برنامه درسی

دروس انتقال حرارت (1)- ترمودینامیک (2) دوره کارشناسی

24 جلسه کلاس 2 ساعتی معادل 16 جلسه 3 ساعتی برای 3 واحد درسی و 6 جلسه 2 ساعتی برای حل تمرینات بعلاوه آزمون میان ترم معادل 1 جلسه و همچنین آزمون نهائی طبق برنامه گروه مهندسی مکانیک

(حداقل یک بازدید از شرکت های تولید کننده مبدلهای حرارتی در شهرک های صنعتی منطقه توصیه میگردد)

هفته اول : مقدمه شامل معرفی مبادله کن و کاربردهای انواع آن در نیروگاهها و پالایشگاهها و پتروشیمی و صنایع نفت و گاز و تاسیسات عمومی - اشاره ای بر طراحی عملکردی (Rating) و طراحی ابعادی (Sizing)

هفته دوم : طبقه بندی جامع انواع مبادله کن ها و رده بندی آنها - دما (دمای متوسط، میانگین، متوسط حجمی Bulk Temperature ، دمای کالوریک، دمای فیلم، دمای دیواره، دمای جریان آزاد و ....)

هفته سوم : مقدمات طراحی شامل مفروضات، مدار گرمائی، محاسبه دمای دیواره، فیلم کنترل کننده، معادلات ضرایب کنوکسیون در رژیم های مختلف جریان ، معادلات ضریب عمومی و ضریب کلی انتقال گرما ، اعداد بی بعد و سیستم یکاها - محاسبات هیدرودینامیک شامل انواع افت فشار در مبادله کن و ضرایب اصطکاک از جمله روابط هگن- پوآزوی ، کلبروک ، بلازیوس ، مک آدامز ، سلزر و درو و کوو ، موودی ، سوامی- جین (کلبروک تسهیلی) ، هالند و تحلیل دیاگرام موودی.

هفته چهارم : روشهای طرح حرارتی مبادله کنها شامل LMTD صریح و تکراری ، e-Ntu ، P-Ntu_T و y-P و اصول علمی طراحی انواع مبادله کنها-  حل تمرینات و مسائل کاربردی انواع طرح مبادله کنهای گرمایی طبقه بندی شده.

هفته پنجم : نحوه استخراج و استفاده از معادلات و نمودارهای های ضریب تصحیح LMTD و تفاوت بین LMTD و AMTD -  نحوه استخراج و استفاده از معادلات و نمودارهای & C) e= F(Ntu و مفهوم سیال مینیمم و ماکزیمم از نظر شار ظرفیت گرمائی .

هفته ششم : مقایسه روش e-Ntu با LMTD تکراری و حل مثالهای نمونه برای مقایسه نتایج  -  حل تمرینات و مسائل روشهای e-Ntu و LMTD .

هفته هفتم : نحوه استحصال روش P-Ntu_T  از e-Ntu و اهمیت روش جدید از نظر قابلیت و توانایی حل مسائل مربوطه در استفاده از معادلات و نمودارهای حاصله - نحوه استحصال روش y-P از LMTD و اهمیت روش جدید از نظر قابلیت و توانایی حل مسائل مربوطه در استفاده از معادلات و نمودارهای حاصله.

هفته هشتم : طرح هندسی مبادله کنهای دو لوله ای Double Pipe (Hair-Pin) و کاربرد و مزایا و معایب از نظر دانسیته سطح و نقاط نشتی و سهولت ساخت و نحوه تمیزکاری نوبتی- انتخاب اصلح محل عبور جریانها از لوله Pipe و حلقه Annulus -  محاسبات Rating مبادله کنهای دو لوله ای از نظر طرح حرارتی و هیدرودینامیکی و حل مسائل کاربردی.

هفته نهم : حل تمرینات مربوط به ترکیب اتصال سری- موازی مبادله کنهای دولوله ای و دلایل استفاده از این نوع ترکیب و نحوه محاسبه اختلاف دمای صحیح در حالت ترکیبی به دو طریق متداول - معرفی طرح مبادله کنهای دو لوله ای پره دار با استخراج روابط هندسی  و محاسبه بازده انواع پره ها، ضرایب انتقال گرما و افت فشار. 

هفته دهم : طرح هندسی انواع مبادله کن پوسته-لوله Shell&Tube و معرفی طرح FTS وUTB و انواع بفل ها و اثرات آنها در عملکرد مبادله کن و همچنین مقایسه ضریب انتقال گرما و افت فشار وابسته به آرایش مربعی، مربعی دوران یافته و مثلثی بسته لوله ها در پوسته و نهایتاً محاسبه قطر معادل در انتقال گرما و قطر هیدرولیکی در افت فشار جریان پوسته.

هفته یازدهم : معرفی استاندارد TEMA و طبقه بندی ترکیب اجزاء مبادله کنهای پوسته-لوله از نظر استاندارد مربوطه ، جداول شمار لوله ها، در صد برش بفل ها و ارتباط آن با فاصله بفل ها، تعداد میل های الحاق و شولدر فاصله انداز بفل ها، قطر نازل ها و شکل سرگاهها و...- روشهای طرح حرارتی مبادله کنهای پوسته- لوله شامل روش های Taborek،  Thinker ، Bell-Delaware و Kern.

هفته دوازدهم : آنالوژی های رینولدز ، شیلتون-کولبرن و دیسلر در اصلاح اثر پروفیل سرعت در معادلات ناسلتی و استنتونی- محاسبات Rating مبادله کنهای پوسته- لوله (Shell&Tube) با حل مثال عددی و نحوه استفاده از دیاگرامهایTate&Sieder  و Eagle-Ferguson برای ضریب کنوکسیون سیالات و آب .

هفته سیزدهم : نحوه محاسبه ضریب همرفت جریان سیال پوسته برای بسته لوله های سادهPlain Tubes  و لوله ها با پره های کوتاهTubes   Low-Finne - اشاره ای بر ضریب رسوب اعم Fouling Factor Dirty or و Mass Scale در محاسبه مقاومت رسوب و نحوه استفاده از جداول متعدد.

هفته چهاردهم : معرفی و نحوه کد گذاری انواع هندسه های بکار رفته در مبادله کنهای فشرده برای بانک لوله های گرد ساده و پره دار (Circular Tube Bank)

هفته پانزدهم : اشاره ای به مبدلهای فشرده Compact و معرفی پارامترهای هندسی آنها ( a_fr و a_c و L و a و b و s و D_h ) در نمودارهای مربوطه - نحوه استفاده دیاگرامهای St.Pr^2/3=f(Re) و f=g(Re) و معادلات بازده پره های صفحه ای و بازده کلی سطح مرکب از لوله و پره .

هفته شانزدهم : معادلات بازده پره های صفحه ای و بازده کلی برای سطوح گسترش یافته Extended Surfaces - حل مثال های نمونه ازمبادله کنهای فشرده با استفاده از دیاگرامهای مرجع - معرفی نرم افزارهای طراحی مبدل برای مدل سازی و شبیه سازی و بهینه سازی ، ازجمله : Ansys  و AHED  و Xchanger Suite  و  Heatex و Heat run و Aspen-B-Jac و Aspen+ و موارد دیگر.

