مبدل حرارتی چیست

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل های حرارتی فرایند تبادل گرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی ازهم جدا شده اند در بسیاری از کاربردهای مهندسی روی میدهد.

وسیله ای را که برای این تبادل به کار میرود مبدل گرمایی میگویند، و موارد کاربرد آن را در سیستمهای گرمایش ساختمانها، تهویه مطبوع، تولید قدرت، بازیابی گرمای هدررفته و فرآوری شیمیایی میتوان یافت.

ما در فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی نیاز به گرم کردن و سرد کردن سیالاتی داریم که مورد استفاده قرار میگیرند.

برای تبادل گرمای دو سیال بدون اینکه بهم آمیخته شوند، نیاز به سطح انتقال حرارت داریم.

امروزه در سراسر دنیا کارخانههای فراوانی یافت میشود که در زمینه ساخت مبدهای حرارتی فعالیت میکنند.

آنها بر اساس نیاز مشتری خود و بر اساس استاندارهای تعیین شده به طراحی و ساخت مبدلهای حرارتی در سایزها و گونه های مختلف مبادرت میورزند.

مبدلهای لولهای

این مبدلها از لولههایی با مقطع دایرهای ساخته شدهاند.یک سیال در داخل لولهها و سيال دیگر در خارج از لوله جریان دارد.

قطر، تعداد، طول، گام و آرایش لولهها میتواند تغييرکند،بنابراین انعطافپذیری قابل ملاحظهای در طراحی آنها وجود دارد.

مبدل های حرارتی لوله ای میتوانند به صورت زیر دسته بندی شوند

:الف– دو لوله ای ((Double pipe

ب– پوسته و لوله (shell and tube)

ج– لوله ای حلزونی ((spiral tube

الف– مبدل های حرارتی دو لوله ای

مبدلهای دو لولهای معمولی شامل یک لوله است

که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لولهای دیگر با قطر بزرگتر قرار میگیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند.

مبدلهای حرارتی دو لولهای میتوانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند.

استفاده عمده مبدلهای دو لولهای، برای گرمایش و سرمایش محسوس سيالهای فرآیندی است که در انها سطوح انتقال گرمای کوچکی (تا m²50) مورد نياز میباشد.

این شکل بندی، همچنين در حالتيکه یک یا هر دو سيال سرد و گرم، در فشار زیاد باشند، مناسب است.

عیب اصلی این مبدلها آنست که ميزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم بوده، به عبارت دیگر برای ظرفيت گرمایی مشخص، بزرگ و گران قيمت هستند. اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بين لوله داخلی و خارجی کوچک باشد، لوله ) یا لولههای (داخلی دارای پرههای طولی می توانند استفاده شوند.

ب– مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدلهای پوسته و لوله، از لوله های با مقطع دایره ای که در پوستههای استوانهای بزرگ نصب شده اند، ساخته میشوند به طوری که محور لولهها موازی با محور پوسته است.

این مبدل ها به صورت وسيعی به عنوان خنک کنهای روغن، چگالندهها و پیش گرمکنها در نيروگاهها، و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاههای هستهای و در کاربردهای صنایع فرآیندی و شيميایی استفاده میشوند.

در مبدلهای دارای بافل ) تيغه ها و صفحات هدایت کننده جریان (، جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بين دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالیکه از فاصله مابين دو بافل به فاصله بعدی منتقل میشود، موازی با لوله ها، جهت مییابد. بسته به کاربرد مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آنها وجود دارد.

اهداف اصلی طراحی در این مبدلها، در نظر گرفتن انبساط حرارتی پوسته و لولهها  تميز کردن آسان مجموعه، و در صورت با اهميت نبودن سایر جنبهها، کم هزینهترین روش ساخت و توليد آنهاست.

در مبدلهای حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت Fixed tube sheet،

پوسته به صفحه لوله جوش داده شده است و هي گونه دسترسی به خارج از دسته لوله، برای تمیز کاری وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است که می توانید اندکی توسط فانوسیهای انبساط، افزایش یابد. در این نوع از مبدلها، تميز کردن لولهها، ساده است.

