مبدل‌های حرارتی پره‌ای حرارتی (Fin Heat Exchanger)
طراحی مبدل های حرارتی صفحه-پره فشرده ارائه می دهد
این مقاله روشی را برای طراحی مبدل های حرارتی صفحه-پره فشرده ارائه می دهد که در آن استفاده از افت فشار کامل به عنوان یک هدف طراحی در نظر گرفته می شود. این روش مبتنی بر توسعه یک مدل ترمو هیدرولیک است که نشان دهنده رابطه بین افت فشار، ضریب انتقال حرارت و حجم مبدل است. یک رویکرد ساده برای انتخاب سطح بر اساس مفهوم شاخص عملکرد حجمی (VPI) نیز ارائه شده است. سطوحی که منجر به کمترین حجم می شوند، VPI بالاتری را نشان می دهند. سطوح بر اساس VPI مقایسه می شوند و پاکت ها برای بهترین عملکرد تولید می شوند. انتخاب سطح و طراحی همزمان برای استفاده کامل از افت فشار را می توان با استفاده از پوشش ها برای بهترین عملکرد سطح همراه با مدل ترمو هیدرولیک به دست آورد. الگوریتم های طراحی برای ترتیبات جریان متقاطع و جریان مخالف ارائه شده و نتایج با مقایسه آنها با مطالعات موردی از ادبیات آزمایش شده است.
مبدل حرارتی باله صفحه ای (PFHE) نوعی مبدل فشرده است که از دسته ای از صفحات تخت متناوب به نام صفحات جداکننده و باله های موجدار تشکیل شده است که به صورت یک بلوک به هم لحیم شده اند. جریان ها با جریان یافتن در امتداد گذرگاه های ساخته شده توسط باله ها بین صفحات جداکننده، گرما را تبادل می کنند. پره ها هم به عنوان سطح انتقال حرارت ثانویه و هم به عنوان پشتیبان مکانیکی برای فشار داخلی بین لایه ها عمل می کنند. انواع مختلفی از باله‌ها وجود دارد که بهینه‌سازی طراحی PFHE را برای هر معیار دلخواه مانند هزینه، وزن، اثربخشی حرارتی یا افت فشار ممکن می‌سازد. در میان طیف وسیع سطوح ثانویه موجود، دو شکل اساسی که هر کدام دارای ویژگی‌های انتقال حرارت و افت فشار خاص خود هستند، در اینجا در نظر گرفته می‌شوند. اینها عبارتند از: نوع باله ساده و باله لووردار .
PFHE نسبت به سایر اشکال مبدل حرارتی دارای مزایایی است که فقط با دما و فشار سیال عامل محدود می شود. این مزایا عبارتند از: رویکردهای دمایی بسیار نزدیک و اثربخشی حرارتی بالا، مساحت بزرگ انتقال حرارت در واحد حجم (معمولی 1000 متر مربع/ متر مکعب)، وزن کم در انتقال واحد و امکان تبادل حرارت بین بسیاری از جریان‌های فرآیند.
طراحی مبدل حرارتی مستلزم تعیین وظیفه حرارتی، افت فشار مجاز جریان و جنبه های خاصی از هندسه مبدل است. با یک PFHE، جنبه های هندسی سطوح انتقال حرارت ویژه ای است که در هر جریان استفاده می شود.
همانند نوع مرسوم مبدل‌های حرارتی، رویکرد سنتی در طراحی مبدل‌های حرارتی پره-ورقه‌ای، افت فشار را به عنوان یک محدودیت در نظر می‌گیرد. این روش شامل آزمایش سیستماتیک هندسه ها است تا ببینیم کدام یک وظیفه حرارتی مشخص شده را در محدوده افت فشار قابل قبول ارائه می دهند.
طراحی یک PFHE را می توان به روشی متفاوت مورد بررسی قرار داد. روشی که در آن افت فشار جریان، همراه با وظیفه حرارتی به عنوان اهداف طراحی در نظر گرفته می‌شود، استخراج شده است. این رویکرد برای مبدل‌های حرارتی با پره صفحه و نمونه‌هایی برای مواردی که سطوح انتقال حرارت قبل از طراحی مشخص شده‌اند، به کار رفته است.
تعداد زیادی از سطوح ثانویه برای طراحی PFHE در دسترس هستند و از آنجایی که باید در ابتدای هر طراحی مشخص شوند، وجود معیارهایی برای انتخاب آنها در این مرحله ضروری است.
عملکرد سطوح انتقال حرارت به طرق مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است: حجم در مقابل توان مصرفی، سطح جلویی در مقابل توان مصرفی، ضریب انتقال حرارت به عنوان تابعی از توان پمپاژ در واحد سطح انتقال حرارت و غیره. مقایسه عملکرد سطوح منفرد بر اساس این نوع تجزیه و تحلیل، اطلاعات مفیدی را برای کار انتخاب سطح ارائه می دهد.
متأسفانه، این نوع آنالیزها به طور کلی برای سطوح فردی اعمال می شود. وقتی نوبت به طراحی واقعی می رسد، انتخاب سطحی که روی جریان تطبیق استفاده می شود می تواند بر عملکرد کلی مبدل تأثیر بگذارد. بنابراین عملکرد سطوح در ترکیب مهم است. در حال حاضر، هیچ روش سیستماتیکی وجود ندارد که انتخاب سطوح در هر دو طرف را برای محدودیت‌های طراحی در نظر بگیرد. این مقاله یک رویکرد ساده برای طراحی همزمان PFHE و انتخاب سطح بر اساس مفهوم شاخص عملکرد حجمی ارائه می‌کند.
شاخص عملکرد حجمی
یک هدف معقول در طراحی مبدل حرارتی فشرده، تولید کوچکترین واحد (از نظر وزن و حجم و در محدوده ابعاد بلوک معقول) است که وظیفه مورد نیاز را در محدودیت های افت فشار مشخص شده برآورده کند. حجم مبدل های کوچکتر با استفاده از سطوحی که “عملکرد بالا” را نشان می دهند به دست می آید.
مدل ترمو هیدرولیک
کلید اشتقاق روش طراحی بر اساس استفاده کامل از افت فشار، توسعه یک مدل ترمو هیدرولیک برای مبدل‌های صفحه-پره فشرده است. این مدل افت فشار یک جریان خاص را به حجم کل مبدل و ضریب انتقال حرارت آن سمت مبدل مرتبط می کند.
عملکرد انتقال حرارت برای تعداد زیادی از سطوح فشرده را می توان از نظر عدد رینولدز مرتبط کرد. عبارات مرتبط شکل The term را می گیرند
