تحقیق مقاله فرآیند های حالت ناپایدار و batch ( پخت در کوره ) ( نرم کردن با روغن داغ )

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 batch 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 فرآیندهای batch برای گرم کردن مایعات نیازمندیهای زمانی برای انتقال حرارت معمولاً می توانند بوسیله افزایش چرخه سیال batch واسطه انتقال حرارت و یا در اصلاح   شوند.

دلایل به کار گرفتن یک فرآیند batch 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 batch 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 batch سودمند و خوب است.

به منظور مطالعه کردن منظم و با قاعده رایج ترین کابردهای فرآیندهای انتقال حرارت حالت ناپایدار و batch ترجیح داده می شود که فرآیندها را به دسته های Ca مایع (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) batchهای مایع                           b)تقطیر batch

2)جامدات خنک کننده یا گرم کننده

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

d)مواد دانه ای در بسته ها

مایعات سرد کننده و گرم کننده

1)batch دمای مایع

مقدمه

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

فیشر محاسبات batch را گسترش داده است برای شامل شدن یک جدول خارجی جریان مقابل، چادوک و سادرنر batchهای 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 شکل 20 به تعویق انداخته شده است.

تشخیص دادن حضور یا عدم حضور تکان در یک مایع batch همیشه امکانپذیر نیست. گرچه دو مقدمه فوق منجر به نیازمندیهای متفاوتی برای نائل شدن به یک تغییر دمای batch 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 نیست.

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

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

Batchهای 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

batchهای 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

batchهای 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

batchهای تکان داده  شده خنک ساز و گرم کن

چندین راه برای در نظر گرفتن فرآیندهای انتقال حرارت batch 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 batch یکسان و یکنواخت فراهم می کند.

6)هیچ گونه تغییر فاز جزیی رخ نمی دهد

7)تلفات گرمایی قابل اغماض هستند.

Batchهای 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 مشعل 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 مبردات 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 batch در هر زمان  باشد.

18/6                               

18/7                               

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.

18/8                      

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

18/9                               

کویل در تانک، واسط خنک ساز غیر ایزوترمال

18/10                             

18/11                             

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 متمایز است و تعادل گرای دیفرانسیلی برای این وسیله داده می شود:

18/12                             

با فرض

مبدل بیرونی، واسط خنک کننده ایزوترمال

18/14                             

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 تأیرات حرارتی شیمیایی همراه با اضافه سازی آب به تانک وجود ندارد.

از آنجا که M پوند مایع ابتدایی در batch  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. Batchهای 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.

                                             37-7

و

24/18                             

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.

Batchهای 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.

خنک کردن و گرم کردن بدون تلاطم (تکان دادن)

در فصل 20 دیده خواهد شد که تلاطم پوسته را افزایش می دهد و از همین رو نیازمندیهای زمانی سیالهای گرم کننده و سرد کننده را که بوسیله کویل در تانک عمل کننده کاهش می دهد، با مبدلهای خارجی حضور تلاطم، چه به قصد و یا ناخواسته، به طور کاملاً برعکس زمان مورد نیاز گرم کردن یا سرد کردن یک batch افزایش می‌دهد.

این موضوع می تواند با یک تحلیل ساده روشن شود با مراجعه به معادله 4/18، batch با دمای اولیه t از میان یک مبدل خارجی می گذرد و به تانک باز می گردد جایی که به عنوان یک لایه گرمایی  شکل می گیرد. موضوع می تواند این طور باشد اگر مایع نسبت غلیظ باشد و یا محفظه بلند و باریک باشد. تمام مایع با دمای تانک t و در خلال اولین گردش وارد مبدل می شود و با دمای که دمای تغذیه به مبدل در گردش دوباره بعدی است خارج می شود. اگر با تلاطم چه اولین خروح مایع از مبدل با مایع batch مخلوط می شود و سریعاً دما را به بالای دمای اولیه t می رساند. این در عوض اختلاف دما را در مبدل کاهش می دهد و زمان مورد نیاز برای یک انتقال حرارت خاص را افزایش می دهد.

مقدار مایع batch اولیه را M پوند فرض کنید و فرض کنید که این مایع از میان مبدل با نرخ  گردشی یافته است. از آنجا که تغییر دمای مطلقی با هر کوره ای دوباره وجود دارد، فرآیند با یک تغییر دمای دیفرانسیلی توضیح داده نمی شود.

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

مبدل جریان متقابل خارجی، واسط گرم کننده ایزوترمال

برای گردش اولیه:                           

برای اولین گردش موجود:                  

بر حسب  و :                           

یا 33/18                                    

که زمانی که برای N چرخه حل شود:

34/18                                       

می توان یک نوع پیش بینی افزایش پیوسته مایع از طریق محاسبه دمای مخلوط مبدل بعد از هر چرخه انجام داد. در این مورد اندازه خود batch باید همراه با افزایش در هر چرخه مورد بررسی قرار بگیرد. بنابراین معادله 34/18 نمی تواند مورد استفاده قرار بگیرد مگر اینکه M با مقدار  در خلال هر گردش مجدد افزایشی یابد. زمان کلی همانند بالا جمع تمام محاسبات منفرد خواهد بود.

مبدل جریان مقابل خارجی، واسط خنک کننده ایزوترمال

33/18                             

مبدل جریان متقابل خارجی، واسط گرم کننده غیر ایزوترمال

دمای خروجی batch و واسط گرم کننده بعد از هر گردشی مجدد مجهول است. مورد فعلی به سادگی موارد قبلی که واسط ایزوترمال بود، فرمول بندی نمی شود. گرچه جواب می تواند در یک سری بیان شود، ولی ارزیابی کردن آن طولانی و خسته کننده است و با محاسبه تغییرات دما بعد از هر گردشی جدد سرعت بیشتری خواهیم داشت. نسبت های دما بعد از هر گردشی دوباره می تواند بدین ترتیب تعریف شود.