همه چیز در مورد مبدل های حرارتی

[maryam 2009 369]

ممنون مهندس

[spow 44197]

مقدمه

 

تجهیزات مورد استفاده در انتقال حرارت با توجه به عملی که در فرایند انجام می دهند تعریف می گردند.مبدلهای حرارتی حرارت را بین دو جریان از فرایند بازیابی می کنند.بخار آب و آب سرد به عنوان سرویسهای جنبی مورد استفاده قرار می گیرند ولی آنها را نظیر جریانهای قابل بازیابی در فرایند مورد بررسی قرار نمی دهند

گرمکن برای گرم کردن سیالات در فرایند به کار برده می شود و غالبا از بخار آب به عنوان سیال گرم کننده استفاده به عمل می اید.با این حال در پالایشگاههای نفت از روغن داغ جاری در سیکل حرارتی جهت گرمایش استفاده می کنند و برای سرد کردن سیالات از سرد کن استفاده می شود و آب سرد به عنوان ماده واسط سرما یش عمل عمل می کند چگالنده نیز نوعی سرد کن است ولی هدف از به کار گیری آن گرفتن حرارت محسوس سیا ل می باشد منظور از به کار بردن ریبویلر تامین حرارت لازم در فرایند تقطیر به عنوان حرارت نهان است.تغلیظ کننده تبخیری وسیله ایست که برای غلیظ کردن محلول ها با تبخیر آب آنها مورد استفاده قرار می گیرد و اگر سیال دیگری نیز همراه با آب تبخیر شود اصطلاح تبخیر کننده به کار برده می شود

 

مبدل های حرارتی(Heat Exchangers)

 

مبدل های حرارتی بر اساس :

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 شوند.

[spow 44197]

انواع مبدل های حرارتی بر اساس آرایش جریان

 

1-مبدلهاي حرارتي جريان موازي

 

فرض كنيد دو سيال متفاوت يكي در داخل و ديگري در خارج لوله و در يك جهت در طول لوله جريان دارد و سيال داخلي گرمتر از سيال خارجي است .بنابراين گرما از سيال داخلي به سيال خارجي منتقل مي شود .درنتيجه دماي سيال گرمتر كاهش و دماي سيال سردتر افزايش مي يابد .با توجه به شكل زير سيال داخلي (گرمتر )در نقطه A بيشترين و در نقطه C كمترين دما را دارد.همچنين سيال خارجي( سردتر ) در نقطه A كمترين و در نقطه C بيشترين دما را دارد.

 

 

 

شكل زير چگونگي تغيير دماي دو سيال را در طول لوله نمايش مي دهد

 

 

همانطور كه شكل نشان مي دهد در نقطه A بيشترين اختلاف دما و در نتيجه بيشترين نرخ انتقال حرارت داريم ولي در نقطه C اختلاف دما نداريم و در نتيجه انتقال حرارت نيز وجود ندارد.

در جريان موازي دماي خروجي سيال گرمتر نمي تواند از دماي خروجي سيال سردتر كمتر باشد.

[spow 44197]

2-مبدل های حرارتی جريان مخالف

 

در اين نوع از مبدلها دو سيال در خلاف جهت يككديگر حركت مي كنند

 

 

فرض كنيد دو سيال با جريان مخالف يكي در داخل و ديگري در خارج لوله جريان دارند و سيال داخلي گرمتر است.دماي سيال داخلي گرمتر در نقطه A بيشترين و در نقطه C كمترين مقدار را دارد.به عبارت ديگر دماي سيال داخلي از نقطه Aبه نقطه C كاهش مي يابد.همچنين دماي سيال خارجي سردتر در نقطه Cكمترين ودر نقطه Aبيشترين مقدار را دارد.

شكل زير تغيير دماي دو سيال را در طول لوله نمايش مي دهد.

