مبدل حرارتی-heat exchanger

بازدید : 465   |      

انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی صورت میگیرد.
سیال ممکن است مایع یا گاز باشد. به این صورت که دو سیال با دمای مختلف را وارد محفظه می کنند و میان آن ها انتقال حرارت صورت می گیرد
در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود .
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد.

با مطالعه قسمت توضیحات بیشتر در مورد مبدل های حرارتی بیشتر بدانید .

مبدل های حرارتی (Heat Exchangers)

همانطورکه در بالا اشاره شد ، انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی صورت میگیرد. سیال ممکن است مایع یا گاز باشد. به این صورت که دو سیال با دمای مختلف را وارد محفظه می کنند و میان آن ها انتقال حرارت صورت می گیرد . 

در مبدل حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرد.

مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند .

در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند . 

نمونه از مبدل حرارتی شرکت کاراجت را مشاهده می کنید 

 

مبدل حرارتی- سفارش و خرید مبدل حرارتی- شرکت کاراجت

 

اما مبدل حرارتی را چگونه تقسیم بندی می کنند؟ 

تقسیم بندی مبدل های حرارتی : 

گستره دسته بندی مبدل حرارتی گسترده بوده بطوریکه مبدل حرارتی را  براساس :

1_ پیوستگی یا تناوب جریان

2_ فرآیندانتقال

3_ فشردگی یا تناوب جریان

4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن

5 _ درجه حرارت کارکرد

6_ سازوکار انتقال حرارت

7_ تعداد سیال

8_ آرایش جریان 

دسته بندی می کنند

تقسیم بندی مبدل ها بر اساس فاز سیال

مبدل ها را می توان از جهات گوناگون تقسیم بندی کرد. تقسیم بندی بر اساس خصوصیات سیال هایی که در مبدل ها جریان دارد:

این تقسیم بندی بر اساس سیال فرایندی مبدل شکل گرفته است. البته تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت گازها و مایعات در تعیین شکل مبدل نقش موثری دارد.

مایع/ مایع :

در این نوع مبدل های حرارتی هر دو سیال مایع هستند و مکانیزم انتقال حرارت برای هر دو ، انتقال حرارت اجباری است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

گاز/ مایع :

در این مبدل ها یک سیال مایع و سیال دیگر گاز است. معمولاً برای خنک نمودن سیال گرم توسط هوا استفاده می شود. جریان مایع با سرعت کافی داخل لوله پمپ می شود که این موجب بالا بودن ضریب انتقال حرارت طرف لوله ها می شود. هوا به صورت متقاطع بر روی لوله ها جریان می یابد. جریان هوا می تواند به صورت جابجایی اجباری یا آزاد باشد.

گاز/گاز :

معمولاً کمتر اتفاق می افتد که در مبدل ها هر دو سیال گاز باشند مگر اینکه یکی از گازها در فشار بالا باشد.
گاز فشار بالا که دانسیته آن بیشتر است در داخل لوله ها جریان می یابد. البته ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی کوچک است و برای انتقال حرارت مناسب باید تدابیری اندیشید.

انواع مبدل حرارتی : 

مبدل حرارتی بر اساس فاز سیال به کار رفته ، جریان های موجود در مبدل و .... انواع مختلفی دارند . که به آنها می پردازیم : 

1- مبدل های حرارتی لوله ای  ( tube Heat Exchanger )

مبدل های حرارتی لوله ایی از لوله های دایره ایی شکل تشکیل شده است ،به این صورت که یکی از سیال ها داخل لوله جریان می باید و یک سیال دیگر بیرون لوله ها جریان می یابد . قطر لوله ، تعداد لوله ها ، طول لوله و نحوه قرار گیری آنها بسته به شرایط می تواند تغییر کند . بنابراین این نوع مبدل ها در طراحی انعطاف پذیری بیشتری دارند .

 این مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته­ی مختلف تقسیم بندی می شوند:

الف ) مبدل حرارتی دولوله ای

ب )  مبدل حرارتی لوله مار پیچ

ج )  مبدل حرارتی پوسته و لوله 

موارد کاربرد و مزایای مبدل های لوله ای : 

هنگامی که ضریب انتقال حرارت سیال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از 2:1 باشد، مثلاً داخل لوله مایعات کم لزج مثل آب با ضریب انتقال حرارت بالا باشد و خارج آن از مایعات لزج استفاده شود معمولاً بجای استفاده از مبدل های پوسته و لوله از مبدل های لوله ای استفاده می شود.

البته در این موارد از پره با طول بلند که باعث افزایش سطح می شود، در خارج لوله استفاده می شود. همچنین اگر سرویس های فشار بالا مورد نیاز باشد ، مبدل های لوله ای ترجیحاً استفاده می شود. در سرویس های کوچک نیز از این مبدل ها استفاده می شود.

استفاده و کاربرد زیادی که مبدل های لوله ای دارند به خاطر مزایای زیر می باشد:

این سیستم ها دارای انعطاف پذیری زیادی هستند.

 در طول های مختلف و از انواع لوله های مختلف و از مواد مختلف ساخته می شوند و خیلی سریع از سوار کردن قطعات استاندارد پیش ساخته آماده می گردند .

 با انتخاب صحیح اتصالات به آسانی می توان قطعات آن را پیاده نمود تا درون و بیرون لوله ها تمیز شوند. محاسبات طراحی آنها به صورت دقیق و خوبی تدوین شده است. توزیع و پخش سیال را می توان در واحدهای مختلف کنترل نمود.

 این کار با انتخاب پمپ های جداگانه برای هر سری مبدل امکان پذیر است. 

2- مبدل حرارتی لوله _ پوسته  ( shell & tube Heat Exchanger )

متداول ترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می­باشد که برای کاربردهای مختلف و در اندازه ­های گوناگون طراحی و ساخته می شود.

از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . همچنین از آنها در فرآیند های پالایش نفت خام و صنایع شیمیایی به عنوان مبدل انرژی گرمایی استفاده می کنند . این مبدل ها برای هر گونه شرایط عملیاتی از قبیل : فشارهای عملیاتی بسیار بالا یا حتی دماهای عملیاتی بسیار بالا طراحی می شوند . از دیگر ویژگی های این مبدل می توان به استفاده از آنها در شرایط خاص عملیاتی مانند : سیال ویسکوز یا سیال خورنده و غیر اشاره کرد . مواد سازنده این مبدل ها نیز بسیار متنوع بوده به این ترتیب که می توان از انواع فلزات و همچنین انواع مواد غیر فلزی از قبیل شیشه و تفلون استفاده کرد . این مبدل ها در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شوند . دامنه تغییر اندازه آنها از یک تا یک میلییون فوت مکعب است .  

اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :

لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )

این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد.

پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .

در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .

دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.

مزایای این گونه مبدل ها عبارتند از:

1 - در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.

2 - طراحی مکانیکی خوبی دارند.

3 - روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.

4 - قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.

5 - به راحتی تجهیز می شوند.

6 - روش طراحی خوب و تثبیت شده ای دارند.