1- طراحی مبادله کنهای گرما ، تالیف: دکترسید فرامرز رنجبر، مهندس امین شمس خرمی ، ویراستار علمی و ادبی دکترمحمد اسماعیل خوشروان آذر

    انتشارات فن آذر- انتشارات آشینا ، ویراست اول ، چاپ اول – بهار 1393

2. Kays, W. M., and A. L. London: Compact Heat Exchangers, Third Edition: 2018 ,Special arranged with Krieger Publishing Company, Inc. USA
3. Theodore, Louis. Heat transfer applications for the practicing engineer. Vol. 7. Wiley. com, 2011.
4. Tubular Exchanger Manufacturers Association. Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association. TEMA, 1959.
5. Kakaç, Sadık, Anchasa Pramuanjaroenkij, and Hongtan Liu. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. CRC press, 2012.
6. Rohsenow, Warren M., James P. Hartnett, and Ejup N. Ganic. Handbook of heat transfer applications. New York, McGraw-Hill Book Co., 1985.
7. Bejan, Adrian, and Allan D. Kraus, Heat transfer handbook. J. Wiley, 2003.
8. Taborek, J., Shell-and-tube heat exchangers, in Heat Exchanger Design Handbook, Vol. 3, Hemisphere Publishing Corp., New York, 1988.
9. Bell, K. J. and A. C. Mueller, Wolverine Engineering Data Book II, Wolverine Tube, Inc., www.wlv.com, 2001.
10. Saunders, E. A. D. Heat Exchangers: Selection, Design and Construction, 1988

11. Kern, Donald Quentin. Process heat transfer. Tata McGraw-Hill Education,1950.
12. Thome, John R. Engineering data book III. Wolverine Tube Inc. (2004).
13. Kraus, Allan D., Abdul Aziz, and James Welty. Extended surface heat transfer. Wiley. com, 2002.
14. Smith, Eric M. Advances in thermal design of heat exchangers: a numerical
approach: direct-sizing, step-wise rating, and transients. Wiley, 2005.
15. Ludwig, Ernest E. Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants: Volume 3. Vol. 3. Access Online via Elsevier, 1997.
16. Cao, Eduardo. Heat transfer in process engineering. McGraw Hill Professional, 2010.
17. Shah, Ramesh K., and Dušan P. Sekulić. Fundamentals of heat exchanger design. (2002).

بسمه تعالی

طرح درس طراحی مبدلهای حرارتی  برای دوره کارشناسی مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی به ارزش 3 واحد نظری

(نیمسال دوم 1403-1402)

24 جلسه کلاس 2 ساعتی معادل 16 جلسه 3 ساعتی برای 3 واحد درسی و 6 جلسه 2 ساعتی برای حل تمرینات بعلاوه آزمون میان ترم معادل 1 جلسه و همچنین آزمون نهائی طبق برنامه گروه مهندسی مکانیک

(حداقل یک بازدید از شرکت های تولید کننده مبدلهای حرارتی در شهرک های صنعتی منطقه توصیه میگردد)

پیش نیاز : دروس انتقال حرارت (1)- ترمودینامیک (2) دوره کارشناسی

سرفصل های درس :

هفته اول : مقدمه شامل معرفی مبادله کن و کاربردهای انواع آن در نیروگاهها و پالایشگاهها و پتروشیمی و صنایع نفت و گاز و تاسیسات عمومی - اشاره ای بر طراحی عملکردی (Rating) و طراحی ابعادی (Sizing)

هفته دوم : طبقه بندی جامع انواع مبادله کن ها و رده بندی آنها - دما (دمای متوسط، میانگین، متوسط حجمی Bulk Temperature ، دمای کالوریک، دمای فیلم، دمای دیواره، دمای جریان آزاد و ....)

هفته سوم : مقدمات طراحی شامل مفروضات، مدار گرمائی، محاسبه دمای دیواره، فیلم کنترل کننده، معادلات ضرایب کنوکسیون در رژیم های مختلف جریان ، معادلات ضریب عمومی و ضریب کلی انتقال گرما ، اعداد بی بعد و سیستم یکاها - محاسبات هیدرودینامیک شامل انواع افت فشار در مبادله کن و ضرایب اصطکاک از جمله روابط هگن- پوآزوی ، کلبروک ، بلازیوس ، مک آدامز ، سلزر و درو و کوو ، موودی ، سوامی- جین (کلبروک تسهیلی) ، هالند و تحلیل دیاگرام موودی.

هفته چهارم : روشهای طرح حرارتی مبادله کنها شامل LMTD صریح و تکراری ، e-Ntu ، P-Ntu_T و y-P و اصول علمی طراحی انواع مبادله کنها-  حل تمرینات و مسائل کاربردی انواع طرح مبادله کنهای گرمایی طبقه بندی شده.

هفته پنجم : نحوه استخراج و استفاده از معادلات و نمودارهای های ضریب تصحیح LMTD و تفاوت بین LMTD و AMTD -  نحوه استخراج و استفاده از معادلات و نمودارهای & C) e= F(Ntu و مفهوم سیال مینیمم و ماکزیمم از نظر شار ظرفیت گرمائی .

هفته ششم : مقایسه روش e-Ntu با LMTD تکراری و حل مثالهای نمونه برای مقایسه نتایج  -  حل تمرینات و مسائل روشهای e-Ntu و LMTD .

هفته هفتم : نحوه استحصال روش P-Ntu_T  از e-Ntu و اهمیت روش جدید از نظر قابلیت و توانایی حل مسائل مربوطه در استفاده از معادلات و نمودارهای حاصله - نحوه استحصال روش y-P از LMTD و اهمیت روش جدید از نظر قابلیت و توانایی حل مسائل مربوطه در استفاده از معادلات و نمودارهای حاصله.

هفته هشتم : طرح هندسی مبادله کنهای دو لوله ای Double Pipe (Hair-Pin) و کاربرد و مزایا و معایب از نظر دانسیته سطح و نقاط نشتی و سهولت ساخت و نحوه تمیزکاری نوبتی- انتخاب اصلح محل عبور جریانها از لوله Pipe و حلقه Annulus -  محاسبات Rating مبادله کنهای دو لوله ای از نظر طرح حرارتی و هیدرودینامیکی و حل مسائل کاربردی.

هفته نهم : حل تمرینات مربوط به ترکیب اتصال سری- موازی مبادله کنهای دولوله ای و دلایل استفاده از این نوع ترکیب و نحوه محاسبه اختلاف دمای صحیح در حالت ترکیبی به دو طریق متداول - معرفی طرح مبادله کنهای دو لوله ای پره دار با استخراج روابط هندسی  و محاسبه بازده انواع پره ها، ضرایب انتقال گرما و افت فشار. 

هفته دهم : طرح هندسی انواع مبادله کن پوسته-لوله Shell&Tube و معرفی طرح FTS وUTB و انواع بفل ها و اثرات آنها در عملکرد مبادله کن و همچنین مقایسه ضریب انتقال گرما و افت فشار وابسته به آرایش مربعی، مربعی دوران یافته و مثلثی بسته لوله ها در پوسته و نهایتاً محاسبه قطر معادل در انتقال گرما و قطر هیدرولیکی در افت فشار جریان پوسته.

هفته یازدهم : معرفی استاندارد TEMA و طبقه بندی ترکیب اجزاء مبادله کنهای پوسته-لوله از نظر استاندارد مربوطه ، جداول شمار لوله ها، در صد برش بفل ها و ارتباط آن با فاصله بفل ها، تعداد میل های الحاق و شولدر فاصله انداز بفل ها، قطر نازل ها و شکل سرگاهها و...- روشهای طرح حرارتی مبادله کنهای پوسته- لوله شامل روش های Taborek،  Thinker ، Bell-Delaware و Kern.

