( سبب انتقال گرما مي شود . حرکت مولکول ها در کنار هم و ارتعاش آنها سبب مي شود که گرما از يک مولکول به مولکول مجاور منتقل شده و در نتيجه گرما منتقل مي گردد .

هرگاه در يك محيط يا ميان دو محيط اختلاف دما وجود داشته باشد و دماي محيط ها يکسان نباشد ، انتقال گرما رخ مي دهد .

 انواع مختلف انتقال گرما را شيوه هاي آن مي گويند يعني راه هاي انتقال گرما را شيوه هاي آن مي گويند .

وقتي در محيط ساكني ، كه مي تواند جامد يا سيال باشد ، شيب دما وجود داشته باشد ، براي انتقال گرمايي كه در محيط روي مي دهد از واژه رسانش ( Conduction) است .

****************

رسانش (conduction) :

 

رسانش مستقيماً به حرکت مولکولها و اتمها وابسته است اين فرايندها در سطح مولکولي و اتمي است كه اين نوع انتقال گرما را تداوم مي بخشند . رسانش را به عنوان انتقال انرژي از ذرات پر انرژي به ذرات كم انرژي ماده ، بر اثر بر هم كنش هاي بين آنها مي توان دانست يعني در اين شيوه برخورد اتمها و يا مولکولهاي مجاور به همديگر سبب انتقال گرما مي گردد .

با در نظر گرفتن يك گاز و با استفاده از مفاهيم ترموديناميكي ، مكانيزم فيزيكي رسانش به ساده ترين وجه توضيح داده مي شود . گازي را در نظر مي گيريم كه در آن شيب دما وجود دارد يعني ميان دو نقطه از آن اختلاف دما وجود دارد و فرض كنيم كه هيچ حركت كپه اي وجود ندارد گاز مي تواند فضاي بين دو سطحي را ، كه در دما هاي متفاوت قرار دارند ، اشغال كند . دما در هر نقطه به انرژي مولكول هاي گاز موجود در مجاو.رت آن نقطه نسبت داده مي شود . اين انرژي به حركت هاي انتقالي تصادفي و همچنين به حركت هاي چرخشي و نوساني مولكول ها ارتباط دارد .

دماهاي بالاتر به انرژي هاي مولكولي بالاتر نسبت داده مي شود ، و با برخورد مولكول ها به يكديگر
( پديده اي كه دائماً روي مي دهد ) ، انرژي از مولكول هاي پر انرژي به مولكول هاي كم انرژي منتقل مي شود. بنابراين وقتي شيب دما وجود دارد ، انتقال انرژي رسانشي در جهت كاهش دما روي مي دهد . در شكل ( a ) مولكول ها صفحه فرضي xo را از بالا و پايين با حركت تصادفي خود دائماً قطع مي كنند .  ولي ، مولكول هاي بالايي از مولكول هاي پاييني دماي بيشتري دارند . بنابراين در اين حالت ، انتقال خالص انرژي در جهت x مثبت وجود دارد . انتقال خالص انرژي توسط حركت تصادفي مولكولي را پخش انرژي مي گويند .

 

شكل (a )

 

در مايعات نيز وضع به همين منوال است ، ولي مولكول ها به هم نزديكترند و بر هم كنش هاي مولكولي قويتر و تكراري تر است . بطور مشابه ، رسانش در اجسام جامد را به فعاليت اتمي ، به شكل ارتعاشات شبكه اي ، مي توان نسبت داد .                                     
در ديدگاه جديد ، انتقال انرژي را به امواج شبكه اي ، كه با حركت اتمي ايجاد مي شود ، ارتباط مي دهد . در نارساناها ، انتقال انرژي توسط حركت انتقالي الكترون هاي آزاد نيز روي مي دهد .

