پایان نامه فرآیند های حالت نا پایدار و انبوه

فصل اول

فرآیند های حالت ناپایدار و انبوه

مقدمه:

روابط فصل های قبل فقط در حالت پایدار به کار می روند که در آن جریان گرما و دمای منبع با زمان ثابت بودند. فرآیندهای حالت ناپایدار آنهایی هستند که در آنها جریان گرما، دما و یا هر دو در یک نقطه ثابت با زمان تغییر می کنند. فرآیندهای انتقال حرارت انبوه فرآیندهای حالت ناپایدار نمونه ای هستند که در آنها تغییرات حرارت ناپیوسته ای رخ می دهند همراه با مقادیر خاصی از ماده در هنگام گرم کردن مقدار داده شده ای از مایع در یک تانک یا در هنگامی که یک کوره سرد به کار افتاده است.

همچنین مسائل رایج دیگری نیز وجود دارند که مثلاً شامل می شوند بر نرخی که حرارت از میان یک ماده به روشی رسانایی انتقال می یابد در حالی که دمای منبع گرما تغییر می کند. تغییرات متناوب روزانه حرارت خورشید بر اشیاء مختلف یا سرد کردن فولاد در یک حمام روغن نمونه راههایی از فرآیند اخیر هستند. سایر تجهیزاتی که بر اساس روی خصوصیات حالتی ناپایدار ساخته شده اند شامل کوره های دوباره به وجود آورنده(اصلاحی) که در صنعت فولاد استفاده می شوند، گرم کننده دانه ای(ریگی) و تجهیزاتی که در فرآیندهای بکار گیرنده کاتالیست دمای ثابت یا متغیر به کار می روند هستند.

در فرآیند های کلان برای گرم کردن مایعات نیازمندیهای زمانی برای انتقال حرارت معمولاً می توانند بوسیله افزایش چرخه سیال کلان و یا واسطه انتقال حرارت و یا هر دو  اصلاح شوند.

دلایل به کار گرفتن یک فرآیند کلان به جای به کارگیری دیگ عملیات انتقال حرارت پیوسته بوسیله عوامل زیادی دیکته می شوند:

بعضی از دلایل رایج عبارتند از 1) مایعی که مورد فرآیند قرار می گیرد به صورت پیوسته در دسترس نیست 2) واسط گرم کردن یا سرد کردن به طور پیوسته در دسترس نیست 3)نیازمندیهای زمان واکنش یا زمان عملکرد متوقف شدن را ضروری می سازد 4) مسائل اقتصادی مربوط به مورد فرآیند قرار دادن متناوب یک حجم وسیع، ذخیره یک جریان کوچک پیوسته را توجیه می کند 5)تمیز کردن و یا دوباره راه‌اندازی کردن یک بخش برای دوره کاری است و 6)عملکرد ساده بیشتر فرآیندهای کلان سودمند و خوب است.

به منظور مطالعه کردن منظم و با قاعده رایج ترین کابردهای فرآیندهای انتقال حرارت حالت ناپایدار و کلان ترجیح داده می شود که فرآیندها را به دسته های (aمایع (سیال) گرما دهنده یا خنک کننده و  b) جامد خنک کننده یا گرم کننده تقسیم کنیم.

رایج ترین نمونه ها در ذیل آورده شده اند:

1)مایعات سرد کننده و گرم کننده

a) مایعات کلان             b)تقطیر کلان

2)جامدات خنک کننده یا گرم کننده

a)دمای واسط ثابت        b)دمای متغیر دوره ای  c)دوباره تولید کننده ها(ژنراتورها)

d)مواد دانه ای در بسته ها

مایعات سرد کننده و گرم کننده

1) دمای مایع انبوه

مقدمه

بومی، مولر و ناگل رابطه ای برای زمان مورد نیاز را برای گرم کردن یک توده تکان داده شده بوسیله غوطه ورسازی یک کویل گرم کننده بدست آورده اند که برای زمان است که اختلاف دما معادل LMTD (اختلاف دمای میانی لگاریتمی) برای جریان روبه رو داده شده باشد.