هفته دوازدهم : آنالوژی های رینولدز ، شیلتون-کولبرن و دیسلر در اصلاح اثر پروفیل سرعت در معادلات ناسلتی و استنتونی- محاسبات Rating مبادله کنهای پوسته- لوله (Shell&Tube) با حل مثال عددی و نحوه استفاده از دیاگرامهایTate&Sieder  و Eagle-Ferguson برای ضریب کنوکسیون سیالات و آب .

هفته سیزدهم : نحوه محاسبه ضریب همرفت جریان سیال پوسته برای بسته لوله های سادهPlain Tubes  و لوله ها با پره های کوتاهTubes   Low-Finne - اشاره ای بر ضریب رسوب اعم Fouling Factor Dirty or و Mass Scale در محاسبه مقاومت رسوب و نحوه استفاده از جداول متعدد.

هفته چهاردهم : معرفی و نحوه کد گذاری انواع هندسه های بکار رفته در مبادله کنهای فشرده برای بانک لوله های گرد ساده و پره دار (Circular Tube Bank)

هفته پانزدهم : اشاره ای به مبدلهای فشرده Compact و معرفی پارامترهای هندسی آنها ( a_fr و a_c و L و a و b و s و D_h ) در نمودارهای مربوطه - نحوه استفاده دیاگرامهای St.Pr^2/3=f(Re) و f=g(Re) و معادلات بازده پره های صفحه ای و بازده کلی سطح مرکب از لوله و پره .

هفته شانزدهم : معادلات بازده پره های صفحه ای و بازده کلی برای سطوح گسترش یافته Extended Surfaces - حل مثال های نمونه ازمبادله کنهای فشرده با استفاده از دیاگرامهای مرجع - معرفی نرم افزارهای طراحی مبدل برای مدل سازی و شبیه سازی و بهینه سازی ، ازجمله : Ansys  و AHED  و Xchanger Suite  و  Heatex و Heat run و Aspen-B-Jac و Aspen+ و موارد دیگر.

مراجع درس :

1- طراحی مبادله کنهای گرما ، تالیف: دکترسید فرامرز رنجبر، مهندس امین شمس خرمی ، ویراستار علمی و ادبی دکترمحمد اسماعیل خوشروان آذر

    انتشارات فن آذر- انتشارات آشینا ، ویراست اول ، چاپ اول – بهار 1393

2. Kays, W. M., and A. L. London: Compact Heat Exchangers, Third Edition: 2018 ,Special arranged with Krieger Publishing Company, Inc. USA
3. Theodore, Louis. Heat transfer applications for the practicing engineer. Vol. 7. Wiley. com, 2011.
4. Tubular Exchanger Manufacturers Association. Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association. TEMA, 1959.
5. Kakaç, Sadık, Anchasa Pramuanjaroenkij, and Hongtan Liu. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. CRC press, 2012.
6. Rohsenow, Warren M., James P. Hartnett, and Ejup N. Ganic. Handbook of heat transfer applications. New York, McGraw-Hill Book Co., 1985.
7. Bejan, Adrian, and Allan D. Kraus, Heat transfer handbook. J. Wiley, 2003.
8. Taborek, J., Shell-and-tube heat exchangers, in Heat Exchanger Design Handbook, Vol. 3, Hemisphere Publishing Corp., New York, 1988.
9. Bell, K. J. and A. C. Mueller, Wolverine Engineering Data Book II, Wolverine Tube, Inc., www.wlv.com, 2001.
10. Saunders, E. A. D. Heat Exchangers: Selection, Design and Construction, 1988

11. Kern, Donald Quentin. Process heat transfer. Tata McGraw-Hill Education,1950.
12. Thome, John R. Engineering data book III. Wolverine Tube Inc. (2004).
13. Kraus, Allan D., Abdul Aziz, and James Welty. Extended surface heat transfer. Wiley. com, 2002.
14. Smith, Eric M. Advances in thermal design of heat exchangers: a numerical
approach: direct-sizing, step-wise rating, and transients. Wiley, 2005.
15. Ludwig, Ernest E. Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants: Volume 3. Vol. 3. Access Online via Elsevier, 1997.
16. Cao, Eduardo. Heat transfer in process engineering. McGraw Hill Professional, 2010.
17. Shah, Ramesh K., and Dušan P. Sekulić. Fundamentals of heat exchanger design. (2002).

درس ترمودینامیک (1)

حضور و انجام تکالیف: (%15)      حل تمرین و پروژه درس: (%25)        امتحان پایان‌ترم: (%60) 

هفته اول : چرخه های توانی با تغییر فاز سیال عامل شامل چرخه رانکین بخار آب و چرخه رانکین سیال آلی (ORC) + چرخه رانکین ایده آل و تاثیرات افزایش فشار و دمای بخار ورودی توربین و ایجاد خلاء در کندانسور روی ضریب خشکی بخار خروجی از توربین و کار خالص چرخه

هفته دوم : معرفی اجزا و عملکرد نیروگاه بخار بر مبنای چرخه واقعی رانکین با لحاظ نمودن بازده توربین ها، پمپ ها و اشاره به بازگشت ناپذیری ها در مدار سیال عامل + اعمال سیستم های فوق گرم کن، باز گرم کن، هیتر های بسته و هیتر باز توام با هوا زدایی از بخار در نیروگاه بخار واقعی جهت ارتقای بازدهی چرخه و روش های پس رونده و پیش رونده در تخلیۀ کندانسیت بخار در هیترهای بسته

هفته سوم : نیروگاه بخار مادون بحرانی و فوق بحرانی و محدودیت فشار و دمای بخار زنده و حدود عملی بازده حرارتی چرخه های مذکور + چرخه توانی بدون تغییر فاز سیال عامل (گاز) شامل چرخۀ برایتون و چرخه ساده توربین گاز و رابطه بازده تابعی از نسبت فشار و نسبت گرماهای ویژه برای گازهای تک اتمی و دو اتمی و سه اتمی و مطالعه اثر بازگشت ناپذیری ها روی بازده حرارتی چرخه

هفته چهارم : چرخه توربین گاز با پیکربندی مختلف مثل حالت تک محوری با یک توربین قدرت و دو محوری با مولد گاز و توربین قدرت - اعمال بازگرمایش متعدد بین توربین ها و خنک کن میانی بین کمپرسور ها جهت ارتقای بازدهی تا حدود چرخه اریکسون + معرفی اجزا و عملکرد تجهیزات نیروگاه گازی به عنوان چرخه واقعی برایتون توام با اعمال بازده آیزنتروپیکی توربین و کمپرسور و ارزیابی نتایج ناشی از انحراف چرخه واقعی نسبت به چرخۀ ایده آل و تاثیر آن روی بازده حرارتی

هفته پنجم : اثر ایجاد باز گرمایش بین طبقات توربین و خنک کن میانی بین طبقات کمپرسور روی توان و بازده و همچنین اثر بازیاب روی نیروگاه گازی توسط مبادله کن دود به هوا قبل از محفظه احتراق جهت کاهش مصرف سوخت و افزایش بازده با لحاظ کردن ضریب تاثیر رژنراتور واقعی و محاسبه بازده حرارتی بصورت تابعی از نسبت فشار و نسبت دمای ورودی کمپرسور به دمای ورودی توربین (بعنوان حداکثر دمای چرخه) + بررسی برابری دمای خروجی کمپرسور و دمای خروجی توربین گاز در چرخه برایتون جهت بیشینه بازده بدون استفاده از بازیاب  

