فرآیندهای حالت ناپایدار و انبوه

دسته: مکانیک
بازدید: 51 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 4305 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 196

فیشر محاسبات انبوه را گسترش داده است برای شامل شدن یك جدول خارجی جریان مقابل، چادوك و سادرنر حجم های تكان داده شده را مورد بررسی قرار داده اند كه با مبدل های خارجی جریان مقابل همراه با اضافه سازی پیوستة مایع به تانك گرم شده اند همچنین به میزان حرارت در این راه حل پرداخته اند بعضی از روابطی كه به دنبال می آیند برای كویل ها در تانك ها و محفظه های

قیمت فایل فقط 8,900 تومان

فرآیندهای حالت ناپایدار و انبوه 

مقدمه:

روابط فصل های قبل فقط در حالت پایدار به كار می روند كه در آن جریان گرما و دمای منبع با زمان ثابت بودند. فرآیندهای حالت ناپایدار آنهایی هستند كه در آنها جریان گرما، دما و یا هر دو در یك نقطة ثابت با زمان تغییر می كنند. فرآیندهای انتقال حرارت انبوه فرآیندهای حالت ناپایدار نمونه ای هستند كه در آنها تغییرات حرارت ناپیوسته ای رخ می دهند همراه با مقادیر خاصی از ماده در هنگام گرم كردن مقدار داده شده ای از مایع در یك تانك یا در هنگامی كه یك كورة سرد به كار افتاده است.

همچنین مسائل رایج دیگری نیز وجود دارند كه مثلاً شامل می شوند بر نرخی كه حرارت از میان یك ماده به روشی رسانایی انتقال می یابد در حالی كه دمای منبع گرما تغییر می كند. تغییرات متناوب روزانة حرارت خورشید بر اشیاء مختلف یا سرد كردن فولاد در یك حمام روغن نمونه راههایی از فرآیند اخیر هستند. سایر تجهیزاتی كه بر اساس روی خصوصیات حالتی ناپایدار ساخته شده اند شامل كوره های دوباره به وجود آورنده(اصلاحی) كه در صنعت فولاد استفاده می شوند، گرم كنندة دانه ای(ریگی) و تجهیزاتی كه در فرآیندهای بكار گیرندة كاتالیست دمای ثابت یا متغیر به كار می روند هستند.

در فرآیندهای كلان برای گرم كردن مایعات نیازمندیهای زمانی برای انتقال حرارت معمولاً می توانند بوسیلة افزایش چرخة سیال كلان و یا واسطة انتقال حرارت و یا هر دو  اصلاح شوند.

دلایل به كار گرفتن یك فرآیند كلان به جای به كارگیری دیگ عملیات انتقال حرارت پیوسته بوسیلة عوامل زیادی دیكته می شوند:

بعضی از دلایل رایج عبارتند از 1) مایعی كه مورد فرآیند قرار می گیرد به صورت پیوسته در دسترس نیست 2) واسط گرم كردن یا سرد كردن به طور پیوسته در دسترس نیست 3)نیازمندیهای زمان واكنش یا زمان عملكرد متوقف شدن را ضروری می سازد 4) مسائل اقتصادی مربوط به مورد فرآیند قرار دادن متناوب یك حجم وسیع، ذخیره یك جریان كوچك پیوسته را توجیه می كند 5)تمیز كردن و یا دوباره راه‌اندازی كردن یك بخش برای دورة كاری است و 6)عملكرد سادة بیشتر فرآیندهای كلان سودمند و خوب است.

به منظور مطالعه كردن منظم و با قاعدة رایج ترین كابردهای فرآیندهای انتقال حرارت حالت ناپایدار و كلان ترجیح داده می شود كه فرآیندها را به دسته های (aمایع (سیال) گرما دهنده یا خنك كننده و  b) جامد خنك كننده یا گرم كننده تقسیم كنیم.