فیشر محاسبات انبوه را گسترش داده است برای شامل شدن یک جدول خارجی جریان مقابل، چادوک و سادرنر حجم های تکان داده شده را مورد بررسی قرار داده اند که با مبدل های خارجی جریان مقابل همراه با اضافه سازی پیوسته مایع به تانک گرم شده اند همچنین به میزان حرارت در این راه حل پرداخته اند.

بعضی از روابطی که به دنبال می آیند برای کویل ها در تانک ها و محفظه های پوشانده شده به کار می روند. اگرچه روش بدست آوردن ضرائب انتقال حرارت برای این اجزاء تا فصل 20 به تعویق انداخته شده است.

تشخیص دادن حضور یا عدم حضور تکان در یک مایع کلان همیشه امکانپذیر نیست. گرچه دو مقدمه فوق منجر به نیازمندیهای متفاوتی برای نائل شدن به یک تغییر دمای کلان در یک دوره زمانی داده شده می شوند.

زمانی که یک محرک مکانیکی در یک تانک یا محفظه همانند شکل 1.‌18 نصب می‌شود نیازی به این پرسش که سیال تانک تکان داده شده یا نه نیست.

زمانی که محرک مکانیکی وجود ندارد ولی سیال به طور پیوسته در حال گردش است ما نتیجه این که حجم تکان داده شده است یک نوع احتیاط و دوراندیشی است.

در بدست آوردن معادلات کلان در ذیل T به مایع داغ انبوه یا واسط گرم کردن اشاره می کند. t به مایع سرد انبوه یا واسط خنک سازی اشاره دارد. موارد ذیل در این جا مورد بررسی قرار می گیرند.

حجم های خنک سازی یا گرم سازی متلاطم جریان متقابل

کویل در تانک یا محفظه پوشانده شده، واسط ایزوترمال

کویل در تانک یا محفظه پوشانده شده، واسط غیر ایزوترمال

مبدل خارجی، واسط ایزوترمال

مبدل خارجی، واسط غیر ایزوترمال

مبدل خارجی مایع پیوسته اضافه شده به تانک، واسط ایزوترمال

مبدل خارجی مایع پیوسته اضافه شده به تانک، واسط غیر ایزوترمال

حجم های خنک ساز یا گرم کننده متلاطم، جریان متقابل موازی

مبدل 2-1 خارجی

مبدل 2-1 خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده به تانک

مبدل 4-2 خارجی

مبدل 4-2 خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده به تانک

حجم های گرم ساز و خنک کننده بدون تکان دهی

مبدل جریان مقابل خارجی، واسط ایزوترمال

مبدل جریان مقابل خارجی، واسط غیر ایزوترمال

مبدل  2-1 خارجی

مبدل  4-2 خارجی

حجم های تکان داده  شده خنک ساز و گرم کن

چندین راه برای در نظر گرفتن فرآیندهای انتقال حرارت کلان وجود دارد. اگر تکمیل کردن یک عملکرد معین در زمان داده شده مطلوب باشد، سطح مورد نیاز معمولاً مجهول است. اگر سطح انتقال حرارت معلوم است، مانند نصب فعلی زمان مورد نیاز برای تکمیل کردن عملکرد معمولاً نامعین است و یک حالت سوم زمان پیش می آید که زمان و سطح هر دو معلوم هستند ولی دما در پایان زمان مورد نظر مجهول است. فرضیات زیرین در بدست آوردن معادلات 1/18 تا 23/18 در نظر گرفته شده اند:

1)برای فرآیند و تمام سطح ثابت است

2)نرخهای جریان مایع ثابت هستند

3)گرماهای ویژه برای فرآیند ثابت هستند

4)واسط گرم سازی یا خنک سازی یک دمای ورودی ثابت دارد

5)تکان دهنده یک دمای سیال انبوه  یکسان و یکنواخت فراهم می کند.