 

 

دو جريان مخالف اختلاف دماي دو سيال در طول لوله تقريبا"ثابت است ولي در جريان موازي اختلاف دما در ورودي بيشترين و در خروجي كمترين مقدار را دارد.در جريان مخالف نرخ تبادل حرارت در طول لوله تغييرات اندكي دارد.ودر جريان مخالف دماي نهايي سيال گرمتر كمتر از دماي نهايي سيال سردتر است

[spow 44197]

انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :

 

1-مبدل های حرارتی لوله ایtube" heat exchanger-"

این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :

1_ تک لوله ای

2_ دولوله ای

3_ لوله مار پیچ

4_ چند لوله ای

5_ لوله پوسته

 

• 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 .

 

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

قسمتهای اصلی این مبدل عبارتند از از دو لوله ( (pipe هم محور ,دو اتصال سه راهی , کلاهک برگشت, و خم برگشت.

 

 

لوله ( (pipe داخلی با استفاده ازاتصال بوشی درون لوله ( (pipe بیرونی نگه داشته می شود و سیال از طریق اتصال رزوه ای که خارج از مبدل نصب شده وارد لوله ( (pipe داخلی می گردد.اتصالات سه راهی دارای نازلها یا اتصالات پیچ شده ای هستند که امکان ورود و خروج سیال از فضای بین دو لوله را فراهم می سازند این سیال از طریق کلاهک برگشت دهنده از یک ساق به ساق دیگر جریان می یابد دو ساق لوله ( (pipe داخلی به کمک خم برگشت به هم متصل شده اند که معمولا درون لوله ( (pipe دوم قرار نگرفته و سطح تبادل حرارت موثری ایجاد نمی کند .اگر مبدل دو لوله ای ( (pipe به شکلی باشد که در شکل فوق مشاهده می شود ,واحد تبادل حرارت را دو شاخه ای می نامند مبدلهای دو لوله ای بسیار مفید هستند زیرا می توان آنها را در هر مسیری که لازم باشد با بهره گیری از اتصالات استاندارد نصب کرد و سطح تبادل حرارت مورد نیاز را با هزینه کم تا مین کرد اندازه های استاندارد اتصالات سه راهی های برگشت پذیر به این صورت است:

 

 

مبدلهای دو لو له ای را معمولا با طول 15- 12 یاft 20 مورد استفاده قرار می دهند طول موثر طولی از هر ساق است که در آن تبادل حرارت صورت می گیرد و جدای از بخشهایی از لوله داخلی ( (pipe است که جهت تبادل حرارت بکار برده نمی شود در صورت استفاده از مبدل دو شاخه ای با طولی بیش از 20 تا 40 ft طول موثر و یا بیش از این مقدار , لوله ( (pipe داخلی متمایل به خم شدن و تماس با لوله ( (pipe خارجی خواهد داشت .نتیجه این خمش , اغتشاش در توزیع جریان در فضای بین دو لوله است .نقص اصلی استفاده از مبدلهای دو لوله ای ,کم بو دن سطح تبادل حرارت در یک مبدل دو شاخه ای منفرد است.اگر از این نوع مبدل در تجهیزات تقطیر در فرایندهای صنعتی استفاده به عمل آید,تعداد بسیار زیادی از آنها مورد نیاز می باشد

در نتیجه فضای بیشتری لازم است و هر مبدل دو لوله ای کمتر از 14 نقطه که در آنها امکان نشت وجود دارد را نخواهد داشت . زمان و هزینه مورد نیاز برای باز کردن و تمیز کردن دوره ای در مقایسه با سایر انواع دیگرمبدلها , عاملی محدود کننده است با این حال مبدل های دو لوله ای در مواردی که سطح تبادل حرارت لازم حدود 100الی 2ft 200 یا کمتر باشد ,کاربردهای فراوانی دارند.

