17125

17125

طراحي و ساخت مبدل حرارتي گاز مايع با تماس مستقيم

كارشناسي ارشد

طراحي، شبيه سازي و كنترل فرايندها

بهمن ماه 1395

دكتر منصور شيرواني - دكتر اميد وحيدي

دكتر سلمان موحدي راد

مهندسي شيمي

مبدل‌هاي حرارتي تماس مستقيم، به علت استفاده بهينه از انرژي و راندمان بالا، كاربردهاي زيادي در صنايع فرايندي مي‌توانند داشته باشند و مزيت‌هاي فراواني نسبت به مبدل‌هاي حرارتي تماس غير مستقيم دارند. در تحقيق حاضر، تماس مستقيم آب داغ با هواي سرد، براي جريان همسوي رو به پايين، درون لوله عمودي بررسي شد. آب داغ با استفاده از پمپ به مخزني در ارتفاع بالاتر منتقل شده، سپس وارد لوله افقي متصل به مخزن مي‌شود. در انتهاي لوله افقي، لوله‌اي عمودي متصل شده كه آب داغ هنگام ورود به لوله مقداري هوا نيز با خود به درون لوله مي‌كشد و ايجاد جريان دوفازي مي‌كند. آزمايش‌ها در شرايط جريان آشفته، براي لوله‌هايي به طول 1، 1.5 و 2 متر و قطر 0.021 متر انجام شد. در آزمايش‌ها، دماي آب داغ از 35 تا 50 درجه سلسيوس و دماي هوا از 25 تا 35 درجه سلسيوس، تغيير كردند. سرعت هوا در آزمايش‌هاي مختلف، بين 3، 5، 7، 9 و 11 متر بر ثانيه، در نرخ‌هاي جريان مايع 5، 8 و 10 ليتر بر دقيقه تغيير داده شدند. الگوي جريان دوفازي حلقوي درون لوله، تشكيل شد. سطح تماس بين آب و هوا، با استفاده از تابش نور ليزر در مسير جريان و عكس‌برداري و پردازش تصوير بدست آمد. انتقال حرارت از آب داغ به هواي سرد، با افزايش نرخ جريان هوا افزايش پيدا كرد. انتقال حرارت كل منتقل شده از آب داغ به هواي سرد، برابر مجموع انتقال حرارت منتقل شده از طريق تبخير و انتقال حرارت منتقل شده از طريق جابجايي است. مقدار جرم منتقل شده از آب به هوا، با افزايش دما، به علت افزايش ميزان تبخير افزايش پيدا كرد. بيش از 80 درصد حرارت، از طريق تبخير و كمتر از 20 درصد، از طريق جابجايي منتقل شد. در هر سه لوله، با افزايش نرخ جريان مايع، عدد ناسلت و عدد شروود كاهش پيدا كردند. دماي آب نسبت به دماي هوا، به ميزان اندكي كاهش پيدا كرد، درحالي‌كه افت دماي آب، با افزايش سرعت هوا اندكي زياد شد. اختلاف دماي هوا نيز با افزايش سرعت هوا افزايش يافت. در تمامي دماها، عدد ناسلت و عدد شروود، با افزايش طول لوله كاهش يافتند. مقادير عدد ناسلت و عدد شروود آزمايشگاهي، با مقادير تجربي بدست آمده براي لوله‌هاي صاف مقايسه شدند. در نهايت، روابط اصلاحي براي عدد ناسلت و عدد شروود، با برازش داده‌هاي آزمايشگاهي بر روي روابط مربوط به لوله‌هاي صاف، بدست آمد. رابطه پيشنهادي براي انتقال حرارت، عدد ناسلت را با ميانگين خطاي و رابطه پيشنهاد شده براي انتقال جرم، مقادير عدد شروود را با ميانگين خطاي ، پيش‌بيني كردند.

1396/01/27

1/1/1900 12:00:00 AM

Direct contact heat exchangers with high energy efficiency are superior to indirect contact heat exchangers an​d have variety of uses in process industries. In the present study direct contact between hot water an​d cold air in vertical pipe with concurrent downward flow is investigated. The hot water is transferred to reservoir in higher elevation via pump then there is a horizontal pipe connected to reservoir which is followed by a vertical pipe. When hot water reaches the vertical pipe it sucks some air into the pipe which makes two-phase flow. Experiments are performed in turbulent condition using 1, 1.5, 2 meter pipes with 0.021 meter diameter. The hot water temperature was varied between 35 to 50 degree of Celsius an​d the air temperature was varied between 25 to 35 degree of Celsius. Air velocities were chosen to be 3, 5, 7, 9 an​d 11 m/s with the flowrate of 5, 8 an​d 10 lit/min in liquid phase. Two phase annular flow pattern was formed in the vertical pipe. The interface area between water an​d air was measured by Image Processing taken while shining laser light in flow direction. Heat transfer from hot water to cold air is equal to sum of heat transfer from evaporation an​d convection. Increase in temperature resulted in increase in mass transfer due to evaporation. Over 80 percent of heat was transferred by evaporation an​d less than 20 percent was transferred by convection. In all three pipes, Nusselt an​d Sherwood number decreased with increase in flowrate of liquid phase. Water temperature was decreased slightly in relation to air temperature, however the decrease in water temperature was increased by increasing air velocity. Temperature difference in air was also increased by increasing air velocity. In all the temperatures, Nusselt an​d Sherwood number were decreased by increasing pipe length. Experimental values for Nusselt an​d Sherwood numbers were compered to empirical values for smooth surface. Finally, some adjustments were suggested for Nusselt an​d Sherwood number by fitting experimental data into existing correlations for pipes with smooth surface. Proposed correlations for heat transfer resulted in Nusselt number with average error an​d proposed correlation for mass transfer resulted in Sherwood number with average error.