هفته ششم : سیکل ترکیبی برایتون- رانکین و رابطه بازده حاصل از این ترکیب + کاربرد چرخه توربین گاز در ماشین های جلوبرنده با هدف تولید تراست شامل توربوجت، توربوفن، توربو پراپ و توربو شفت

هفته هفتم : چرخه های توانی بدون تغییر فاز سیال عامل (گاز) شامل اتو (SI)، دیزل (CI)، دوآل ، اتکینسون و میلر بعنوان موتورهای احتراق داخلی با مکانیزم پیستونی متناوب الحرکت و همچنین سه نوع طرح موتور از چرخه استرلینگ با منبع گرمای خارجی

هفته هشتم : سیکل تبرید تراکمی بخار مبرد بعنوان یخچال و کولر گازی و تعریف ضریب عملکرد سیکل تبرید و پمپ حرارتی و دیاگرام P-h معرفی انواع بازگشت ناپذیری ها در قسمتهای مختلف سیکل تبرید تراکمی و اثر آن روی ضریب عملکرد واقعی + انواع مبردها و اثرات زیست محیطی آنها و بکارگیری مبردهای جدید جهت کاهش تاثیر مخرب آنها روی محیط و اتمسفر

هفته نهم : سیکل تبرید جذبی با سیال عامل آب- آمونیاک و لیتیوم بروماید- آب و میزان ضریب عملکرد آنها در چرخه سردسازی - طرح یخچال نفتی بر مبنای سیکل تبرید جذبی بدون استفاده از پمپ با متوازن کننده فشار مثل هیدروژن در بخشی از چرخه + چرخه های تبرید تک اثره و دو یا چند اثره و پیکربندی اجزاء چرخه و محدودۀ دمائی در عملکرد اجزاء مذکور- کاربردهای مهندسی در صنایع تهویه و تبرید و سردخانه – استفاده از کمپرسور چند طبقه و خنک کن میانی و سیستم بازیاب نهایی برای جدا سازی اکسیژن مایع از هوا به روش Hampson-Linde  و جدا سازی نیتروژن از هوا برای استفاده در پتروشیمی.

هفته دهم : سیکل های ترکیبی تبریدی و توانی و گرمائی مثل CHP , CCP , CCHP

هفته یازدهم :  مخلوط ها و محلولها و خواص مولی و جرمی مخلوط های گازی و معرفی قوانین دالتون و آماگات برای مدل ساده مخلوط گازها و مخلوط بخار و گاز - مخلوط هوا و بخار آب در ارزیابی خواص Psychrometry (رطوبت سنجی) و Hygrometry (رطوبت زنی) در اتمسفر واقعی + تعاریف رطوبت نسبی و رطوبت مخصوص و نسبت رطوبت و دیاگرام عمومی سایکرومتری و اثر فشار اتمسفریک متفاوت روی پارامترهای قابل استخراج از چارت مذکور و نحوه تصحیح نتایج از فشار اتسفر استاندارد به فشار اتمسفر محیط

هفته دوازدهم : تعریف دمای حباب خشک و حباب تر و اثرات آن روی رطوبت مخصوص و رطوبت نسبی – رابطه Carrier در محاسبه رطوبت نسبی برحسب دماهای مذکور - گرمای محسوس و گرمای نهان- کاربردهای مهندسی در تهویه مطبوع انواع ساختمانها + دستگاه هوا ساز – ایر واشر- کولر آبی – برج خنک کن خشک و تر با وزش طبیعی و اجباری و نحوه کارکرد و ارزیابی عملکرد آنها در تهویه مطبوع برحسب دما و رطوبت

هفته سیزدهم : روابط ترمودینامیک و نحوه استخراج جداول خواص ترمودینامیکی مواد در فازهای مختلف- کاربردهای مهندسی جداول ترمودینامیک - اثبات رابطه کلاپیرون برحسب دمای اشباع و فشار اشباع در حالتهای دوفازه و ضمن تغییر فاز + روابط ریاضی در فازهای همگن- روابط ماکسول برای تبیین رابطه بین خواص ترمودینامیک

هفته چهاردهم : روابط ترمودینامیک برای محاسبه خواصی همچون انتاپی و انتروپی و انرژی داخلی برحسب خواص قابل اندازه گیری مثل دما و فشار و حجم ویژه- رابطه خواص برای مخلوط ها- مدلهای مواد شبه خالص برای مخلوط گازهای واقعی + انبساط پذیری حجمی- تراکم پذیری ایزوترمال- تراکم پذیری آدیاباتیک- سرعت انتشار صوت و عدد ماخ و کاربرد آن در دینامیک گازها- چارت های عمومی تغییر انتالپی و انتروپی در دمای ثابت

هفته پانزدهم : واکنش های شیمیایی- انواع سوخت های جامد و مایع و گازی و معرفی سوخت های هیدروکربنی (پارافین ها – اولوفین ها - دی اولوفین ها – نفتن ها- آروماتیک ها (بنزن و نفتن) با فرمول شیمیائی – مفهوم ایزومر – هیدرو کربن های با ساختمان مولکولی زنجیره ای یا حلقوی اعم از اشباع و غیر اشباع + فرایند احتراق - تحلیل انرژی یا بررسی قانون اول در واکنش های شیمیایی – گرمای واکنش – انتالپی و انرژی داخلی در احتراق – انتالپی تشکیل – دمای آدیاباتیکی شعله – ارزش حرارتی بالا و پایین سوخت و رابطه بین آنها

هفته شانزدهم : قانون سوم ترمودینامیک و انتروپی مطلق – تحلیل قانون دوم در سیستمهای واکنشی – پیل سوختی – کاربردهای مهندسی - استفاده از جداول و دیاگرامهای مربوط به واکنش های شیمیایی و احتراق – حل تمرینات کتاب و مسائل کاربردی

1-Thermodynamics : An Engineering Approach (9^th Edition)

By : Yunus A. Cengel , Michael A. Boles and Mehmet Kanoglu

Publisher : Mc Graw-Hill Book Co, 2019.

2-Fundamentals of Engineering Thermodynamics, (8^th Editin)

By : Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner and Margaret B. Bailey

Publisher: John Wiley & Sons, 2014.

3- Fundamentals of  Thermodynamics, (8^th  Edition SI Version)

By : Claus Borgnakke and Richard E. Sonntag

Publisher: John Wiley and Sons Ltd , 2013.

4- Principles of Energy Conversion
By : Archie W. Culp
Publisher: Mcgraw-Hill College, 1990.

5- Engineering Thermodynamics : An Introductory Textbook (2^nd Edition)

By : J.B.Jones and G.A.Hawkins

Publisher : Wiley, 1986.

6- Applications of thermodynamics

Bernard D. WoodBy :

Publisher: Addison-Wesley Longman, Incorporated, 1982.

7- Engineering Thermodynamics 

By : V. A. Kirillin, V. V. Sychev, and A. E. Sheindlin

Publisher: Mir Publishers, Translated from Second Russian Edition in 1976.

8- Applied Thermodynamics for Engineering Technologists

By : Thomas Deas Eastop & Allan McConkey

Publisher : Longman Pub. Group, 1970.

9- Technical Thermodynamics 

By : Viacheslav  Vladimirovich  Sushkov 

Publisher: Mir Publishers (MOSCOW) 1969.

10- Heat Engineering

By : I. Shvets, V. Tolubinsky, N. Kirakovsky, I. Neduzhy, and I. Sheludko

Publisher: Mir Publishers (MOSCOW), First Published in English in 1965.

