مبادله کن های گرما
روابط انتقال گرمای جابجایی اجباری برای سمت جریان یک فاز در مبادله کن های گرما
مقدمه
در این فصل ، روابط توصیه شده برای سمت جریان یک فاز [1] ( یا سمت های یک فاز ) در مبادله کن های گرما ، ارائه شده اند . در بسیاری از مبادله کن های گرما با جریان دو فاز ، از قبیل دیگهای بخار ، مولدهای هسته ای بخار ، چگالنده های نیروگاهی ، و تبخیر کننده ها و چگالنده های مورد استفاده در تهویه مطبوع و تبرید ، جریان در یک سمت ، یک فاز است ، در حالیکه در سمت دیگر ، جریان دو فاز می باشد . عموماً سمت جریان یک فاز ، مقاومت گرمایی بزرگترین بویژه با جریان گاز یا روغن ، نشان می دهد . در این فصل مروری جامع در روابط موجود برای جریان آرام و آشفته سیال های نیوتونی یک فاز در مجراهای با مقطع دایره ای و غیر دایره ای ، با یا بدون اثر تغییرات خواص فیزیکی انجام شده است . تعداد زیادی از روابط تجربی و تحلیل ، برای محاسبه ضرایب انتقال گرما و ضرایب اصطکاک جریان های آرام و آشفته در مجراها و از میان دسته لوله ها ، در دسترس هستند .
روابط انتقال گرمای جابجایی اجباری [2] آرام و آشفته برای سیالهای یک فاز ، دسته مهمی از حل مساعل انتقال گرما را برای کاربردهای مبادله کن گرما ارائه می کنند . هنگامیکه سیال لزجی وارد مجرایی می شود ، لایه مرزی [3] در طول دیواره ، تشکیل خواهد شد . لایه مرزی بتدریج در کل سطح مقطع مجرا توسعه می یابد و از آن به بعد ، به جــــریان، جریان کاملاً توسعه یافته گفته می شود . به فاصله ای که در طی آن ، سرعت ، کاملاً توسعه یافته می شود ، طول ورودی هیدرودینامیکی ( Lhe ) گویند . هر جند بصورت نظری ، نزدیک شدن به نمودار توزیع سرعت کاملاً توسعه یافته است ، به شکل مجانبی است و تعیین محلی معین ، که در آنجا لایه مرزی در مجرا کاملاً توسعه یافته است ، غیر ممکن می باشد ، با اینحال برای تمام کاربردهای عملی ، طول ورودی هیدرودینامیکی ، محدود است . اگر دیواره های مجرا گرم یا سرد شوند ، لایه مرزی گرمایی نیز در طول دیواره مجرا توسعه خواهد یافت . در نقطه ای معین در پایین دست جریان ، می توان در مورد نمودار توزیع دما که کاملاً توسعه یافته است صحبت نمود که در آن نقطه ، ضخامت لایه مرزی گرمایی تقریباً نصف قطر سطح مقطع می باشد . مسافتی که در طی آن نمودار توزیع دما ، کاملاً توسعه یافته می شود ، طول ورودی گرمایی ( Lte ) نامیده می شود .
اگر گرمایش یا سرمایش ، از ورودی مجرا شروع شود ، هم نمودار توریع سرعت و هم نمودار توزیع دما به صورت همزمان توسعه می یابند . مسأله انتقال گرما در این شرایط ، به مسأله طول ورودی هیدرودینامیکی و گرمایی مرکب یا مسأله ناحیة توسعة همزمان منجر می شود . بنابراین چهار حالت در جریان عبوری از مجراها ، با گرمایش یا سرمایش وجود دارد ، که عبارتند از ، حالت کاملاً توسعه یافتة هیدرودینامیکی و گرمایی ، حالت کاملاً توسعة یافته هیدرودینامیکی ولی در حال توسعة گرمایی ، حالت توسعه یافتة گرمایی ولی در حال توسعة هیدرودینامیکی ، و حالت توسعة همزمان ، بطوریکه روابط طراحی باید مطابق با این دسته بندیها ، انتخاب شوند .
نرخهای نسبی توسعة نمودارهای توزیع سرعت و دما در ناحیه ورودی مرکب ، به عدد پرانتل سیال
بستگی دارد . برای
سیالهای دارای عدد پرانتل بزرگ از قبیل روغنها ، با اینکه نمودارهای توزیع سرعت و
دما در ورودی لوله یکنواخت هستند ، نمودار توزیع سرعت ، بسیار سریعتر از نمودار
توزیع دما به حالت توسعه کامل می رسد . در مقابل ، برای سیالهای دارای
1- Single - phase
2- Forced convection
3- Boundary layer