مبدلهای حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله یوشکل دارای کم هزینه ترین ساختار است، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نياز است.

سطح داخلی لوله ها به دليل خم یوشکل تند، نميتواند با وسایل مکانيکی تميز شود.

در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.

آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و لوله،بسته به ظرفیت گرمایی، افت فشار، سطح فشار،تشکيل رسوب،

شيوه های ساخت و هزینه بری،کنترل خوردگی و مسائل تميزکاری، استفاده می شوند.

بافل ها برای افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده ميگردند.

مبدلهای پوسته و لوله، بر حسب نیاز، برای هر ظرفيت و شرایط کارکرد، طراحی میشوند.

این مشخصه مبدلهای پوسته و لوله، متفاوت با بسياری از انواع دیگر مبدل ها می باشد.

ج– مبدل های حرارتی لوله ای حلزونی

این مبدل ها شامل کویلهایی هستند که به صورت حلزونی پيچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند

و یا به صورت چگالندههای هم مرکز و تبخير کنندههای هم مرکز هستند که در سيستمهای تبرید استفاده می شوند.

ضریب انتقال گرما، در لولیه حلزونی در مقایسه با لوله مستقيم، بيشتر است.

این مبدلها، برای انبساط گرمایی و سیالهای تمیز مناسب هستند، زیرا تميز کردن آنها تقریبا غير ممکن است.

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحهای از صفحات نازک که کانالهای جریان را تشکيل میدهد، ساخته می شوند.

جریانهای سيال، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موجدار هستند، از هم جدا میشوند.

این مبدلها برای انتقال گرما بين گاز، مایع یا جریانهای دو فاز، استفاده میشوند.

این مبدلها میتوانند به صورت زیر دسته بندی شوند:

الف– صفحهای واشردار Gasketed-plat))

ب– صفحهای حلزونی Spiral plat))

ج– لاملا Lamella) )

الف– مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار

مبدلهای صفحهای واشردار شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موجدار است که سیالهای گرم و سرد را از یکدیگر جدامیکند.

صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما بين آنها مبادله شود، یکی در ميان فضای صفحات، جریان یابند.

طراحی و واشربندی مناسب، امکان آن را ایجاد میکند که مجموعه ای از صفحات، توسط پیچ ها که از صفحات ابتدا و انتها نيز میگذرند، در کنار یکدیگر نگهداشته شوند.

واشرها از نشتی به بيرون جلوگيری میکنند و سیالها را در صفحات، به شکل مورد نظر، هدایت مینمایند.

شکل جریان، عموماً به نحوی انتخاب میشود که جریان سيا ها در خلاف جهت یکدیگر باشند.

مبدل های صفحه ای معمولا به جریان سيال با فشار پایين تر از 25bar و دمای کمتر از حدود 250 درجه سانتیگراد محدود میشوند.

جریان قوی گردابه ای موجب بزرگ بودن ضریب انتقال گرما و افت فشارها می گردد، بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی، باعث کاهش تشکيل رسوب می شود.این مبدلها، سطح انتقال حرارتی نسبتاً فشرده و با وزن کم ایجاد میکنند.

دما و فشار آنها به دليل جزئيات ساخت و واشربندی، محدود هستند. این مبدل ها به آسانی تمیز و استریليزه ميشوند زیرا می توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده ای در صنایع غذایی دارند.

ب– مبدل های حرارتی صفحه ای حلزونی

مبدلهای صفحهای حلزونی، با پيچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک ميله اصلی ) مندرل (و جوش دادن لبههای صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکيل دهند، شکل داده می شوند.

فاصله بين صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی، با استفاده از پين های فاصله انداز که به ورق فلزی جوش می شوند، حفظ میشود.

طول پين های فاصله انداز می تواند بين 5تا 20mm تغيير کند. به همين دليل است که با توجه به نرخ جریان، می توان فواصل مختلفی برای کانال انتخاب کرد.

این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل و بنابراین کوچکترین سطوح گرمایش ممکن، بدست می آیند.

در هر یک از دو مسير حلزونی، یک جریان ثانویه ایجاد میشود که انتقال گرما را افزایش، و تشکيل رسوب را کاهش میدهد.