بسمه تعالی

طرح درس ترمودینامیک (2) برای دوره  کارشناسی مهندسی مکانیک به ارزش 3 واحد نظری (نیمسال دوم 1403-1402)

16 جلسه 3 ساعتی معادل 24 جلسه کلاس 2 ساعتی برای 3 واحد درسی – 1 ساعت تمرین در هفته معادل 8 جلسه 2 ساعتی –      کل جلسات برای تدریس و تمرین 32 جلسه 2 ساعتی- 1 جلسه آزمون میان ترم و آزمون نهائی طبق برنامه گروه مهندسی مکانیک

پیش نیاز : درس ترمودینامیک (1)

سرفصل های درس :

هفته اول : چرخه های توانی با تغییر فاز سیال عامل شامل چرخه رانکین بخار آب و چرخه رانکین سیال آلی (ORC) + چرخه رانکین ایده آل و تاثیرات افزایش فشار و دمای بخار ورودی توربین و ایجاد خلاء در کندانسور روی ضریب خشکی بخار خروجی از توربین و کار خالص چرخه

هفته دوم : معرفی اجزا و عملکرد نیروگاه بخار بر مبنای چرخه واقعی رانکین با لحاظ نمودن بازده توربین ها، پمپ ها و اشاره به بازگشت ناپذیری ها در مدار سیال عامل + اعمال سیستم های فوق گرم کن، باز گرم کن، هیتر های بسته و هیتر باز توام با هوا زدایی از بخار در نیروگاه بخار واقعی جهت ارتقای بازدهی چرخه و روش های پس رونده و پیش رونده در تخلیۀ کندانسیت بخار در هیترهای بسته

هفته سوم : نیروگاه بخار مادون بحرانی و فوق بحرانی و محدودیت فشار و دمای بخار زنده و حدود عملی بازده حرارتی چرخه های مذکور + چرخه توانی بدون تغییر فاز سیال عامل (گاز) شامل چرخۀ برایتون و چرخه ساده توربین گاز و رابطه بازده تابعی از نسبت فشار و نسبت گرماهای ویژه برای گازهای تک اتمی و دو اتمی و سه اتمی و مطالعه اثر بازگشت ناپذیری ها روی بازده حرارتی چرخه

هفته چهارم : چرخه توربین گاز با پیکربندی مختلف مثل حالت تک محوری با یک توربین قدرت و دو محوری با مولد گاز و توربین قدرت - اعمال بازگرمایش متعدد بین توربین ها و خنک کن میانی بین کمپرسور ها جهت ارتقای بازدهی تا حدود چرخه اریکسون + معرفی اجزا و عملکرد تجهیزات نیروگاه گازی به عنوان چرخه واقعی برایتون توام با اعمال بازده آیزنتروپیکی توربین و کمپرسور و ارزیابی نتایج ناشی از انحراف چرخه واقعی نسبت به چرخۀ ایده آل و تاثیر آن روی بازده حرارتی

هفته پنجم : اثر ایجاد باز گرمایش بین طبقات توربین و خنک کن میانی بین طبقات کمپرسور روی توان و بازده و همچنین اثر بازیاب روی نیروگاه گازی توسط مبادله کن دود به هوا قبل از محفظه احتراق جهت کاهش مصرف سوخت و افزایش بازده با لحاظ کردن ضریب تاثیر رژنراتور واقعی و محاسبه بازده حرارتی بصورت تابعی از نسبت فشار و نسبت دمای ورودی کمپرسور به دمای ورودی توربین (بعنوان حداکثر دمای چرخه) + بررسی برابری دمای خروجی کمپرسور و دمای خروجی توربین گاز در چرخه برایتون جهت بیشینه بازده بدون استفاده از بازیاب  

هفته ششم : سیکل ترکیبی برایتون- رانکین و رابطه بازده حاصل از این ترکیب + کاربرد چرخه توربین گاز در ماشین های جلوبرنده با هدف تولید تراست شامل توربوجت، توربوفن، توربو پراپ و توربو شفت

هفته هفتم : چرخه های توانی بدون تغییر فاز سیال عامل (گاز) شامل اتو (SI)، دیزل (CI)، دوآل ، اتکینسون و میلر بعنوان موتورهای احتراق داخلی با مکانیزم پیستونی متناوب الحرکت و همچنین سه نوع طرح موتور از چرخه استرلینگ با منبع گرمای خارجی

هفته هشتم : سیکل تبرید تراکمی بخار مبرد بعنوان یخچال و کولر گازی و تعریف ضریب عملکرد سیکل تبرید و پمپ حرارتی و دیاگرام P-h معرفی انواع بازگشت ناپذیری ها در قسمتهای مختلف سیکل تبرید تراکمی و اثر آن روی ضریب عملکرد واقعی + انواع مبردها و اثرات زیست محیطی آنها و بکارگیری مبردهای جدید جهت کاهش تاثیر مخرب آنها روی محیط و اتمسفر

هفته نهم : سیکل تبرید جذبی با سیال عامل آب- آمونیاک و لیتیوم بروماید- آب و میزان ضریب عملکرد آنها در چرخه سردسازی - طرح یخچال نفتی بر مبنای سیکل تبرید جذبی بدون استفاده از پمپ با متوازن کننده فشار مثل هیدروژن در بخشی از چرخه + چرخه های تبرید تک اثره و دو یا چند اثره و پیکربندی اجزاء چرخه و محدودۀ دمائی در عملکرد اجزاء مذکور- کاربردهای مهندسی در صنایع تهویه و تبرید و سردخانه – استفاده از کمپرسور چند طبقه و خنک کن میانی و سیستم بازیاب نهایی برای جدا سازی اکسیژن مایع از هوا به روش Hampson-Linde  و جدا سازی نیتروژن از هوا برای استفاده در پتروشیمی.

هفته دهم : سیکل های ترکیبی تبریدی و توانی و گرمائی مثل CHP , CCP , CCHP

هفته یازدهم :  مخلوط ها و محلولها و خواص مولی و جرمی مخلوط های گازی و معرفی قوانین دالتون و آماگات برای مدل ساده مخلوط گازها و مخلوط بخار و گاز - مخلوط هوا و بخار آب در ارزیابی خواص Psychrometry (رطوبت سنجی) و Hygrometry (رطوبت زنی) در اتمسفر واقعی + تعاریف رطوبت نسبی و رطوبت مخصوص و نسبت رطوبت و دیاگرام عمومی سایکرومتری و اثر فشار اتمسفریک متفاوت روی پارامترهای قابل استخراج از چارت مذکور و نحوه تصحیح نتایج از فشار اتسفر استاندارد به فشار اتمسفر محیط

هفته دوازدهم : تعریف دمای حباب خشک و حباب تر و اثرات آن روی رطوبت مخصوص و رطوبت نسبی – رابطه Carrier در محاسبه رطوبت نسبی برحسب دماهای مذکور - گرمای محسوس و گرمای نهان- کاربردهای مهندسی در تهویه مطبوع انواع ساختمانها + دستگاه هوا ساز – ایر واشر- کولر آبی – برج خنک کن خشک و تر با وزش طبیعی و اجباری و نحوه کارکرد و ارزیابی عملکرد آنها در تهویه مطبوع برحسب دما و رطوبت

هفته سیزدهم : روابط ترمودینامیک و نحوه استخراج جداول خواص ترمودینامیکی مواد در فازهای مختلف- کاربردهای مهندسی جداول ترمودینامیک - اثبات رابطه کلاپیرون برحسب دمای اشباع و فشار اشباع در حالتهای دوفازه و ضمن تغییر فاز + روابط ریاضی در فازهای همگن- روابط ماکسول برای تبیین رابطه بین خواص ترمودینامیک