فرايند هاي انتقال گرما را بر حسب معادله هاي آهنگ مربوط مي توان بطور كمي بيان كرد . از اين معادله ها براي محاسبه مقدار انتقال انرژي در زمان واحد مي توان استفاده كرد . معادله آهنگ رسانش گرما توسط قانون فوريه به دست داده مي شود . قانون فوريه بيان مي کند که شار گرماي به وجود آمده در يک رسانا متناسب است با اختلاف دماي دو سر رسانا و با ظول آن رسانا نسبت عکس دارد با در نظر گرفتن ثابت يا همان ضريب ثابتي مي توان اين تناسب را به تساوي تبديل کرد براي سطح مسطحي يك بعدي شکل زیر كه توزيع دماي T(x) را دارد ، معادله آهنگ بصورت زير است:       

                          

شار گرماي  عبارت است از آهنگ انتقال گرما در جهت  x براي مساحت واحد عمود بر جهت انتقال ،  كه با شيب دما ، dT/dx ، در اين جهت متناسب است . ثابت تناسب k   يك خاصيت انتقال است و به آن رسانندگي گرمايي ( W/m.K)  مي گويند و مشخصه اي از مواد ديوار است . علامت منفي به اين دليل است كه گرما در جهت كاهش دما منتقل مي شود . با دو فرض خطي بودن توزيع دما و پايدار بودن حالت تحليل مساله مي توان رابطه زير را به دست آورد .

 

 

با داشتن اين دو رابطه مي توان معادله شار گرما را با داشتن ضريب تناسب و دماهاي دو طرف سطح و ضخامت سطح يافت .

       يا        

که در اين رابطه منظور از x انتقال حرارت در راستاي x است

 

از معادله بالا شار گرما ، يعني آهنگ انتقال گرما براي مساحت واحد ، بدست مي آيد . با ضرب اين شار گرمايي در مساحت سطح مورد بحث مي توان مقدار گرماي مورد نظر را يافت .

****************

ضریب هدایت حرارتی جامدات(k) :

 

    ضریب هدایت حرارتی یا گرما و رسانایی یک خاصیت مهم حرارتی اجسام است و به نوع جسم و شرایط آن بستگی دارد . هر چه مقدار ضریب هدایت حرارتی جسم بیشتر باشد جسم هادی تر بوده و مقدار بیشتری حرارت از آن می گذرد . هر چه این مقدار کمتر باشد جسم عایق تر یا نارسانا تر می باشد.

 

 

 

 

توضیحاتی در مورد دستگاه هدایت خطی:

دستگاهی به شکل زیر به نام دستگاه هدایت خطی (Linear Conduction) داریم:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

این دستگاه دارای استوانه ای به قطر 3 سانتیمتر است که کاملاً عایق شده است. این استوانه از سه قسمت آلومینیوم و برنج و استیل تشکیل شده است که هر قسمت به سنسورهای دمایی متصل است که دما را در هر نقطه مشخص به ما نشان می دهد.

در بالای استوانه یک لوله جریان آب داریم و در پایین استوانه یک منبع گرما داریم که با وارد کردن گرما به استوانه باعث افزایش دمای استوانه می شود. در این دستگاه منبع گرما یک المنت است که با افزایش ولتاژ وآمپر آن میتوانیم میزان گرمای تولیدی را افزایش دهیم.

 

دستگاه دارای عقربه هایی برای تنظیم میزان آمپر و ولتاژ ورودی به المنت است و عدد مربوط به هر کدام نیز روی یک صفحه نمایشگر، نمایش داده می شود.

 

دستگاه دارای هشت به فاصله1.5سانتیمتر از یکدیگر میباشدکه هر سنسور دارای یک نمایشگر است؛ سه نمایشگر پایین دمای آلومینیوم، دو نمایشگر وسط دمای برنج و سه نمایشگر بالا دمای استیل را نشان میدهند.

 

 

 

 

روش انجام آزمایش:

ابتدا لوله آب را به جریان آب شهر وصل کرده و سپس دستگاه را روشن می کنیم. دمای دستگاه را روی مقدار مشخصی تنظیم کرده  و میزان ولتاژ را در اندازه ای دلخواه قرار میدهیم، با تنظیمجریان دستگاه اختلاف پتانسیل متناظر با آن را نمایش میدهد. صبر میکنیم تا دمای دستگاه به دمای تنظیم شده برسد. در این دما درجه حرارتی را که هر یک از نمایشگرها نشانمیدهند قرائت کرده  و با استفاده از روابط موجود و قانون فوریه و با استفاده از رسم شکل ضریب رسانش گرمایی را برای آلومینیوم، برنز و استیل به دست می آوریم. این کار را برای دو بار تکرار میکنیم تا یک ضریب رسانش گرمایی میانگین برای هر ماده به دست آوریم.