رایج ترین نمونه ها در ذیل آورده شده اند:

1)مایعات سرد كننده و گرم كننده

a) مایعات كلان             b)تقطیر كلان

2)جامدات خنك كننده یا گرم كننده

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

d)مواد دانه ای در بسته ها

مایعات سرد كننده و گرم كننده

1) دمای مایع انبوه

مقدمه

بومی، مولر و ناگل رابطه ای برای زمان مورد نیاز را برای گرم كردن یك تودة تكان داده شده بوسیلة غوطه ورسازی یك كویل گرم كننده بدست آورده اند كه برای زمان است كه 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 یك جدول خارجی جریان مقابل، چادوك و سادرنر حجم های تكان داده شده را مورد بررسی قرار داده اند كه با مبدل های خارجی جریان مقابل همراه با اضافه سازی پیوستة مایع به تانك گرم شده اند همچنین به میزان حرارت در این راه حل پرداخته اند.

بعضی از روابطی كه به دنبال می آیند برای كویل ها در تانك ها و محفظه های پوشانده شده به كار 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 تكان در یك مایع كلان همیشه امكانپذیر نیست. گرچه دو مقدمة فوق منجر به نیازمندیهای متفاوتی برای نائل شدن به یك تغییر دمای كلان در یك دورة زمانی داده شده می شوند.

زمانی كه یك محرك مكانیكی در یك تانك یا محفظه همانند شكل 1.‌18 نصب می‌شود نیازی به این پرسش كه سیال تانك تكان داده شده یا نه نیست.

زمانی كه محرك مكانیكی وجود ندارد ولی سیال به طور پیوسته در حال گردش است ما نتیجة این كه حجم تكان داده شده است یك نوع احتیاط و دوراندیشی است.

در بدست آوردن معادلات كلان در ذیل T به مایع داغ انبوه یا واسط گرم كردن اشاره می كند. t به مایع سرد انبوه یا واسط خنك سازی اشاره دارد. موارد ذیل در این جا مورد بررسی قرار می گیرند.

حجم های خنك سازی یا گرم سازی متلاطم جریان متقابل

-                  كویل در تانك یا محفظة پوشانده شده، واسط ایزوترمال

-                  كویل در تانك یا محفظة پوشانده شده، واسط غیر ایزوترمال

-                  مبدل خارجی، واسط ایزوترمال

-                  مبدل خارجی، واسط غیر ایزوترمال

-                  مبدل خارجی مایع پیوسته اضافه شده به تانك، واسط ایزوترمال

-                  مبدل خارجی مایع پیوسته اضافه شده به تانك، واسط غیر ایزوترمال

حجم های خنك ساز یا گرم كننده متلاطم، جریان متقابل موازی

مبدل 2-1 خارجی

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

مبدل 4-2 خارجی

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

حجم های گرم ساز و خنك كننده بدون تكان دهی

مبدل جریان مقابل خارجی، واسط ایزوترمال

مبدل جریان مقابل خارجی، واسط غیر ایزوترمال

مبدل  2-1 خارجی

مبدل  4-2 خارجی

حجم های تكان داده  شده خنك ساز و گرم كن

چندین راه برای در نظر گرفتن فرآیندهای انتقال حرارت كلان وجود دارد. اگر تكمیل كردن یك عملكرد 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 تكمیل كردن عملكرد معمولاً نامعین است و یك حالت سوم زمان پیش می آید كه 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 خنك سازی یك دمای ورودی ثابت دارد

5)تكان دهنده یك دمای سیال انبوه  یكسان و یكنواخت فراهم می كند.

6)هیچ گونه تغییر فاز جزیی رخ نمی دهد

7)تلفات گرمایی قابل اغماض هستند.

حجم های تكان داده شدة خنك ساز یا گرم كنندة جریان متقابل

-                  كویل در تانك یا محفظة پوشانده شده واسط گرم كننده ایزوترمال

ترتیب نشان داده شده در شكل 1/18 را در نظر بگیرید، شامل یك محفظة تكان داده شده شامل M پوند از مایع با گرمای ویژة c و دمای اولیة  كه بوسیلة یك سیال متراكم شوندة با دمای  گرم می شود. دمای batch،  در هر زمان  بوسیلة تعادل گرمایی دیفرانسیلی داده می شود. اگر  مقدار كل btu انتقال یافته است در این صورت به ازای واحد زمان

18/4                                            

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

18/5                                            

كاربرد یك رابطه مانند 5/18 نیازمند محاسبة مستقل V برای كویل یا محفظة پوشانده شده همانند فصل 20 است فصل 20 است. با Q و A ثابت بوسیلة شرایط فرآیند زمان گرم سازی مورد نیاز می تواند محاسبه شود.