هفته چهاردهم : روابط ترمودینامیک برای محاسبه خواصی همچون انتاپی و انتروپی و انرژی داخلی برحسب خواص قابل اندازه گیری مثل دما و فشار و حجم ویژه- رابطه خواص برای مخلوط ها- مدلهای مواد شبه خالص برای مخلوط گازهای واقعی + انبساط پذیری حجمی- تراکم پذیری ایزوترمال- تراکم پذیری آدیاباتیک- سرعت انتشار صوت و عدد ماخ و کاربرد آن در دینامیک گازها- چارت های عمومی تغییر انتالپی و انتروپی در دمای ثابت

هفته پانزدهم : واکنش های شیمیایی- انواع سوخت های جامد و مایع و گازی و معرفی سوخت های هیدروکربنی (پارافین ها – اولوفین ها - دی اولوفین ها – نفتن ها- آروماتیک ها (بنزن و نفتن) با فرمول شیمیائی – مفهوم ایزومر – هیدرو کربن های با ساختمان مولکولی زنجیره ای یا حلقوی اعم از اشباع و غیر اشباع + فرایند احتراق - تحلیل انرژی یا بررسی قانون اول در واکنش های شیمیایی – گرمای واکنش – انتالپی و انرژی داخلی در احتراق – انتالپی تشکیل – دمای آدیاباتیکی شعله – ارزش حرارتی بالا و پایین سوخت و رابطه بین آنها

هفته شانزدهم : قانون سوم ترمودینامیک و انتروپی مطلق – تحلیل قانون دوم در سیستمهای واکنشی – پیل سوختی – کاربردهای مهندسی - استفاده از جداول و دیاگرامهای مربوط به واکنش های شیمیایی و احتراق – حل تمرینات کتاب و مسائل کاربردی

مراجع :

1-Thermodynamics : An Engineering Approach (9^th Edition)

By : Yunus A. Cengel , Michael A. Boles and Mehmet Kanoglu

Publisher : Mc Graw-Hill Book Co, 2019.

2-Fundamentals of Engineering Thermodynamics, (8^th Editin)

By : Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner and Margaret B. Bailey

Publisher: John Wiley & Sons, 2014.

3- Fundamentals of  Thermodynamics, (8^th  Edition SI Version)

By : Claus Borgnakke and Richard E. Sonntag

Publisher: John Wiley and Sons Ltd , 2013.

4- Principles of Energy Conversion
By : Archie W. Culp
Publisher: Mcgraw-Hill College, 1990.

5- Engineering Thermodynamics : An Introductory Textbook (2^nd Edition)

By : J.B.Jones and G.A.Hawkins

Publisher : Wiley, 1986.

6- Applications of thermodynamics

Bernard D. WoodBy :

Publisher: Addison-Wesley Longman, Incorporated, 1982.

7- Engineering Thermodynamics 

By : V. A. Kirillin, V. V. Sychev, and A. E. Sheindlin

Publisher: Mir Publishers, Translated from Second Russian Edition in 1976.

8- Applied Thermodynamics for Engineering Technologists

By : Thomas Deas Eastop & Allan McConkey

Publisher : Longman Pub. Group, 1970.

9- Technical Thermodynamics 

By : Viacheslav  Vladimirovich  Sushkov 

Publisher: Mir Publishers (MOSCOW) 1969.

10- Heat Engineering

By : I. Shvets, V. Tolubinsky, N. Kirakovsky, I. Neduzhy, and I. Sheludko

Publisher: Mir Publishers (MOSCOW), First Published in English in 1965.

دروس طراحی مبدل های حرارتی و نیروگاهها دوره کارشناسی یا طراحی مبدلهای پیشرفته دوره کارشناسی ارشد و درس محاسبات عددی پیشرفته دوره کارشناسی ارشد

آزمون نهائی به ارزش 10 نمره طبق برنامه گروه مهندسی مکانیک – 5 نمره تکالیف و حل مسائل تعریف شده در کلاس – 5 نمره پروژه شبیه سازی و بهینه سازی فصل های ضمیمه کتب مرجع

هفته اول : اصول طراحی مهندسی Engineering Design شامل مثالهای نمونه از سیستم های قابل اجراء و برآورد هزینه برمبنای دفترچه های فهرست بهاء سازمان برنامه و نحوه اعمال تعدیل شاخص های فصلی قیمت .

هفته دوم : مروری دقیق بر طراحی یک سیستم کارا Design a Workable System  و حل پروژه در مورد یک سیستم کارا

هفته سوم : اقتصاد Economics شامل انواع روش محاسبه سود یا بهره بانکی، ارزش کنونی و آتی سرمایه گذاری، سود، مالیات، تعیین شاخص بهاء، تورم، قدرت خرید، سرمایه گذاری تجاری، هزینه طول عمر ، بازگشت سرمایه، مفهوم جذابیت سرمایه گذاری و بهره وری .

هفته چهارم : مروری بر اصول اساسی علم مکانیک و معادلات حاکم بر سیستم های حرارتی (اعم از سیستمهای باز یا بسته از دیدگاه ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال گرما باکاربردهای مستقل و تلفیقی)

هفته پنجم : یادآوری محاسبات عددی شامل روشهای حل دستگاه معادلات خطی مانند روش حذفی گوس، روش تکراری گوس- سیدل، روش ماتریس معکوس گوس- جردن، نحوه برازش منحنی برای جدول داده ها از خواص ترموفیزیکی و انتقالی مواد، انطباق بهترین معادله برای منحنی های عملکردی برمبنای روشهای تحلیلی و عددی، معرفی انواع گراف های مهم و معادلات ریاضی آنها درمختصات کارتزینی و قطبی شامل توابع توانی، لگاریتمی، گامپرتز و چند جمله ای.

هفته ششم : بررسی عملکرد انواع سیستمهای حرارتی شامل پمپ، فن، کمپرسور، توربین، مبادله کنهای گرما، جداسازها و اجکتور، سیستمهای تبرید و سردخانه، سیستمهای تهویه و پمپ گرمائی، انواع شیرآلات و اتصالات و نحوه لوله کشی مایعات و گازها اعم از هوای فشرده و بخار پرفشار و سایز تجهیزات مورد استفاده در سیستمهای مربوطه- حل مسائل کاربردی از توابع چند متغیره تجمیعی از توربو ماشین ها ، انتقال گرما ، ترمودینامیک و مکانیک سیالات ، تهویه و تبرید.

هفته هفتم : معرفی انواع مدلسازی اعم از فیزیکی، ریاضی، عددی و نرم افزاری مانند مدلهای سه بعدی CFD، ترمودینامیکی بعنوان مدل صفربعدی،  تشابهی و رابطه بین مدل ها -  مدلسازی ترمودینامیکی تجهیزات حرارتی از جمله مبادله کنهای گرما ، محلولهای دوگانه شامل قوانین رائولت و دالتون و کلاپیرون ، ستونهای تقطیر پالایشگاهی ، خواص ترمودینامیکی مواد خالص ، پمپ، توربین، کمپرسور و فن هفته هشتم : اصول شبیه سازی (Simulation) سیستم های حرارتی اعم از باز یا بسته  شامل فرایندهای پیوسته و منقطع ، پایا Steady و ناپایا  Unsteady ، معین Deterministic و تصادفی Stochastic و روش حل دستگاه معادلات غیر خطی شامل جاگذاری متوالی Successive Substitution و دلایل احتمال واگرائی – روش نیوتن رفسون Newton-Raphson .