 

Steel

 

 

 

Brass

 

 

 

 

 

Al

 

 


 

عایق

عایق

                  

                                                                                                                                                                          

محاسبات:

                                                                                                                                                                                                                                                                                     

                                                                                           26.4

28.2              استیل                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

33.5

 

40.9           برنج                                                                        

42.1

44.4

47.6                آلومینیوم

50

 

 

 

 

با کشیدن بهترین خط عبوری از نقاط وبدست آوردن شیب آن خط داریم:

درنمودار فوق معادله خط به صورت می باشد که در واقع همان شیب خط یا  است.


 

 

 

 

 

 

Test 2:

 

34.2

38.8              استیل                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

48.5

 

60.6           برنج                                                                       

62.9

66.1

71.7                آلومینیوم

75

 

 


 

 

 

 

                       

 

 

نتیجه گیری

در این آزمایش توانستیم با استفاده از قانون فوریه ضریب رسانایی حرارتی k را برای سه ماده مختلف آلومینیوم، برنج و استیل به دست آوریم که البته با مقایسه آنها با مقادیر موجود در جداول متوجه اختلاف زیاد آنها با مقادیر واقعی می شویم که این امر می تواند به علت بروز خطاهای احتمالی مطرح شده باشد.

منابع خطا :

 

*ولتاژ دستگاه ثابت نمي شد.

*دماي دماسنجها ثابت نمي شد و دامنه نوسان آنها خيلي زياد بود.

*بین فلزات یک مقاومت اتصال وجود دارد این مقاومت ها در محاسبات لحاظ نمی شوند(هر چند مقداری ناچیز هستند).وخالص نبودن مواد مورد آزمایش

در کل شایع ترین خطا ،خطای دستگاهی است

 

آزمایش دوم:

مبدل های حرارتی

 Heat Exchangers))

 

وسایل مورد نیاز:

دستگاه مبدل حرارتی دو لوله ای

هدف آزمایش:

محاسبه ضریب عمومی انتقال حرارت (U)

تئوری آزمایش:

انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی (Heat exchanger) صورت می گیرد.

در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.

مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .

مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .

مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد .

امروزه در سراسر دنيا کارخانه هاي فراواني يافت مي شوند که در زمينه ساخت مبدلهاي حرارتي فعاليت مي کنند . آنها بر اساس نياز مشتري خود و بر اساس استانداردهاي تعيين شده  به طراحي و ساخت مبدلهاي حرارتي در سايزها و گونه هاي مختلف مبادرت مي ورزند.

دسته بندی مبدل های حرارتی

1) بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان:

جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب است. در مبدل های حرارتی با جریان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. دو مجرای جریان توسط یک جداره لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.

 

2) بر مبنای پدیده انتقال:

تبادل انرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیرمستقیم صورت می گیرد:

در نوع مستقیم، حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکی از این دو سیال  گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی قابل تفکیک هستند.

در نوع غیرمستقیم، حرارت ابتدا به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.

 

3) بر مبنای ساختمان مبدل:

در بسیاری مواقع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختمان تقسیم بندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از :

1) مبدل های حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)

2) مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)

3) مبدل های حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)

4) بازیاب حرارتی (Heat Recovers)

 

4) بر مبنای نوع جریان :

که شامل موارد زیر می شود :

1) جریان همسو (Co-Current)

2) جریان ناهمسو (Counter Current)

3) جریان متقاطع (Cross Current)

 

«مبدل های حرارتی لوله ای»

در این مبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غیر مستقیم می باشد و مکانیزم انتقال حرارت جابه جایی می باشد. این مبدل ها به دو دسته عمده تقسیم بندی می شوند:

1) دو لوله ای (Two Pipes) ، 2) پوسته و لوله (Shell & Tube)

 

- مبدل های حرارتی دو لوله ای:

ساده ترین نوع مبدل های حرارتی دو لوله ای هستند که یک سیال از درون لوله داخلی می گذرد و سیال دیگر در فضای بین دو لوله جریان دارد.