6)هیچ گونه تغییر فاز جزیی رخ نمی دهد

7)تلفات گرمایی قابل اغماض هستند.

حجم های تکان داده شده خنک ساز یا گرم کننده جریان متقابل

کویل در تانک یا محفظه پوشانده شده واسط گرم کننده ایزوترمال

ترتیب نشان داده شده در شکل 1/18 را در نظر بگیرید، شامل یک محفظه تکان داده شده شامل M پوند از مایع با گرمای ویژه c و دمای اولیه  که بوسیله یک سیال متراکم شونده با دمای  گرم می شود. دمای batch،  در هر زمان  بوسیله تعادل گرمایی دیفرانسیلی داده می شود. اگر  مقدار کل btu انتقال یافته است در این صورت به ازای واحد زمان

18/4                                            

با انتگرال گیری از  تا  در هنگامی که زمان اثر به  می رسد،

18/5                                            

کاربرد یک رابطه مانند 5/18 نیازمند محاسبه مستقل V برای کویل یا محفظه پوشانده شده همانند فصل 20 است فصل 20 است. با Q و A ثابت بوسیله شرایط فرآیند زمان گرم سازی مورد نیاز می تواند محاسبه شود.

کویل در تانک یا محفظه پوشانده شده، واسطه خنک سازی ایزوترمال

مسائل این نوع معمولاً در فرآیند دمای پایین رخ می دهد که در آنها واسط خنک کننده یک مبرد است که به جزء خشک سازی در دمای جوش ایزوترمالش تغذیه می‌شود. مطابق با همان ترتیب نشان داده شده در شکل 1/18 شامل M پوند از مایع با گرمای ویژه C و دمای اولیه  که با یک واسط بخار شونده با دمای  خنک می شود اگر  دمای توده در هر زمان  باشد.

کویل در تانک یا محفظه پوشانده شده، واسط گرم ساز غیر ازوترمال

واسط غیر ایزوترمال گرم کننده برج جریان ثابت W و دمای ورودی  دارد ولی دمای خروجی متغیر است.            

قرار می گذاریم که   و با دمای پنداشتی a و b را معادله 8/18 در این I

کویل در تانک، واسط خنک ساز غیر ایزوترمال

مبدل حرارت خارجی، واسط گرم کننده ایزوترمال

ترتیب شکل 2/18 را در نظر بگیرید در آن سیال بوسیله یک مبدل خارجی گرم می‌شود. از آنجایی که واسط گرم کننده ایزوترمال است، هر نوع مبدل با بخار در پوسته یا لوله می تواند به کار برده شود. امتیازات گردش اجباری برای هر دوره این ترتیب را پیشنهاد می کند.

دمای متغیر بیرون از مبدل  از دمای متغیر تانک t متمایز است و تعادل گرای دیفرانسیلی برای این وسیله داده می شود:

18/12                                

با فرض

مبدل بیرونی، واسط خنک کننده ایزوترمال

18/14                                

در مبدل بیرونی، مبدل گرماساز غیر ایزوترمال، تعادل حرارت دیفرانسیلی بدین وسیله داده می شود.

18/15                      

دو دمای متغیر  و  وجود دارند که در LMTD ظاهر می شوند که باید در ابتدا حذف شوند.

با معادل گرفتن a و b در معادله 15/18

اجازه دهید که   باشد و

مبدل خارجی محل خنک کننده غیر ایزوترمال

مبدل خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده به تانک، واسط گرم کننده ایزوترمال، اجزای فرآیند در شکل 3/18 نشان داده شده اند، مایع تدریجاً با نرخ  و سرمای ثابت  به تانک اضافه می شود فرض شده است که هیچگونه تأثیرات حرارتی شیمیایی همراه با اضافه سازی آب به تانک وجود ندارد.

از آنجا که M پوند مایع ابتدایی در توده  میزان پوند در ساعت است، مقدار مایع کلی در هر زمان  است. تعادل گرمایی و دیفرانسیلی به این صورت خواهد بود.