این مبدل ها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود، نسبتاً گران قيمت می باشند.

سطح انتقال گرما برای این مبدل ها، در محدوده 0.5 تا 500m² میباشید.

حداکثر فشار کارکرد (تا 15bar) و دمای کارکرد (تا 500 درجه سانتیگراد) در این مبدلها محدود هستند.

مبدل های حرارتی حلزونی به ویژه در کاربرد سيال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع– جامد، استفاده می شوند. مبدلهای حلزونی، در سه نوع اصلی که در اتصالات و آرایشهای جریان، تفاوت دارند، ساخته میشود.

ج– مبدل های حرارتی لاملا

مبدل های حرارتی لاملا ) ریمن) شامل مجموعه کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک است

که به طور موازی جوشکاری شده اند و یا به شکل لاملا ) لوله های تخت یا کانالهای مستطیلی) می باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند.

این مبدل، شکل اصلاح شده ای از مبدل های حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است.

 لولههای تخت شده که به آن ها لاملا نيز گفته ميشود، از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملياتی پيوسته، به یکدیگر جوش نقطه ای یا درزی شده اند، ساخته شده است  

.شکل دهی خاص صفحات باریک، فضای داخل لاملاها را ایجاد میکند و برجستگیهایی به سمت خارج، بيرون میزند که به صورت فاصله دهنده، بين لاملاها، برای ایجاد مقاطع جریان در سمت پوسته بکار می رود.

لاممها در هر دو انتها با قرار دادن میلههای فولادی در وسط آنها به یکدیگر جوش می شوند.

اندازه ميلههای فولادی بسته به فاصله مورد نياز بين لاملاها دارد.

هر دو انتهای دسته لاملا بوسيله جوشهای محيطی، به درپوش کانال متصل میشوند که آن هم خود، در انتهای خارجی به نازل ورودی و خروجی جوش شده است. بنابراین سمت لاملا کاملاً توسط جوشها آب بندی شده است.

سطوح ما بين لاملاها برای تميز کاری شيميایی مناسب هستند بنابراین سیالهای رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند.

جریان سمت پوسته عموماً یک گذر حول صفحا است و به صورت طولی در فضای بين کانالها جریان مییابد.

هیچگونه بافلی در سمت پوسته وجود ندارد و بنابراین مبدل های لاملا می توانند برای آرایش جریان مخالف جهت واقعی در نظر گرفته شوند.

به دليل آشفتگی زیاد جریان، توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف، لاملاها به سادگی رسوب نمیگيرند.

دسته صفحه میتواند به راحتی برای بازرسی و تميز کاری بيرون آورده شود.

این طرح دارای ظرفيت تحمل فشار تا 35bar و تحمل دما تا 200 درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و 500 درجه سانتيگراد برای واشرهای آزبست می باشد.

مبدل های حرارتی با سطوح پره دار

مبدلهای حرارتی با سطوح پرهدار، دارای پرهها و یا ضمائمی در سطح اصلی (یا لولهای یا صفحهای) انتقال گرما به منظور افزایش این سطح میباشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسيار کوچکتر از سمت مایع است، سطوح انتقال گرمای پره دار، در سمت گاز برای افزایش سطوح انتقال گرما استفاده می شوند. پرهها به صورت وسیع در مبدلهای حرارتی گاز-گاز یا گاز – مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل های حرارتی فشرده نياز باشد استفاده میگردند. دو نوع از رایجترین مبدلهای حرارتی دارای صفحات پره دا عبارتند از :

الف– مبدلهای صفحه ای پرهدار

ب– مبدلهای لوله ای پرهدار

الف– مبدل های صفحه ای پره دار

نوع مبدلهای صفحهای پرهدار عمدتاً برای کاربردهای گاز– گاز و مبدلهای لولهای پرهدار برای کاربردهای مایع– گاز استفاده میشوند. در اکثر کاربردها ) ماشين های باری، اتومبيلها و هواپيماها) کاهش جرم و حجم مبدل از اهميت ویژه ای برخوردار است. به دليل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن، مبدل های حرارتی فشرده همچنين به صورت وسیع در تبرید با دمای خيلی کم ) کرایوژنيک (، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، تبرید وسيستم های تهویه استفاده میگردند.