مبدل های حرارتی دو لوله ای زمانی کاربرد دارند که سطح تبادل کمی مورد لزوم باشد و در سرمایش و گرمایش هوا یا گازها کاربرد دارند.  

- مبدل های حرارتی پوسته و لوله :

نوعی از مبدل های حرارتی که در صنایع فرآیندهای شیمیایی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد از نوع پوسته-لوله می باشد.

یک سیال در لوله ها جریان می یابد در حالی که سیال دیگر درون پوسته و از روی لوله ها عبور می کند. جهت اطمینان از این که سیال درون پوسته از روی لوله ها می گذرد و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری صورت می گیرد، موانعی در داخل پوسته قرار داده می شود.

 

 

« مبدل های حرارتی صفحه ای»

این مبدل ها از صفحات نازک که کانال های جریان را تشکیل می دهد ساخته شده اند. جریان های سیال توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف یا موج دارند از هم جدا می شود. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز، مایع یا جریانهای دو فاز استفاده می شوند. این مبدل ها به سه دسته زیر تقسیم می شوند :

1) صفحه های واشردار (Gasket Plate) ،  2) صفحه های حلزونی (Spiral Plate)

3) لاملا (Lamella)

- مبدل های صفحه ای واشردار :

این مبدل ها شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار می باشد که سیال های گرم و سرد را از هم جدا می سازد. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که بایستی گرما بین آنها مبادله شود، یکی در میان در فضای بین صفحات جریان می یابند.

- مبدل های صفحه ای حلزونی :

مبدل های صفحه ای حلزونی با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی و جوش دادن به لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شوند.

- مبدل های لاملا :

مبدل های گرمایی لاملا شامل مجموعه کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که به طور موازی جوشکاری شده اند و یا به شکل لاملا (لوله های تخت یا کانال های مستطیلی) می باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند.

 

مبدل های حرارتی پره ای

نوع مبدل های پره دار عمدتا برای کاربردهای گاز- گاز استفاده می شود. در اکثر کاربرد ها کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به دلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن، مبدل های فشرده گرما همچنین به صورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، تبرید و سیستم های تهویه مطبوع استفاده می گردند. مبدل های صفحه ای پره دار برای استفاده در توربین گازی، نیروگاه های هسته ای و مهندسی پیشرانه و تبرید و گرمایش و تهویه سیستم های بازیابی گرمای اضافه و صنایع شیمیایی و سرمایش کاربرد دارند. این مبدل ها به چهار دسته زیر تقسیم می شوند :

1) پره ساده (Plain Fin) ، 2) پره ساده سوراخ دار (Plain Perforated Fin)

3) پره دندانه ای یا کنگره ای (Serrated Fin) ، 4) پره های جناغی یا موجی شکل (Herring Bake Fin)

*مبدل های حرارتی براساس جریان

- جریان همسو (هم جهت) :

در این نوع مبدل ها سیال سرد و گرم هر دو در یک جهت حرکت می کنند و در حین عبور از مبدل تبادل حرارتی انجام می دهند.

- جریان ناهمسو (مخالف جهت) :

در این نوع مبدل سیال سرد در یک جهت و سیال گرم در جهت عکس آن وارد مبدل می شود و بدین ترتیب تبادل حرارتی صورت می پذیرد. در شرایط یکسان برای یک مبدل با جریان ناهمسو میزان انتقال حرارت بیشتر خواهد بود.

- جریان متقاطع :

چنانچه یک سیال در لوله و سیال دیگر به صورت عمود بر لوله ها جریان داشته باشد، نوع جریان متقاطع خواهد بود. مبدل های حرارتی با جریان متقاطع در گرمایش و سرمایش هوا یا گازها کاربرد وسیعی دارند.