18/8                                  

و                              

از آنجایی که                         

با حل نسبت به

با جانشینی در معادله 18/18

اگر اضافه کردن مایع به تانک باعث ایجاد یک گرمای درونی یا بیرونی میانگین انحلال شود،  ترکیب ، می توان آن را با اضافه کردن  به صورت عدد مخرج کسر سمت چپ در نظر گرفت زیرنویسی 0 به ترکیب اشاره دارد.

مبدل خارجی مایع تدریجاً اضافه شده به تانک، واسط خنک کننده ایزوترمال

حرارت آثار از حلال می تواند با اضافه کردن  به صورت و سمت چپ در نظر گرفته شود.

مبدل خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده به تانک، واسط گرم کننده غیر ایزوترمال

تعادل حرارتی برابر با دما، معادله 81/18 برای گرم کردن است به استثنای اینکه  برای دمای ورودی و خروجی واسط گرم کننده است.

با قرار دادن                                              

آثار گرمای انحلال می توانند با اضافه کردن  به صورت و مخرج کسر سمت چپ در نظر گرفته شوند.

مبدل خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده ه تانک، واسط خنک کننده ایزوترمال

آثار گرمای انحلال می توانند با اضافه کردن  به صورت و مخرج سمت چپ در نظر گفته شوند. حجم های تکان داده شده (متلاطم) خنک کننده و گرم کننده، جریان متقابل- جریان موازی مشتقات مواد قبلی شامل فرض می شدند، که به مبدلهای تمام خارجی نیاز دارند که دو جریان متقابل کار می کردند با واسط های خنک کننده و گرم کننده غیر ایزوترمال این موضوع همیشه سومند نخواهد بود.

به این دلیل که ساختار امتیازات مربوط به کارایی را فدای تجهیزات چند گذره ای مانند مبدل 2-1 می کند. مبدل خارجی 2-1 می تواند با استفاده کردن از اختلاف دمایی تعریف شده در معادله 37-7 مد نظر قرار بگیرد.

بدین ترتیب

و s به همان خوبی R یک ثابت است که از دمای خروجی مبدل مستقل است.

مبدل خارجی 2-1، گرم کردن

با بکار بردن همان تعادل گرمایی تعریف شده در معادله 15/18

25-18

با بازآرایی،      

که S با معادله 24-18 تعریف می شود.

مبدل خارجی 2-1، خنک کردن،

26-18                                        

که مجدداً با رابطه 24-18 تعریف می شود.

مبدل خارجی 2-1، مایع تدریجاً اضافه شده به تانک، گرمایشی

با ساده سازی

که s به وسیله معادله 24/18 تعریف می شود. آثار گرمایی انحلال می تواند با اضافه کردن  به صورت و مخرج معادله سمت چپ در نظر گرفته شوند.

مبدل خارجی 2-1، مایع تدریجاً اضافه شده به تانک، خنک سازی

29/18                      

که S به وسیله معادله 24/18 تعریف می شود. آثار گرمای می تواند با اضافه کردن  به صورت و مخرج سمت چپ در نظر گرفته شود.

حجم های متلاطم خنک کردن و گرم کردن، جریان موازی- جریان متقاطع

معادله 5/8 نسبت های دماهای واقعی را برای مبدل 24 می دهد. این موضوع می تواند با عبارتهای شامل دوباره بازآرایی شدن و معادل های زیر را بدهد:

32/18                               

از آنجا که  نمی تواند به صورت ساده بیان شود، معادله 31/18 باید با سعی و خطا و با در نظر گرفتن مقادیر s تا زمانی که یک تساوی بدست آید، حل شود.

مبادلات گرم کردن و سرد کردن همان هایی هستند که برای مبدل 2-1 بعد یافتند به استثنای اینکه مقدار s از رابطه 31/18 جانشینی مقدار s در رابطه 24/18 می شود. آثار گرمای انحلال می توانند به همان ترتیب مبدلهای 2-1 مورد نظر قرار بگیرند.