مبدل حرارتی

مبدل حرارتی چیست؟

فرآیند تبادل بیشگرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی از هم جدا شده‌اند در بسیاری از کاربردهای مهندسی روی می‌دهد. وسیله‌ای را که برای این تبادل به کار می‌رود «مبدل گرمایی» می‌گویند. موارد کاربرد این وسیله در سیستم‌های گرمایش ساختمان‌ها، تهویه مطبوع، تولید قدرت، بازیابی گرمای هدر رفته، و فرآوری شیمیایی است. ما در فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی نیاز به گرم کردن و یا سرد کردن سیالاتی داریم که مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای تبادل گرمای دو سیال بدون آنکه با هم آمیخته شوند، نیاز به سطح انتقال حرارت داریم. امروزه در سراسر دنیا کارخانه‌های فراوانی یافت می‌شوند که در زمینه ساخت مبدل‌های حرارتی فعالیت می‌کنند. آن‌ها بر اساس نیاز مشتری خود و بر اساس استانداردهای تعیین شده به طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی در سایزها و گونه‌های مختلف مبادرت می‌ورزند. در زیر به طور خلاصه به بررسی مبدل‌ها و روابط کلی انتقال حرارت در آنها می‌پردازیم.

نکات مهم انتخاب انواع مبدل حرارتی :

به طور کلی همان طور که از نام مبدل حرارتی مشخص است، مبدل های حرارتی وظیفه تبادل حرارت بین دو سیال را به عهده دارند. سیالات تبادل کننده حرارت می توانند آب، گاز، روغن، هوا و … باشند.

۱-مبدل حرارتی دو لوله ای (Double tube heat exchanger)

ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود. که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است. در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد. لوله های هم محوری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی ۱۸۰ درجه برگشت داده می شود. در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور می کند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود. از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم، محاسبات و طراحی آسان، کنترل ساده جریان های سیال در دو مسیر، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد. در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود.

۲-مبدل های حرارتی لوله مارپیچ (hell flow spiral heat exchanger)

این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند. معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد. معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است. از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد: معایب: ۱- به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آن ها مشکل و زمانبر است. ۲- بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن آن ها عملا مشکل است. مزایا: ۱- راندمان بالا ۲- مونتاژ آسان ۳- مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض ۴- مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین

۳-مبدل های حرارتی لوله – پوسته (shell & tube heat exchanger)

متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله-پوسته می باشد 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. اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از: – لوله ها (Tubes) – پوسته (Shell) – بافل ها (Baffles) – هد جلويي (Front Head) – هد پشتي (Rear Head) – صفحات تيوب ها (Tube Sheets) – نازل ها (Nozzels) 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. هنگامي كه سطح انتقال حرارت لازم براي مبدل هاي دو لوله اي زياد شود، بهتر است از مبدل هاي پوسته و لوله استفاده شود. مبدل هاي پوسته و لوله به طور وسيعي در فرايند هاي انتقال حرارت براي كاربردهاي مايع/مايع و همچنين در كندانسورها و مولدهاي بخار استفاده مي شوند. اين مبدل ها براي انتقال حرارت مشخصي سطح كمتري به نسبت مبدل هاي لوله اي اشغال مي كنند.

مزاياي اينگونه مبدل ها عبارتند از: ۱ در حجم كم ايجاد سطح بزرگي براي انتقال حرارت مي كنند. ۲ طراحي مكانيكي خوبي دارند. ۳ روش ساخت تثبيت شده خوبي دارند. ۴ قابليت استفاده براي دامنه وسيعي از مواد را دارند. ۵ به راحتي تجهيز مي شوند. ۶ روش طراحي خوب و تثبيت شده اي دارند.

۴-مبدل هاي صفحه اي: (Plate heat exchanger)

مبدل هاي حرارتي صفحه و قاب از قرار گرفتن يك سري صفحات فلزي در كنار يكديگر در داخل يك قاب فلزي ساخته مي شوند. اين صفحات در داخل قاب توسط ميله هاي بلند بهم فشرده مي شوند. طول اين ميله ها در شيارهاي (Gasket) فاصله بين دو درپوش را طي مي كنند و توسط مهره به درپوش محكم مي گردند. واشر اطراف هر صفحه قرار داده مي شود تا جريان سيال را در مجراي باريكي بين صفحات هدايت نمايد و همچنين از نشت آن ها به بيرون جلوگيري كند. در گوشه هاي هر صفحه مجرايي جهت ورود و خروج سيال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعيكه صفحات روي هم فشرده مي شوند اين محل هاي سوراخ شده در يك خط مستقيم قرار مي گيرند و بدين وسيله هدرهاي توزيع سيال در طول مبدل را به وجود مي آورند. صفحات مي توانند از هر فلزي با ابعاد معين ساخته شوند آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالب هاي مخصوص روي صفحات چاپ گردد. هنگامي كه اين صفحات در محل خود در كنار يكديگر قرار مي گيرند شيارهاي موجود روي صفحات متوالي تشكيل يك سري كانال هاي باريك جريان را مي دهند. و سيال ها از طريق مجراي خيلي باريك و ظريف بين صفحات متوالي عبور مي نمايند. در مبدل هاي مختلف آرايش جريان مي توانند متفاوت باشند. يكي از اين آرايش ها به صورت موازي مختلف الجهت مي باشد. در اين نوع ارايش جريان هاي هر كدام از سيال ها فقط يك بار ارتفاع صفحات را طي مي كنند در حاليكه در آرايش هاي چندگذر يك سيال ممكن است ۲ بار و يا بيشتر ارتفاع مبدل را طي نمايد.

امتيازات و كاربردها:

يكي از امتيازات مهم و اساسي مبدل هاي حرارتي صفحه و قاب اين است كه سطح انتقال حرارت مبدل به آساني از هم جدا مي شوند. بعد از برداشتن مهره ها و ميله هاي نگه دارنده و جداسازي صفحه متحرك انتهايي صفحات با لغزيدن روي صفحه باريكي براي معاينه از هم جدا مي شوند. اين امتياز كه صفحات به آساني تميز شوند و يا تعويض گردند باعث شده كاربرد اين مبدل ها در صنايع غذايي و لبنيات توسعه يابد. اما از ديگر امتيازات مهمي كه اين مبدل ها نسبت به مبدل هاي پوسته و لوله دارند اين است كه در مقايسه با مبدل هاي پوسته و لوله بار حرارتي معيني حدودا بين يك سوم تا يك چهارم انتقال حرارت لازم دارند. علتش را مي توان به صورت زير خلاصه نمود. توربولانس زياد به علت حركت سيال در مجاري باريك و ناهموار سبب افزايش ضريب انتقال حرارت مي گردد. فاصله نزديك به هم صفحات مانند اين است كه از لوله هاي با قطر كوچك استفاده شده است كه اين ضريب انتقال حرارت را افزايش مي دهد. توربولانس زياد سبب تقليل سرعت كثيف شدن مي شود. كاهش سطح انتقال حرارت باعث كاهش حجم و وزن مي شود.