 

 

در این آزمایش ما از مبدل دولوله ای استفاده می کنیم پس جای دارد این مبدل ها را بهتر بررسی کنیم:

 

اين گونه از مبدل ها از دو لوله هم محور تشكيل شده اند. يكي از سيال ها در داخل لوله مياني و در امتداد طول آن جريان مي يابد و سيال ديگر در داخل حلقه بين دو لوله جريان خواهد يافت. ساير اجزاء ساختماني اين مبدل ها عبارتند از:

 
 زانوي برگشت*
سر برگشت*
اتصالاتT*

براي ورودي و خروجي سيال ها هنگامي كه اختلاف انبساط حرارتي بين لوله خارجي و داخلي وجود دارد در كاربرد نوع اتصالات مي بايد دقت كافي شود تا تنش حرارتي مينيمم گردد.

 

 

 

 

مبدل هاي لوله اي را مي توان بر اساس شكل تقسيم بندي نمود:

شکل)Uمبدل هاي لوله اي)


مبدل هاي دو لوله اي ساده))


( مبدل هاي دو لوله اي كويل دار)

 

موارد كاربرد و مزاياي مبدل هاي لوله اي
هنگامي كه ضريب انتقال حرارت سيال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از 2:1 باشد، مثلاً داخل لوله مايعات كم لزج مثل آب با ضريب انتقال حرارت بالا باشد و خارج آن از مايعات لزج استفاده شود معمولاً بجاي استفاده از مبدل هاي پوسته و لوله از مبدل هاي لوله اي استفاده مي شود. البته در اين موارد از پره با طول بلند كه باعث افزايش سطح مي شود، در خارج لوله استفاده مي شود. همچنين اگر سرويس هاي فشار بالا مورد نياز باشد ، مبدل هاي لوله اي ترجيحاً استفاده مي شود. در سرويس هاي كوچك نيز از اين مبدل ها استفاده مي شود.
استفاده و كاربرد زيادي كه مبدل هاي لوله اي دارند به خاطر مزاياي زير مي باشد:
اين سيستم ها داراي انعطاف پذيري زيادي هستند. در طول هاي مختلف و از انواع لوله هاي مختلف و از مواد مختلف ساخته مي شوند و خيلي سريع از سوار كردن قطعات استاندارد پيش ساخته آماده مي گردند . با انتخاب صحيح اتصالات به آساني مي توان قطعات آن را پياده نمود تا درون و بيرون لوله ها تميز شوند. محاسبات طراحي آنها به صورت دقيق و خوبي تدوين شده است. توزيع و پخش سيال را مي توان در واحدهاي مختلف كنترل نمود. اين كار با انتخاب پمپ هاي جداگانه براي هر سري مبدل امكان پذير است.

معايب مبدل هاي لوله اي
از معايب عمده اين مبدل ها مي توان موارد زير را نام برد:
براي بار حرارتي بزرگ، سيستم مبدل هاي دولوله اي حجم زيادي را اشغال مي كنند.1
قيمت آنها براي واحد سطح انتقال حرارت نسبتاً زياد است.2

 

 

 

مبدل گرمايي با جريان همسو :

 

در شكل توزيع دماي سيال گرم و سرد در مبدل گرمايي با جريان همسو نشان داده شده است . اختلاف دماي  ابتدا بزرگ است اما با افزايش x سريعاَ كاهش مي يابد و به طور مجانبي به صفر نزديك مي شود بايد توجه داشت كه در چنين مبدلي دماي خروجي سيال سرد هيچ وقت از دماي خروجي گرم بيشتر نمي شود . در شكل انديس هاي 1 و 2 دو سر متقابل را در مبدل نشان مي دهد از اين قرارداد براي تمام انواع مبدل هاي گرمايي استفاده مي شود . براي جريان همسو نتيجه مي شود :

 

 

 

با كاربرد موازنه انرژي براي عناصر ديفرانسيلي از سيالات گرم و سرد شكل  را مي توان تعيين كرد . همان طور كه در شكل نشان داده شده است ، هر عنصر داراي طول dx و مساحت سطح انتقال گرماي dA است .

 براي موازنه هاي انرژي و تحليل پيرو آن ، فرض هاي زير را در نظر مي گيريم :

1- مبدل گرمايي از اطراف خود عايق شده است ، و در اين حالت تبادل گرما فقط بين سيالات گرم و سرد است .