[spow 44197]

• مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" 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 :

1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است

2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است

مزایا :

1_ راندمان بالا

2_ مونتاژ آسان

3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض

4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین

 

• مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)

 

تامین بسیاری از خدمات صنعتی نیازمند به کار گیری تعداد زیادی مبدل دو لوله ای از نوع دو شاخه است این مبدلها سطح قابل توجهی را اشغال کرده ودر نقاط بسیاری امکان نشت سیال وجود دارد .هنگامی که سطح تبادل حرارت زیادی مورد نیاز باشد با استفاده از مبدلهای پوسته – لوله ای می توان سطح لازم را بدست آورد. در مبدلهای پوسته لوله ای درون صفحه نگهدارنده لوله قرار گرفته و به دلیل پهن شدگی لوله در سوراخهای صفحه نگهدارنده نوعی آب بندی ایجاد می گردد که تحت شرایط عملیاتی مناسب نشت صورت نمی گیرد.

متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های 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 ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده

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 باشند.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.سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار میگیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .

این نوع از مبدلها در مباحث بعدی بطور مفصل شرح داده خواهد شد.

[spow 44197]

plate heat exchangerمبدل های حرارتی صفحه ای

 

این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود

 

 

plate & farme heat exchanger مبدل حرارتی صفحه و شاسی

 

این نوع از مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم وسرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده و بدلیل محدودیت دما وفشار برای دما و فشارهای بالا عمل انتقال حرارت صورت می گیرد که در این مبدلها مناسب نیستند.ازاین مبدلها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده می شود واین به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد .از این نوع مبدلها معمولا"در صنایع غذایی استفاده می شود.

 

مبدل های حرارتی پره دار

 

از مبدلهای پره دار در مواردی استفاده می شود که لازم است حجم و وزن مبدل کم و در عین حال بازده مبدل بالا باشد , این نوع مبدل ها دارای پره ها و یا ضمائمی در سطح اصلی که انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از مایع است سطوح انتقال گرمای پره دار در سمت گاز برای افزایش سطح انتقال گرما استفاده می شوند. پره ها بصورت وسیع در مبدل گرمایی گاز-گاز یا گاز مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل فشرده گرما نیاز باشد استفاده می گردند.

 

مبدل حرارتی صفحه پرهflat plate exchanger

 

نوع مبدل های صفحه ای پره دار عمدتا برای کاربردهای گاز-گاز و مبدل های لوله ای پره دار برای کاربردهای مایع – هوا استفاده می شود. در اکثر کاربردها کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بدلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن مبدل های فشرده گرما همچون بصورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم بازیابی انرژی و صنایع فرآیندی و تبرید و سیستم های تهویه مطبوع استفاده می گردند.

[spow 44197]

لوله هاي مبدل حرارتی

 

منظور از لوله هاي مبدل حرارتي ,لوله هايي نظير لوله هاي چگا لنده ها مي باشد ونبايد آنها را با لوله هاي فولادي يا ساير لوله هايي که با روش هاي تزريقي ساخته مي شوند ( (pipe اشتباه کرد .قطر خارجي لوله هاي مبدل حرارتي و يا چگالنده ها , قطر خارجي واقعي بر حسب اينچ است که لقي مجاز آن بسيار کم مي باشد لوله هاي مبدلها از انواع مختلف فلزات ساخته مي شوند که شامل فولاد ,مس ,آلياژهاي مس , و روي و قلع,آلياژهاي مس و روي,آلياژمس-نيکل 30-70 آومينيوم برنز,آلومينيوم و فولاد ضد زنگ مي گردند.

اين لوله ها داراي ضخامت هاي متفاوتي هستند که با درجه بندي بيرمنگام با علامت BWG يا درجه لوله مشخص مي شوند.

اندازه لوله هايي که عموما" در دسترس مي باشند در جدول 10 ضميمه آمده است.استفاده از لوله هايي با قطر خارجي 3/4 و 1 in در طراحي مبدلهاي حرارتي رايج مي باشد.داده هاي جدول 10 به نحوي مرتب شده اند که براي کاربرد در محاسبات انتقال حرارت سودمندتر باشند.

 

گام لوله

 

سوراخ محل نصب لوله ها را نمي توان خيلي نزديک بهم تعبيه کرد زيرا فاصله فلزي بين دو لوله مجاور هم بسيار ناچيز بوده و مقاومت ساختماني صفحه نگهدارنده لوله را ضعيف مي کند.