هفته نهم : آموزش نرم افزار EES حل کننده معادلات مهندسی بعنوان بهترین و ساده ترین نرم افزار حل دستگاه معادلات غیر خطی با اصلاح حدود متغیرها ، تخمین مقادیر اولیه و تکرار محاسبات با نتایج اولیه جهت دستیابی به نتایج دقیق- حل مثالهای شبیه سازی برای نیروگاه گازی ، نیروگاه بخار ، سیکل تبرید تراکمی و جذبی ، دستگاه هوا ساز و برج های خنک کن.

هفته دهم : مفهوم و دلایل بهینه سازی Optimization و تاریخچه آن - معرفی انواع روش های بهینه سازی ریاضی و الگوریتم های تکاملی و تفاوت بین روش ریاضی و الگوریتم تکاملی- معرفی روشهای بهینه سازی ریاضی تک هدفه قابل استفاده در مسائل مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی و سایر روشهای مرتبط با حوزه مهندسی صنایع و علوم اقتصادی – نحوه بکارگیری بهینه سازی تک هدفه در مسائل چند هدفه  توسط حلقه تکرار.

هفته یازدهم : بهینه سازی توسط روش مضارب لاگرانژ (Lagrange Multipliers) + حل مثال

هفته  دوازدهم : بهینه سازی توسط روش  جستجو (Search Method) + حل مثال

هفته  سیزدهم : بهینه سازی توسط برنامه ریزی پویا (Dynamic Programming) + حل مثال

هفته چهاردهم : بهینه سازی توسط برنامه ریزی هندسی (Geometric Programming) بعنوان آخرین روش ریاضی و ارتباط آن باروش مضارب لاگرانژ + حل مثال

هفته پانزدهم :  بهینه سازی توسط برنامه ریزی خطی (Linear Programming) + حل مثال

هفته شانزدهم :  شبیه سازی حالت پایا برای سیستمهای بزرگ - حل پروژه شبیه سازی یک سیستم بزرگ- اشاره ای به روشهای حسابی بهینه سازی، حساب تغییرات در برنامه ریزی پویا و بردار گرادیان

1. Stoecker, W. F., Design of Thermal Systems, 3rd Edition, McGraw Hill, 1989.
2. Hodge, B. K., and Taylor, R. P., Analysis and Design of Energy Systems, Prentice Hall,3^rd Edition, 1999.
3. Janna, W. S., Design of Fluid Thermal Systems, Brooks/Cole, 2nd Edition, 1998.
4. Burmeister, L. C., Elements of Thermal-Fluid System Design, Prentice Hall, 1978.
5. Jaluria, Y., Design and Optimization of Thermal Systems, McGraw Hill, 1998.
6. Boehm, R. F., Design Analysis of Thermal Systems, John Wiley & Sons, 1987.
7. Suryanarayana, N. V., Arici, O., and N. Suryanarayana, N., Design and Simulation of Thermal Systems,
McGraw Hill, 2002.
8. Bejan, A., Tsatsaronis, G., and Moran,M., Thermal Design and Optimization, Wiley-Interscience, 1995.
9. Sexton, M. R., Teaching Energy System Design Using Computer Simulation, Proceedings of the 2004
ASEE Annual Conference & Exposition, 2004.
10. Lee, L.-W., and Ceylan, T., A Problem-Based Learning Method for Teaching Thermal Systems design
,Proceedings of the 1999 ASEE Annual Conference & Exposition, 1999.
11. Wedekind, G. L., and Kobus, C. J., Optimal Design of a Thermal Recuperator, Proceedings of the 2001
ASEE Annual Conference & Exposition, 2001.
12. Mueller, D., A New design of Thermal-Fluid Systems Elective: Description, Observations, and
Experiences, Proceedings of the 2006 ASEE Annual Conference & Exposition, Charlotte, NC, 2006.
13. Fox, R. W., McDonald, A. T., and Pritchard, P. J., Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, 2005.
14. www.goulds.com
15. www.greenheck.com
16. www.chiblo.com
17. www.southgateprocess.com
18. www.flatplate.com
19. http://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/topicsHome.htm
20. www.reactiondesign.com
21. www.dezurik.com
22. www.cheresources.com
23. www. pumped101.com
24. www.blackmer.com
25. http://www.bellgossett.com/BG-selectpumps.asp
26. www.shriramtowertech.com

بسمه تعالی

طرح درس طراحی بهینه سیستم های حرارتی  Optimum Design of Thermal Systems برای دوره های

 کارشناسی ارشد  و  دکتری مهندسی مکانیک به ارزش 3 واحد نظری   (نیمسال دوم 1403-1402)

24 جلسه کلاس 2 ساعتی معادل 16 جلسه 3 ساعتی برای 3 واحد درسی -  آزمون نهائی به ارزش 10 نمره طبق برنامه گروه مهندسی مکانیک – 5 نمره تکالیف و حل مسائل تعریف شده در کلاس – 5 نمره پروژه شبیه سازی و بهینه سازی فصل های ضمیمه کتب مرجع

پیش نیاز : دروس طراحی مبدل های حرارتی و نیروگاهها دوره کارشناسی یا طراحی مبدلهای پیشرفته دوره کارشناسی ارشد و درس محاسبات عددی پیشرفته دوره کارشناسی ارشد

این درس تحت عنوان طراحی سیستمهای حرارتی (Design of Thermal Systems) در دانشگاههای معتبر دنیا ارائه می شود و حاوی دو هدف اصلی است :

 اولی- ایجاد ارتباط کاربردی  بین دروس ترمودینامیک ، مکانیک سیالات و انتقال حرارت یعنی دادن معلومات کاربردی به دانشجو در رابطه با سیستمهای مرکبی که از نظر مفهومی  و عملکردی  براساس قوانین و معادلات حاکم دروس مذکور  طراحی می شوند.

 دومی– استفاده از روشهای محاسباتی دقیق و کارآمد برای حل مدل های انواع سیستم های حرارتی که شامل مهارت در برنامه نویسی و استفاده از نرم افزارهای محاسباتی جهت مدلسازی و بهینه سازی مورد نیاز می باشد.

سرفصل های درس :

هفته اول : اصول طراحی مهندسی Engineering Design شامل مثالهای نمونه از سیستم های قابل اجراء و برآورد هزینه برمبنای دفترچه های فهرست بهاء سازمان برنامه و نحوه اعمال تعدیل شاخص های فصلی قیمت .

هفته دوم : مروری دقیق بر طراحی یک سیستم کارا Design a Workable System  و حل پروژه در مورد یک سیستم کارا

هفته سوم : اقتصاد Economics شامل انواع روش محاسبه سود یا بهره بانکی، ارزش کنونی و آتی سرمایه گذاری، سود، مالیات، تعیین شاخص بهاء، تورم، قدرت خرید، سرمایه گذاری تجاری، هزینه طول عمر ، بازگشت سرمایه، مفهوم جذابیت سرمایه گذاری و بهره وری .