كویل در تانك یا محفظة پوشانده شده، واسطه خنك سازی ایزوترمال

مسائل این نوع معمولاً در فرآیند دمای پایین رخ می دهد كه در آنها واسط خنك كننده یك مبرد است كه به جزء خشك سازی در دمای جوش ایزوترمالش تغذیه می‌شود. مطابق با همان ترتیب نشان داده شده در شكل 1/18 شامل M پوند از مایع با گرمای ویژة C و دمای اولیة  كه با یك واسط بخار شونده با دمای  خنك می شود اگر  دمای توده در هر زمان  باشد.

18/6                                  

18/7                                            

كویل در تانك یا محفظة پوشانده شده، واسط گرم ساز غیر ازوترمال

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

18/8                        

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

18/9                                  

كویل در تانك، واسط خنك ساز غیر ایزوترمال

18/10                      

18/11                                

مبدل حرارت خارجی، واسط گرم كنندة ایزوترمال

ترتیب شكل 2/18 را در نظر بگیرید در آن سیال بوسیلة یك مبدل خارجی گرم می‌شود. از آنجایی كه واسط گرم كننده ایزوترمال است، هر نوع مبدل با بخار در پوسته یا لوله می تواند به كار برده شود. امتیازات گردش اجباری برای هر دوره این ترتیب را پیشنهاد می كند.

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

18/12                                

با فرض

مبدل بیرونی، واسط خنك كنندة 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 كه در LMTD ظاهر می شوند كه باید در ابتدا حذف شوند.

با معادل گرفتن a و b در معادله 15/18

اجازه دهید كه   باشد و

مبدل خارجی محل خنك كنندة غیر ایزوترمال

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

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

18/8                                  

و                              

از آنجایی كه                         

با حل نسبت به

با جانشینی در معادلة 18/18

اگر اضافه كردن مایع به تانك باعث ایجاد یك گرمای درونی یا بیرونی میانگین انحلال شود،  تركیب ، می توان آن را با اضافه كردن  به صورت عدد مخرج كسر سمت چپ در نظر گرفت زیرنویسی 0 به تركیب اشاره دارد.

مبدل خارجی مایع تدریجاً اضافه شده به تانك، واسط خنك كنندة ایزوترمال

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

مبدل خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده به تانك، واسط گرم كنندة غیر ایزوترمال

تعادل حرارتی برابر با دما، معادلة 81/18 برای گرم كردن است به استثنای اینكه  برای دمای ورودی و خروجی واسط گرم كننده است.

با قرار دادن                                            

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

مبدل خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده ه تانك، واسط خنك كنندة ایزوترمال

آثار گرمای انحلال می توانند با اضافه كردن  به صورت و مخرج سمت چپ در نظر گفته شوند. حجم های تكان داده شدة (متلاطم) خنك كننده و گرم كننده، جریان متقابل- جریان موازی مشتقات مواد قبلی شامل فرض می شدند، كه به مبدلهای تمام خارجی نیاز دارند كه دو جریان متقابل كار می كردند با واسط های خنك كننده و گرم كنندة غیر ایزوترمال این موضوع همیشه سومند نخواهد بود.

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

                             37-7

و

24/18                                 

بدین ترتیب

و s به همان خوبی R یك ثابت است كه از دمای خروجی مبدل مستقل است.

مبدل خارجی 2-1، گرم كردن

با بكار بردن همان تعادل گرمایی تعریف شده در معادلة 15/18

25-18

با بازآرایی،      

كه S با معادلة 24-18 تعریف می شود.

مبدل خارجی 2-1، خنك كردن،

26-18                                          

كه مجدداً با رابطة 24-18 تعریف می شود.

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

27-8              

با ساده سازی

28-18            

كه s به وسیلة معادلة 24/18 تعریف می شود. آثار گرمایی انحلال می تواند با اضافه كردن  به صورت و مخرج معادلة سمت چپ در نظر گرفته شوند.