کوتاهترين فاصله ميان دو سوراخ مجاور هم را فاصله آزاد يا لقي آزاد مي نامند که در حال حاضر استاندارد شده اند.لوله ها با الگوي مربعي يا مثلثي استقرار مي يابند.

مزيت گام مربعي اين است که سطح خارجي لوله ها براي تمييز کردن در دسترس مي باشد.

و در جهات نشان داده شده در شکل افت فشار کمتري ايجاد مي گردد.گام لوله کوتاهترين فاصله مرکز به مرکز بين لوله هاي مجاور هم مي باشد

گام رايج براي استقرار لوله هاي ¾ in OD با گام مربعي معادل1 in و براي لوله ي 1 in OD برابر 1 1/4 in است .براي استقرار لوله ها به روش مثلثي اين گام ها عبارتند از :

لوله ¾ in OD با گام مثلثي 15/16 in لوله ¾ in OD با گام مثلثي 1 in و لوله 1 in OD با گام مثلثي 1 1/4 in .

 

 

در شکل فوق قسمت "پ" آرايش لوله ها با گام مربعي را 45 درجه چرخانده ايم ولي هنوز مشابه قسمت "الف" است.در قسمت "ت" ارايه اصلاح شده گام مثلثي که قابل تميز کردن با روشهاي مکانيکي است مشاهده مي گردد.اگر لوله ها به حد کافي با يکديگر فاصله داشته باشند امکان ايجاد فواصل لازم براي تمييز کردن به صورت نشان داده شده در شکل نيز فراهم مي گردد.

[spow 44197]

پوسته ها

 

پوسته ها را از لوله فولادي ( (pipe با قطر نامي IPS تا 12in مي سازند .قطر هاي بيش از 12 از جمله 24in داراي قطر خارجي واقعي و نامي مشابه هستند.ضخامت استاندارد براي پوسته از 12 تا24in معادل 3/8 in است که براي فشار عملياتي تا 300psi مناسب مي باشد و ضخامت هاي بيشتر از اين حد براي فشار هاي بالا تر بکار برده مي شود.

پوسته هاي با قطر 24in را با استفاده از صفحات فولادي نورد شده مي سازند.

 

1-1- بررسي انواع مبدلهاي پوسته و لوله

 

مبدل هاي حرارتي پوسته-لوله اي با مقطع دايره اي که در پوسته اي استوانه شکل نصب شده اند ساخته مي شوند. بطوريکه محور لول ها موازي با محور پوسته است. اين مبدل ها بصورت وسيعي بعنوان خنک کن هاي روغن و چگالنده ها و پيش گرمکن ها در نيروگاه و به عنوان مولدهاي بخار در نيروگاه هاي هسته اي و در کاربردهاي صنايع فرآيندي و شيميايي استفاده مي شود. ساده ترين شکل از يک چگالنده نوع پوسته اي و لوله اي افقي به همراه اجزاء در زير نشان داده شده.

 

 

يک سيال داخل لوله ها و سيال ديگر در سمت پوسته بصورت متقاطع با لوله ها و يا در طول آن ها جريان دارد.

اهداف اصلي طراحي در اين مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمايي پوسته و لوله ها و تميز کردن آسانتر مجموعه و هزينه کم در روش ساخت و توليد آنها نسبت به سايرين مي باشد.

در مبدل هاي پوسته اي و لوله اي با صفحه لوله هاي ثابت پوسته به صفحه لوله جوش شده است و هيچگونه دسترسي به خارج از دسته لوله ها براي تميز کاري وجود ندارد. در اين نوع از مبدل ها تميز کردن لوله آسان است.

مبدل هاي پوسته لوله اي با دسته لوله u شکل داراي کمترين هزينه ساخت مي باشد. زيرا در آنها فقط به يک لوله نياز است. سطح داخلي لوله ها بدليل خم u شکل تند را نمي توان با وسايل مکانيکي تميز کرد. در اين مبدل ها تعداد زوجي از گذرگاه لوله بکار مي رود ولي محدويتي از نظر انبساط گرمايي وجود ندارد.