جریانهای سيال با صفحات تخت که بين آن ها پره های موج دار قرار داده شده اند، از هم جدا میشوند. آن ها می توانند با توجه به جریان های سیال با شکل بندیهای متفاوت آرایش داده شوند. این واحد های بسيار فشرده دارای سطح انتقال گرما در واحد حجم حدود 200m²/m³ ميباشند. صفحات عموماً دارای ضخامت 0.5 تا 1mm و پره ها دارای ضخامت 0.15 تا 0.75mm میباشند. کل مبدل از آلياژ آلومينيوم ساخته شده است و اجزاء مختلف، در حمام نمک یا کوره خلاء به یکدیگر لحيم میشوند.

ورق های موج دار که بين صفحات تخت قرار داده شده اند، باعث ایجاد سطح انتقال گرمای بيشتر می شوند و هم تکيه گاهی برای صفحات تخت ایجاد میکنند. شکلهای مختلف بسياری از ورق های موجدار در این مبدل ها استفاده می شوند ولی رایجترین آنها عبارتند از:

پره ساده، پره ساده سوراخدار، پره دندانه ای یا کنگره ای، پره جناغی یا موجی شکل

با استفاده از پره ها که در راستای جریان پيوسته نباشند. لایههای مرزی کاملا شکسته میشوند و بهم میخورند، اگر سطح در راستای جریان دارای موج باشد، لایه های مرزی یا نازک میگردند و یا قطع میشوند که نتيجه آن ضرایب بزرگتر انتقال گرما و افت فشار بزرگتر است.

کانالهای جریان در مبدل های صفحه ای پره دار کوچیک هستند که بدین معناست که سرعت جرمی جریان در آنها نيز باید کوچک باشد (10 تا 300kg/m².s) تا از افت فشار اضافی، اجتناب شود. این موضوع کانال را مستعد برای تشکيل رسوب نماید، با توجه به این موضوع که این مبدلها نمی توانند به صورت مکانيکی تميز شوند، استفاده از این مبدلهای صفحه ای پره دار منحصر به سيالهای تميز است. آنها به وفور برای مصارف چگالش در واحدهای مایع سازی هوا استفاده می شوند.

مبدلهای صفحه ای پره دار برای استفاده در توربینهای گاز، نيروگاههای مرسوم و هستهای، مهندسی پیشرانه (هواپيماها، ماشين های باری و خودروها(، تبرید، گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، سيستمهای بازیابی گرمای اضافه، صنایع شیميایی و سرمایش وسایل الکترونيکی بوجود آمده اند.

ب– مبدل های لوله ای پره دار

این مبدلها شامل آرایه ای از لولههایی با پرههایی که در سمت بیرونی ثابت شدهاند، میباشد. پرههای سمت خارجی لوله ها ممکن است عمود بر محور لولهها، اریب یا مارپیچ نسبت به محور، یا طولی )محوری) و در امتداد محور لوله باشند. پرههای طولی معمولا در مبدل های دو لوله ای یا پوسته و لوله ای که دارای بافل نيستند استفاده می شوند.

در مبدلهای لوله ای پره دار عموماً لوله هایی با مقاطع گرد، مستطيلی یا بيضوی استفاده می شوند. پره ها با لحيم کاری، جوش برنجی، جوشکاری، اکستروژن، جا زدن مکانيکی، پيچاندن کششی و غيره به لوله وصل می شوند. این مبدل ها بطور متداول در سیستمهای گرمایش، تهویه، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. سطوح داخلی در سمت لولهها عموماً در چگالنده ها و تبخير کننده های سيستم های تبرید استفاده می گردند.

چگالنده های خنک شونده با هوا و دیگهای بخار بازیافت، مبدلهای حرارتی لولهای پره دار هستند که شامل یک دسته افقی از لوله ها است که هوا یا گاز از ميان لولهها و متقاطع با آن ها در سمت خارجی دميده می شود و چگالش یا جوشش، در سمت داخل لوله ها اتفاق می افتد.