2- رسانش محوري در امتداد لوله ها ناچيز است .

3- تغييرات انرژي پتانسيل و جنبشي ناچيز است .

4- گرماهاي ويژه سيالات ثابت اند .

5- ضريب كلي انتقال گرما ثابت است .

البته گرماهاي ويژه بر اثر تغييرات دما تغيير مي كنند ، و ضريب كلي انتقال گرما بر اثر تغييرات خواص سيال و شرايط جريان ممكن است تغيير كند . ولي ، در بسياري از كاربردها اين تغييرات خواص قابل توجهي نيستند و مي توان با مقادير متوسط cp,c  ، cp,h و U كار كرد . با كاربرد موازنه انرژي براي هر يك از عناصر ديفرانسيلي شكل داريم :

كه در آن Ch و Cc به ترتيب ، آهنگ هاي ظرفيت گرمايي سيالات گرم و سرد هستند . از اين عبارت ها در طول مبدل گرمايي مي توان انتگرال گيري كرد و موازنه هاي انرژي كل داده شده با معادله هاي  و  را به دست آورد . انتقال گرما در مساحت سطح dA را نيز ميتوان به صورت زير بيان كرد :

كه در آن  اختلاف دماي محلي بين سيالات گرم و سرد است .

 

با انتگرال گيري در طول مبدل گرمايي ،

يا

با جايگذاري براي Ch و Cc نتيجه مي شود :

براي مبدل گرمايي با جريان همسو در شكل بالا با توجه به اينكه  و  به دست مي آوريم :

عبارت بالا نتيجه مي دهد كه اختلاف دماي متوسط مربوطه عبارت است از اختلاف دماي ميانگين لگاريتمي . لذا مي نويسيم :

كه در آن :

مي دانيم كه براي مبدل با جريان همسو :

 

 مبدل گرمايي با جريان ناهمسو :

 

 

توزيع دماي سيالات گرم و سرد در مبدل گرمايي با جريان ناهمسو در شكل فوق نشان داده شده اند . بر خلاف مبدل با جريان همسو ، در مبدل با جريان ناهمسو انتقال گرما بين قسمت هاي گرم دو سيال در يك سر ، و همچنين بين قسمت هاي سرد دو سيال در سر ديگر روي مي دهد . به همين دليل اختلاف دما ، در طول مبدل در هيچ جا به بزرگي ناحيه ورودي مبدل با جريان همسو نيست . توجه كنيد كه دماي خروجي سيال سرد در اينجا مي تواند بزرگ تر از دماي خروجي سيال گرم باشد .

براي مبدل با جريان ناهمسو اختلاف دما در نقاط انتهايي به صورت زير تعريف مي شود :

بايد دانست كه ، براي دماهاي ورودي و خروجي يكسان ، اختلاف دماي ميانگين لگاريتمي در جريان ناهمسو از اختلاف دماي ميانگين لگاريتمي در جريان همسو بيشتر است ،  .  لذا ، با فرض مقدار U يكسان ، مساحت سطح لازم براي ايجاد آهنگ انتقال گرماي معين q در جريان ناهمسو كمتر از مساحت لازم در جريان همسو است . همچنين Tc,o در جريان ناهمسو مي تواند بيشتر از Th,o باشد ولي براي جريان همسو اين طور نيست .

 

 

 

 

 

 

 

شرح آزمایش:

در این آزمایش قصد داریم رفتار یک مبدل دو لوله ای را طی جریانهای همسو وناهمسو مورد بررسی قرار دهیم.

برای این کار از یک مبدل دولوله ای باطول 2 متر استفاده میکنیم که روی سر آن شیرهایی برای کنترل جهت حرکت جریان فراهم شده اند. در این آزمایش آب گرمرا از درون لوله عبور می دهیم. جهت عبور آب گرم از درون لوله ثابت است و تغییر نمیکند. آب سرد از طرف پوسته وارد می شود و همسو یا ناهمسو بودن آن با آب گرم را در دو مرحله آزمایش مورد بررسی قرار میدهیم.