چندين طرح ايجاد شده که به صفحه لول ها امکان مي دهد تا شناور باشد.

[spow 44197]

2-1اجزاي اصلي مبدل هاي پوسته-لوله اي

 

مبدل هاي پوسته-لوله اي از لوله هاي دايره اي قرار گرفته در يک پوسته استوانه اي ساخته مي شوند که لوله ها موازي با پوسته مي باشد. يک سيال در داخل لوله ها جريان دارد و سيال ديگر از روي دسته لوله ها

دسته لوله ها tube bundle

پوستهshell

سرhead

انتهاي جلوييfront-end head

سر انتهاي عقبيrear-end head

ديوارک ها baffles

صفحه لوله هاtube sheets

انواع دسته لوله ها

نوعي از طراحي که امکان انبساط گرمايي مستقل لوله ها و پوسته را فراهم مي کند. لوله u شکل است. بنابراين در اين نوع طراحي انبساط گرمايي مي تواند وجود داشته باشد و محدود نيست. لوله u شکل داراي کمترين هزينه ساخت است. زيرا فقط به يک صفحه لوله نياز است. سمت لوله بدليل شکل انحناي u نمي تواند با وسايل مکانيکي تميز شود. در اين نوع دسته لوله ها تنها تعداد زوجي از گذرهاي لوله مي تواند بکار رود. تنها لوله هاي قرار گرفته در رديف بيروني دسته لوله ها قابل تعويض مي باشند. جزئيات بيشتر در شکل زير نشان داده شده است.

 

 

پوسته به صفحه لوله جوش خورده و به سمت بيروني دسته لوله براي تميز کاري دسترسي وجود ندارد. در اين مورد تميز کاري لوله بصورت مکانيکي بسيار آسان است.طرحهاي متعددي فراهم آمده که به صفحه لوله ها امکان دهند تا شناور باشند. يعني بتواند با انبساط گرمايي حرکت کند.

[shayana 12]

ممنونم

[shayana 12]

ولی فایلت خرابه

یه نگاهی بنداز

[spow 44197]

ممنون عزیز

انگار مشمول لطف شدن فایلا توسط صاحبشون

اپلود میکنم ومیزارمشون از نو

[راه سبز امید 1331]

اینم خیلی خوبه آقا سجاد

در ضمن خرابم نیست

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[sjhosseini 10]

are ta alan ke hame linka kharab bude:icon_redface:

[spow 44197]

مبدل های حرارتی تقریباً پرکاربرترین عضو در فرآیندهای شیمیایی اند و می توان آن ها را در بیشتر واحدهای صنعتی ملاحظه کرد. آنها وسایلی هستند که امکان انتقال انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف را فراهم می کنند. این عملیات می تواند بین مایع- مایع ، گاز- گاز و یا گاز- مایع انجام شود. 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 های حرارتی در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده می شوند . این کاربردهای شامل نیروگاه ها ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع ساخت و تولید ، صنایع فرآیندی ، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز ، گرمایش ، تهویه مطبوع ، سیستم های تبرید و کاربردهای فضایی میباشند. 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 دارند.

صنایع بسیاری در طراحی انواع مبدل های حرارتی فعالیت دارند و هم چنین ، دروس متعددی در کالج ها و دانشگاه ها با نام های گوناگون در طراحی مبدل های حرارتی ارائه می گردد. محاسبات مربوط به مبدل ها کاری طولانی و گاهی خسته کننده است. مثلاً طراحی یک مبدل برای یک عملیات به خصوص نیاز به حدس های زیادی دارد که با استفاده از آن ها و طبق استانداردها می توان اندازه های یک مبدل مناسب را پیدا کرد. اما با استفاده از برنامه های کامپیوتری تمام این محاسبات توسط کامپیوتر انجام میشود و طراح برای طراحی تنها باید شرایط عملیاتی و خواص سیالات حاضر در عملیات را وارد کند. نرم افزارهای Aspen B-jac و HTFS از این موارد هستند. این نرم افزارها شامل برنامه هایی می شوند که توانایی انجام چنین محاسباتی را دارند.