مبدل خارجی 2-1، مایع تدریجاً اضافه شده به تانك، خنك سازی

29/18                       

كه S به وسیلة معادلة 24/18 تعریف می شود. آثار گرمای می تواند با اضافه كردن  به صورت و مخرج سمت چپ در نظر گرفته شود.

حجم های متلاطم خنك كردن و گرم كردن، جریان موازی- جریان متقاطع

معادلة 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 كه  نمی تواند به صورت ساده بیان شود، معادلة 31/18 باید با سعی و خطا و با در نظر گرفتن مقادیر s تا زمانی كه یك تساوی بدست آید، حل شود.

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

خنك كردن و گرم كردن بدون تلاطم (تكان دادن)

در فصل 20 دیده خواهد شد كه تلاطم پوسته را افزایش می دهد و از همین رو نیازمندیهای زمانی سیالهای گرم كننده و سرد كننده را كه بوسیلة كویل در تانك عمل كننده كاهش می دهد، با مبدلهای خارجی حضور تلاطم، چه به قصد و یا ناخواسته، به طور كاملاً برعكس زمان مورد نیاز گرم كردن یا سرد كردن یك حجم افزایش می‌دهد.

این موضوع می تواند با یك تحلیل ساده روشن شود با مراجعه به معادلة 4/18، توده با دمای اولیة t از میان یك مبدل خارجی می گذرد و به تانك باز می گردد جایی كه به عنوان یك لایة گرمایی  شكل می گیرد. موضوع می تواند این طور باشد اگر مایع نسبت غلیظ باشد و یا محفظه بلند و باریك باشد. تمام مایع با دمای تانك t و در خلال اولین گردش وارد مبدل می شود و با دمای كه دمای تغذیه به مبدل در گردش دوبارة بعدی است خارج می شود. اگر با تلاطم چه اولین خروح مایع از مبدل با مایع انبوه مخلوط می شود و سریعاً دما را به بالای دمای اولیة t می رساند. این در عوض اختلاف دما را در مبدل كاهش می دهد و زمان مورد نیاز برای یك انتقال حرارت خاص را افزایش

می دهد.

مقدار مایع انبوه اولیه را M پوند فرض كنید و فرض كنید كه این مایع از میان مبدل با نرخ  گردشی یافته است. از آنجا كه تغییر دمای مطلقی با هر كوره ای دوباره وجود دارد، فرآیند با یك تغییر دمای دیفرانسیلی توضیح داده نمی شود.

اگر مقدار تعداد گردشی لازم برای نائل شدن به یك دمای نمایی batch، N باشد زمان با این معادله داده می شود.

مبدل جریان متقابل خارجی، واسط گرم كنندة ایزوترمال

برای گردش اولیه:                           

برای اولین گردش موجود:                

بر حسب  و :                            

یا 33/18                              

كه زمانی كه برای N چرخه حل شود:

34/18                                          

می توان یك نوع پیش بینی افزایش پیوستة مایع از طریق محاسبة دمای مخلوط مبدل بعد از هر چرخه انجام داد. در این مورد اندازة خود توده باید همراه با افزایش در هر چرخة مورد بررسی قرار بگیرد. بنابراین معادلة 34/18 نمی تواند مورد استفاده قرار بگیرد مگر اینكه M با مقدار  در خلال هر گردش مجدد افزایشی یابد. زمان كلی همانند بالا جمع تمام محاسبات منفرد خواهد بود.

قیمت فایل فقط 8,900 تومان

برچسب ها : فرآیندهای حالت ناپایدار و انبوه , طرح توجیهی فرآیندهای حالت ناپایدار و انبوه , دانلود فرآیندهای حالت ناپایدار و انبوه , مکانیک , فرآیندهای حالت ناپایدار , مایعات سرد كننده و گرم كننده , مبدل خارجی , مبدل حرارت خارجی، واسط گرم كنندة ایزوترمال , كویل در تانك یا محفظة پوشانده شده , واسط گرم ساز غیر ازوترمال , حجم های تكان داده شدة خنك ساز یا گرم كنندة جریا