هفته چهارم : مروری بر اصول اساسی علم مکانیک و معادلات حاکم بر سیستم های حرارتی (اعم از سیستمهای باز یا بسته از دیدگاه ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال گرما باکاربردهای مستقل و تلفیقی)

هفته پنجم : یادآوری محاسبات عددی شامل روشهای حل دستگاه معادلات خطی مانند روش حذفی گوس، روش تکراری گوس- سیدل، روش ماتریس معکوس گوس- جردن، نحوه برازش منحنی برای جدول داده ها از خواص ترموفیزیکی و انتقالی مواد، انطباق بهترین معادله برای منحنی های عملکردی برمبنای روشهای تحلیلی و عددی، معرفی انواع گراف های مهم و معادلات ریاضی آنها درمختصات کارتزینی و قطبی شامل توابع توانی، لگاریتمی، گامپرتز و چند جمله ای.

هفته ششم : بررسی عملکرد انواع سیستمهای حرارتی شامل پمپ، فن، کمپرسور، توربین، مبادله کنهای گرما، جداسازها و اجکتور، سیستمهای تبرید و سردخانه، سیستمهای تهویه و پمپ گرمائی، انواع شیرآلات و اتصالات و نحوه لوله کشی مایعات و گازها اعم از هوای فشرده و بخار پرفشار و سایز تجهیزات مورد استفاده در سیستمهای مربوطه- حل مسائل کاربردی از توابع چند متغیره تجمیعی از توربو ماشین ها ، انتقال گرما ، ترمودینامیک و مکانیک سیالات ، تهویه و تبرید.

هفته هفتم : معرفی انواع مدلسازی اعم از فیزیکی، ریاضی، عددی و نرم افزاری مانند مدلهای سه بعدی CFD، ترمودینامیکی بعنوان مدل صفربعدی،  تشابهی و رابطه بین مدل ها -  مدلسازی ترمودینامیکی تجهیزات حرارتی از جمله مبادله کنهای گرما ، محلولهای دوگانه شامل قوانین رائولت و دالتون و کلاپیرون ، ستونهای تقطیر پالایشگاهی ، خواص ترمودینامیکی مواد خالص ، پمپ، توربین، کمپرسور و فن هفته هشتم : اصول شبیه سازی (Simulation) سیستم های حرارتی اعم از باز یا بسته  شامل فرایندهای پیوسته و منقطع ، پایا Steady و ناپایا  Unsteady ، معین Deterministic و تصادفی Stochastic و روش حل دستگاه معادلات غیر خطی شامل جاگذاری متوالی Successive Substitution و دلایل احتمال واگرائی – روش نیوتن رفسون Newton-Raphson .

هفته نهم : آموزش نرم افزار EES حل کننده معادلات مهندسی بعنوان بهترین و ساده ترین نرم افزار حل دستگاه معادلات غیر خطی با اصلاح حدود متغیرها ، تخمین مقادیر اولیه و تکرار محاسبات با نتایج اولیه جهت دستیابی به نتایج دقیق- حل مثالهای شبیه سازی برای نیروگاه گازی ، نیروگاه بخار ، سیکل تبرید تراکمی و جذبی ، دستگاه هوا ساز و برج های خنک کن.

هفته دهم : مفهوم و دلایل بهینه سازی Optimization و تاریخچه آن - معرفی انواع روش های بهینه سازی ریاضی و الگوریتم های تکاملی و تفاوت بین روش ریاضی و الگوریتم تکاملی- معرفی روشهای بهینه سازی ریاضی تک هدفه قابل استفاده در مسائل مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی و سایر روشهای مرتبط با حوزه مهندسی صنایع و علوم اقتصادی – نحوه بکارگیری بهینه سازی تک هدفه در مسائل چند هدفه  توسط حلقه تکرار.

هفته یازدهم : بهینه سازی توسط روش مضارب لاگرانژ (Lagrange Multipliers) + حل مثال

هفته  دوازدهم : بهینه سازی توسط روش  جستجو (Search Method) + حل مثال

هفته  سیزدهم : بهینه سازی توسط برنامه ریزی پویا (Dynamic Programming) + حل مثال

هفته چهاردهم : بهینه سازی توسط برنامه ریزی هندسی (Geometric Programming) بعنوان آخرین روش ریاضی و ارتباط آن باروش مضارب لاگرانژ + حل مثال

هفته پانزدهم :  بهینه سازی توسط برنامه ریزی خطی (Linear Programming) + حل مثال

هفته شانزدهم :  شبیه سازی حالت پایا برای سیستمهای بزرگ - حل پروژه شبیه سازی یک سیستم بزرگ- اشاره ای به روشهای حسابی بهینه سازی، حساب تغییرات در برنامه ریزی پویا و بردار گرادیان.

مراجع درسی و سایتهای مرتبط حاوی نرم افزارهای محاسباتی :

1. Stoecker, W. F., Design of Thermal Systems, 3rd Edition, McGraw Hill, 1989.
2. Hodge, B. K., and Taylor, R. P., Analysis and Design of Energy Systems, Prentice Hall,3^rd Edition, 1999.
3. Janna, W. S., Design of Fluid Thermal Systems, Brooks/Cole, 2nd Edition, 1998.
4. Burmeister, L. C., Elements of Thermal-Fluid System Design, Prentice Hall, 1978.
5. Jaluria, Y., Design and Optimization of Thermal Systems, McGraw Hill, 1998.
6. Boehm, R. F., Design Analysis of Thermal Systems, John Wiley & Sons, 1987.
7. Suryanarayana, N. V., Arici, O., and N. Suryanarayana, N., Design and Simulation of Thermal Systems,
McGraw Hill, 2002.
8. Bejan, A., Tsatsaronis, G., and Moran,M., Thermal Design and Optimization, Wiley-Interscience, 1995.
9. Sexton, M. R., Teaching Energy System Design Using Computer Simulation, Proceedings of the 2004
ASEE Annual Conference & Exposition, 2004.
10. Lee, L.-W., and Ceylan, T., A Problem-Based Learning Method for Teaching Thermal Systems design
,Proceedings of the 1999 ASEE Annual Conference & Exposition, 1999.
11. Wedekind, G. L., and Kobus, C. J., Optimal Design of a Thermal Recuperator, Proceedings of the 2001
ASEE Annual Conference & Exposition, 2001.
12. Mueller, D., A New design of Thermal-Fluid Systems Elective: Description, Observations, and
Experiences, Proceedings of the 2006 ASEE Annual Conference & Exposition, Charlotte, NC, 2006.
13. Fox, R. W., McDonald, A. T., and Pritchard, P. J., Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, 2005.
14. www.goulds.com
15. www.greenheck.com
16. www.chiblo.com
17. www.southgateprocess.com
18. www.flatplate.com
19. http://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/topicsHome.htm
20. www.reactiondesign.com
21. www.dezurik.com
22. www.cheresources.com
23. www. pumped101.com
24. www.blackmer.com
25. http://www.bellgossett.com/BG-selectpumps.asp
26. www.shriramtowertech.com

این درس تحت عنوان طراحی سیستمهای حرارتی (Design of Thermal Systems) در دانشگاههای معتبر دنیا ارائه می شود و حاوی دو هدف اصلی است :

 اولی- ایجاد ارتباط کاربردی  بین دروس ترمودینامیک ، مکانیک سیالات و انتقال حرارت یعنی دادن معلومات کاربردی به دانشجو در رابطه با سیستمهای مرکبی که از نظر مفهومی  و عملکردی  براساس قوانین و معادلات حاکم دروس مذکور  طراحی می شوند.

 دومی– استفاده از روشهای محاسباتی دقیق و کارآمد برای حل مدل های انواع سیستم های حرارتی که شامل مهارت در برنامه نویسی و استفاده از نرم افزارهای محاسباتی جهت مدلسازی و بهینه سازی مورد نیاز می باشد.