[spow 44197]

دسته بندی مبدل های حرارتی

 

مبدل های حرارتی را می توان از جنبه های مختلف دسته بندی کرد :

 

- بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم

- بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم

- بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم

- بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدلها

 

 

بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم

 

1- مبدل های حرارتی نوع Recuperative

 

در این مبدل سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت می گیرد. اکثر مبدل های موجود در صنعت از این دسته هستند.

 

2- مبدل های حرارتی نوع Regenerative

 

در این مبدل ، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می گیرند. این نوع مبدل ها بیشتر در مقیاس های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند.

3- مبدل های حرارتی نوع تماس مستقیم

 

در این نوع مبدل های حرارتی ، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده ( هیچ دیواره ای بین جریانهای سرد و گرم وجود ندارد ) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می گیرد. در مبدل های تماس مستقیم ، جریانها ، دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. نمونه ای از این مبدل ها ، برج های خنک کن ، کولرهای آبی و گرم کن های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه های بخار می باشند .

[spow 44197]

بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم

 

بر این اساس مبدل های حرارتی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند :

الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو

ب‌- مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو

ج - مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

 

الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو

 

در این نوع مبدل ها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آن ها موافق یکدیگر می باشند. یعنی دو جریان سیال ، از یک انتها به مبدل وارد می شوند و هر دو در یک جهت جریان می یابند و از انتهای دیگر خارج می شوند. نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم بکارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می باشد.

 

ب- مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو

 

در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان غیر همسو می نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدل ها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدلها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل های همسو برخوردار هستند.

 

ج- مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

 

در این نوع مبدل ها جهت جریان های سرد و گرم عمود بر هم می باشند. به عنوان متداول ترین نمونه می توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم ، بسته به طراحی ، جریان مخلوط یا غیر مخلوط نامیده می شود. سیال داخل لوله ها چون اجازه حرکت در راستای عرضی را نخواهد داشت غیر مخلوط است. سیال بیرونی برای لوله های بی پره مخلوط است چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و برای لوله های پره دار غیر مخلوط است زیرا وجود پره ها مانع از جریان آن در جهتی عمود بر جهت اصلی جریان می شود.

[spow 44197]

بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم

 

مبدل های حرارتی بر طبق مکانیزم انتقال گرما ، می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :

1- جابجایی یک فاز در هر دو سمت

2- جابجایی یک فاز در یک سمت ، جابجایی دو فاز در سمت دیگر

3- جابجایی دو فاز در هر دو سمت

در مبدل های حرارتی از قبیل اکونومایزرها ( مبدل هایی که در آن سیال از شرایط مایع مادون اشباع بسمت شرایط مایع اشباع می رود) و گرمکن های هوا در دیگ بخار ، خنک کن های میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای ، رادیاتور خودروها ، ژنراتورها ، خنک کن های روغن ، گرم کن های مورد استفاده در گرمایش اطاقها و غیره ، در هر دو سمت سیال سرد و گرم ، انتقال گرما از طریق جابجایی یک فاز اتفاق می افتد. چگالنده ها ، دیگ های بخار و مولدهای بخار در راکتورهای آب تحت فشار در نیروگاه های هسته ای ، تبخیرکننده ها و رادیاتورهای مورد استفاده در تهویه مطبوع و گرمایش ، دارای مکانیزم های چگالش و جوشش در یکی از سطوح مبدل های حرارتی می باشند. همچنین انتقال گرمای دو فاز می تواند در هر دو سمت مبدل ، مانند شرایطی که چگالش در یک سمت و جوشش در سمت دیگر سطح انتقال گرما است ، اتفاق بیفتد. هر چند ، بدون تغییر فاز نیز می توان شکلی از انتقال گرمای جریان دوفاز داشت ، همانطور که بسترهای سیال ، مخلوط گاز و ذرات جامد ، به سطح گرمایی ، یا از آن سطح ، گرما منتقل می کنند.

