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.
Batch 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 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.