یک بار جریان آب سرد را همسو با آب گرم و بار دیگر ناهمسو با آن در مبدل قرار می دهیم و رفتار مبدل را بررسی کرده و نتایج را گزارش می کنیم.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

محاسبات:

Test:1

 

مقدار خوانده شده

دما

نوع جریان

30.6

 

همسو

 

35.9

50.3

46

 

       دبی جریان گرم

دبی جریان سرد=unknown

D=1cm=0.01m                                          L=1m

 


حال برای محاسبهQ داریم:

                                                                             

                         
از آنجایی که دبی آب سرد را نداریم ،خواهیم داشت:

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

 

 

 

 

 

 

 


 

Test:2

مقدار خوانده شده

دما

نوع جریان

35.6

 

نا همسو

 

31.1

50.6

46

 

       دبی جریان گرم

دبی جریان سرد= unknown

D=1cm=0.01m                                          L=1m

 

 

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                      حال برای محاسبهQ داریم:

                                                                             

                         
از آنجایی که دبی آب سرد را نداریم ،خواهیم داشت:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

مقایسه ونتیجه گیری:

در اين آزمايش با مبدل حرارتي دو لوله اي و اجزاي آن آشنا شديم و نحوه کار کردن آن را آزمايش کرديم و با اندازه گيري دماهاي ورودي و خروجي در قسمت گرم وسرد توانستيم مقدار ضريب کلي انتقال گرما را محاسبه کنيم . دماي تئوري و به دست آمده از آزمايش را مقايسه کرديم و متوجه شديم که دماي واقعي کمتر است ودر حقيقيت مقدار گرماي کمتري نسبت به تئوري در عمل منتقل مي شود و اين به خاطر  رسوبات درون مبدل و ناخالصيهاي درون آب مي باشد.

 در جريان نا همسو نيز انتقال گرماي بيشتري منتقل مي شود و اصولا استفاده از روش همسو آرايش مناسبي نمي باشد.البته اين مطلب را قبلاً در درس انتقال حرارت 2 نيز اثبات کرده بوديم .ولی در این آزمایش بخاطر خطاهای موجود ازجمله نادیده گرفتن دبی جریان آب سرد در محاسبات ،عکس این واقعیت اتفاق افتاده است.

 

عوامل خطا:

1-تاثیر دما محیط بر روی لوله هایی که سیال از آن می گذرد

2-اشتباه دستگاه در اندازه گیری دماهای ورودی وخروجی

3-روتامتری که دبی جریان آب سرد را نشان میدهد کار نمی کرد

4- عایق نبودن لوله ها

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       

 

 

 

آزمایش سوم:

 

 

 

 

 

 

انتقال حرارت تشعشعی  

Radiation

 

 

 

 

 

هدف آزمايش :

آشنايي بامفاهيم اوليه انتقال حرارت از طريق تشعشع

 

تئوري آزمايش:

انتقال حرارت تشعشعي :

 برخلاف مكانيزم هدايت وجابجايي كه انتقال انر‍‍ژي از طريق ماده اي واسطه صورت مي گرفت،حرارت مي تواند از ناحيه اي كه خلا كامل وجود دارد نيزعبور نماييد .مكانيزم اين حالت تشعشع الكترو مغناطيسي است الزامات ترموديناميكي نشان مي دهد كه يك تشعشع كننده ايده آل يا جسم سياه ،انرژي را با نرخي متناسب با توان  چهارم درجه حرارت مطلق جسم ونيز متناسب با سطح آن منتشر مي سازد لذا

q=dAT4

 

(d) ثابت تناسب است و ثابت استفان بولتزمن ناميده مي شود كه مقدارآن معادل(5.669*10-8) مي باشد. معادله q=dAT4 را قانون استفان بولتزمن مي نامند و تنها براي اجسام سياه معتبر است . ياد آوري اين نكته مهم است كه اين معادله تنها براي تشعشع  حرارتي سودمند است و براي ساير انواع تشعشعات الكترومغناطيسي رابطه مورد استفاده به سادگي نيست. معادله فوق تنها حاكم  بر تشعشع منتشر شده از يك جسم سياه است . تبادل تشعشعي خالص بين دو سطح متناسب با اختلاف در جه حرارت هاي مطلق آنها با توان چهارم است يعني :                             