[spow 44197]

بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها

 

مبدل های حرارتی از نوع تماس غیر مستقیم ( مبدل های با انتقال گرما از طریق دیواره ) اغلب بر حسب مشخصات ساختاریشان توصیف می شوند. انواع عمده دسته بندی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار آن ها ، شامل لوله ای ، صفحه ای و سطح پره دار است.

 

1- مبدل های لوله ای

 

این مبدل ها از لوله هایی با مقطع دایره ای ساخته شده اند. یک سیال در داخل لوله ها و سیال دیگر در خارج از لوله جریان دارد. قطر ، تعداد ، طول ، گام و آرایش لوله ها می تواند تغییر کند. بنابراین انعطاف پذیری قابل ملاحظه ای در طراحی آنها وجود دارد.

مبدل های حرارتی لوله ای می توانند 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

 

مبدل های دو لوله ای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لوله ای دیگر با قطر بزرگتر قرار می گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند. مبدل های حرارتی دو لوله ای می توانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند. استفاده عمده مبدل های دو لوله ای ، برای گرمایش و سرمایش محسوس سیال های فرآیندی است که در آنها سطوح انتقال گرمای کوچکی ( تا 50) مورد نیاز می باشد. این شکل بندی ، همچنین در حالتیکه یک یا هر دو سیال سرد و گرم ، در فشار زیاد باشند ، مناسب است. عیب اصلی این مبدلها آنست که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم بوده . به عبارت دیگر برای ظرفیت گرمایی مشخص ، بزرگ و گران قیمت هستند. اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بین لوله داخلی و خارجی کوچک باشد ، لوله ( یا لوله های ) داخلی دارای پره های طولی می توانند استفاده شوند.

 

ب- مبدل های حرارتی پوسته و لوله

 

مبدل های پوسته و لوله ، از لوله های با مقطع دایره ای که در پوسته های استوانه ای بزرگ نصب شده اند ، ساخته می شوند به طوری که محور لوله ها موازی با محور پوسته است. این مبدل ها به صورت وسیعی به عنوان خنک کن های روغن ، چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاه ها ، و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاه های هسته ای و در کاربرد های صنایع فرآیندی و شیمیایی استفاده می شوند.

در مبدل های دارای بافل ( تیغه ها و صفحات هدایت کننده جریان ) ، جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالیکه از فاصله مابین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود ، موازی با لوله ها ، جهت می یابد. بسته به کاربرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله ، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آنها وجود دارد.

اهداف اصلی طراحی در این مبدل ها ، در نظر گرفتن انبساط حرارتی پوسته و لوله ها ، تمیز کردن آسان مجموعه ، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبه ها ، کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنهاست.

در مبدل های حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت( Fixed tube sheet ) ، پوسته به صفحه لوله جوش داده شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج از دسته لوله ، برای تمیز کاری وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است که می تواند اندکی توسط فانوسی های انبساط ، افزایش یابد. در این نوع از مبدلها ، تمیز کردن لوله ها ، ساده است.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است ، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند ، نمیتواند با وسایل مکانیکی تمیز 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 ، تشکیل رسوب ، شیوه های ساخت و هزینه بری ، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری ، استفاده می شوند. بافل ها برای افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده میگردند. مبدل های پوسته و لوله ، بر حسب نیاز ، برای هر ظرفیت و شرایط کارکرد ، طراحی می شوند. این مشخصه مبدل های پوسته و لوله ، متفاوت با بسیاری از انواع دیگر مبدل ها می باشد.

 

ج- مبدل های حرارتی لوله ای حلزونی

 

این مبدل ها شامل کویل هایی هستند که به صورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند و یا به صورت چگالنده های هم مرکز و تبخیر کننده های هم مرکز هستند که در سیستم های تبرید استفاده می شوند. ضریب انتقال گرما ، در لوله حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم ، بیشتر است. این مبدل ها، برای انبساط گرمایی و سیال های تمیز مناسب هستند ، زیرا تمیز کردن آنها تقریبا غیر ممکن است.