 

q/A α δ ( T14 – T24 )

 

 

 

متذكر شويم كه جسم سياه ، جسمي است كه انرژي را مطابق با قانون T4   منتشر مي كند . ما چنين جسمي را سياه مي ناميم  زيرا اجسام سياه ، نظير قطعه اي فلز كه با كربن سياه پوشيده شده است ، تقريبا اين رفتار را نشان مي دهد . اگرچه انواع سطوح ، نظير يك سطح رنگ شده ي براق يا صفحه فلزي پرداخته شده ، به اندازه  يك جسم سياه تشعشع ندارد تشعشع كل منتشر شده از اين اجسام با ز هم به طوركلي از تناسب 4T تبعيت مي كند. براي به حساب آوردن ماهيت >>خاكستري << چنين سطوحي ،ضريب ديگري را در معادله ي انتقال حرارت وارد مي كنيم كه موسوم به >>ضريب انتشارe << است كه تشعشع جسم خاكستري  را به جسم سياه ايده آل مربوط مي سازد .علاوه بر اين ،با يد اين حقيقت را هم در نظر داشته باشيم كه تمام تشعشع خروجي از يك سطح به يك سطح ديگر نمي رسد زيرا تشعشعات الكترو مغناطيسي در خط مستقيم  حركت كرده و قسمتي از آنها در محيط از ميان مي روند. لذا دو ضريب جديد ديگر براي محاسبات هر دو موقعيت مذكور در معادله ي انتقال حرارت وارد مي كنيم  به طوري كه :

 

q= FE FS δ A ( T14 – T24 )

 

در معادله فوق FE ضريب انتشارو   Fsتابع هندسي  ضريب ديد است.

 

 

 

اگر اين صفحه سياه در دما ي TB در محيط خلا قرار گيرد ، شار حرارت ساطع شده از آن به صورت تشعشع حرارت تنها از يك سو به صورت زير مي باشد :

 

صفحه ی سیاه در دمایT

 

                                                   عایق                  

 

     اگر يك صفحه ي خاكستري در دماي  T1 در همان محيط باشد ، تشعشع حرارتي ساطع شده از آن >> از يك سوي صفحه  <<به صورت روبه رو است :

q= δ ε T B 4

 

ضريب تشعشع در خصوص اجسام سياه {Blak body}  =1 ε  و براي اجسام ديگر بين صفر ويك است.

هرگاه دو صفحه 1و2 در مقابل همديگر قرار بگيرند ،تشعشع حرارتي بين دو صفحه به صورت زير مي باشد :

 

تشعشع از صفحه 1به2          :            q12  = δ ε1 T14 – δ ε2 t24

تشعشع از صفحه 2به1           :            q21 = δ ε2 T24  -δ ε1 T14

 

 

تشعشع حرارتي به شكل جسم نيز بستگي داشته واين تاثير به صورت ضريب شكل  مطرح مي شود ،در خصوص صفحات صاف ،ضريب شكل برابر با 1 در نظر گرفته مي شود .

از نظر تئوري  وقتي كه تشعشع از يك صفحه ايده آل گرم به يك صفحه ي سرد مي رسد در خلا صورت مي گيرد ،به دليل  اينكه شعاع هاي حرارتي از سطح سطح صفحه گرم به صورت موازي پخش مي شوند. در تئوري فاصله صفحه سرد از صفحه گرم تاثيري در ميزان شار تشعشع ندارد وشار حرارتي جذب شده در فواصل متفاوت ثابت خواهد بود. 

ولي در حالت واقعي حتي در خلا پرتو هاي حرارت ي به صورت موازي نبوده وبه صورت واگرا پخش مي شوند بنابران شار حرارتي در فوصل متفاوت تغيير مي كند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



ارسال شده در: یکشنبه نهم مرداد 1390 :: 21:40 :: توسط : حسین فرازی
درباره وبلاگ
حسین فرازی فارغ التحصیل رشته مهندسی تکنولوژی صنایع شیمیایی و کارمند شرکت نفت هستم امیدوارم مطالب وبلاگ براتون مفید باشه.
 
 

قالب رنگارنگ