مبدل حرارتی یا مبدل گرمایی (Heat exchanger)چیست؟
مبدل حرارتی یا مبدل گرمایی دستگاهی است که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال استفاده و بهره برداری می شود. سیالات ممکن است با یک دیواره جامد از هم جدا شوند تا از مخلوط شدن سیالات جلوگیری شود و یا ممکن است در تماس مستقیم باشند. مبدل های حرارتی به طور گسترده ای در فضای گرمایشی، تبرید، سیستم های تهویه مطبوع، نیروگاه ها، کارخانه های شیمیایی، پالایشگاه نفت، پردازش گاز طبیعی و در فاضلاب استفاده می شود.
با انواع مبدل حرارتی آشنا شوید:
انواع مبدل حرارتی بر حسب جریان
سه طبقه بندی اولیه در مبدل های گرمایی بر حسب جریان وجود دارد، که عبارت است از:
- مبدل حرارتی با جریان همسو
در مبدل های حرارتی با جریان همسو، دو سیال در همان ابتدای مبدل قرار می گیرد و به صورت موازی با یک دیگر و به طرف دیگر حرکت می کنند.
- مبدل حرارتی با جریان ناهمسو
در مبدل های حرارتی جریان ناهمسو، سیالات از پایانه های مخالف به مبدل وارد می شود. طراحی رایج این مبدل ها بهترین کارایی را دارند. چرا که می توانند بیشترین گرما را به ازای هر واحد جرم با توجه به این حقیقت که اختلاف دمای میانگین در طول هر واحد بیشتر است.
- مبدل حرارتی با جریان متقاطع
در مبدل حرارتی جریان متقاطع، سیالات به صورت عمودی به یک دیگر از طریق مبدل حرکت می کند. جهت کارایی بیشتر، مبدل های گرمایی طوری طراحی شده اند که حداکثر سطح دیواره بین دو سیال را داشته باشد، در حالی که مقاومت جریان در درون مبدل به حداقل برسد. عملکرد مبدل نیز می تواند تحت تاثیر اضافه شدن پره ها یا شیار ها در یک جهت باشد و سبب افزایش سطح و یا ممکن است آشفتگی ایجاد کند.
انواع مبدل حرارتی بر حسب ساختمان
مبدل های حرارتی دو لوله ساده ترین مبدل های مورد استفاده در صنعت می باشد. از سوی دیگر، این مبدل های گرمایی برای طراحی، تعمیر، نگهداری و ارزان هستند و آن ها را انتخاب مناسبی برای صنایع می سازد. از سوی دیگر راندمان پایین آن ها و فضای بالای اشغال شده، صنایع مدرن را به استفاده از مبدل های حرارتی کارآمد مانند مبدل حرارتی پوسته و لوله ای یا صفحه ای منجر شده است.
مبدل حرارتی صفحه ای
مدل دیگری از مبدل های حرارتی، مدل صفحه ای می باشد. این مبدل ها از صفحات متعدد نازک و صفحه های جدا از هم تشکیل شده است که دارای سطوح بسیار بزرگ و جریان های سیال کوچک برای انتقال حرارت می باشد. پیشرفت هایی که در فناوری لحیم کاری و واشر بندی در مبدل های گرمایی مدل صفحه ای انجام شده. این مبدل ها را بسیار عملیاتی تر ساخته است. در سیستم های تهویه مطبوع، مبدل حرارتی معمولا از نوع واشر دار هستند.
جدا سازی، تمیز کاری و بازرسی دوره ای را میسر می سازد. انواع مختلفی از مبدل های حرارتی صفحه ای دائمی مانند لحیم کاری، خلاء ریخته گری. انواع اوراق های جوش داده شده وجود دارد. که اغلب جهت برنامه های حلقه بسته مانند تبرید تعیین می شود.
این مبدل در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله، تنظیمات صفحات توده ای معمولا هزینه و جای کم تری می گیرد. تفاوت دیگر بین این دو این است که مبدل حرارتی صفحه ای معمولا در سیالات کم و یا فشار متوسط استفاده می شوند. در صورتی که در مبدل گرمایی پوسته و لوله در فشار متوسط و بالا به کار برده می شود. سومین و مهم ترین اختلاف بین این دو مبدل به کارگیری جریان متقابل بیشتر نسبت به جریان غیر هم سوء می باشد که اجازه می دهد اختلاف دمای پایین تر در تنظیمات دمایی بالا، افزایش کارامدی خواهد داشت.
مبدل حرارتی پوسته و صفحه
مبدل حرارتی پوسته ای و صفحه ای ترکیبی از مبدل حرارتی صفحه ای و حرارتی پوسته ای و لوله ای است. جزء اصلی و یا قلب حرارتی به صورت کامل با صفحه دایره ای جوش داده شده که توسط پرس و برش صفحات گرد جوشکاری آن ها با هم ساخته می شود. صفحات جوشی بر روی پوسته خارجی تعبیه می شود که یک جریان ثانویه سمت پوسته ایجاد می کند.
فناوری صفحه و پوسته انتقال حرارت بالا، فشار بالا و دمای عملیاتی بالا را ارائه می دهد. در عمل، این مدل به طور کامل بدون واشر، که این در برابر نشتی در فشار و دمای بالا می باشد.
مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله شامل یک سری لوله هستند. یک مجموعه از این لوله ها حاوی مایع است که باید گرم یا سرد شده باشند. سیال دوم از طریق لوله هایی که گرم یا سرد شده اند به طوری که می تواند گرما تهیه کند و یا گرمای مورد نیاز را جذب کند. مجموعه ای از لوله ها را تیوب باندل و یا دسته لول ها می نامند که می تواند از چندین نوع لوله ساخته شده باشد: ساده، طولی، پره دار و ...
مبدل های حرارتی پوسته و لوله معمولا در فشار عملیاتی بالا (با فشار بیش از 30 بار و درجه حرارت بیشتر از 260 درجه سانتی گراد) استفاده می شدند. این حالت به این علت است ک مبدل های گرمایی پوسته و لوله به دلیل شکل آن ها بسیار قوی می باشد. در طراحی لوله ها در حرارتی پوسته و لوله باید چندین ویژگی مورد توجه قرار گیرد:
تغییرات زیادی در طراحی پوسته و لوله می تواند وجود داشته باشد. به طور معمول انتهای هر لوله به پلنوم به وسیله سوراخ هایی در صفحه لوله ها وصل شده اند (گاهی اوقات جعبه های آب نامیده می شوند). لوله ها ممکن است مستقیم با خمشی به شکل U باشد که به اسم لوله های U شکل شناخته می شوند.
طراحی لوله:
اشاره به نحوه قرار دادن لوله در پوسته است. چهار نوع از طراحی لوله عبارت است از: مثلثی (30 درجه)، مثلثی چرخشی (60 درجه)، مربعی (90 درجه)، مربعی چرخشی( 45 درجه). الگو های مثلثی جهت انتقال حرارت بیشتر استفاده می شوند. زیرا این طراحی های جریانی،سیال را به آشفتگی بیشتر حول لوله کشی سوق می دهد. الگو های مربعی در جایی استفاده می شود که ریزش زیادی در آن دیده شده است و تمیز کاری در آن ها بیشتر رایج است.
طول لوله:
مبدل های حرارتی معمولا ارزان تر هستند در حالی که قطر پوسته کوچک تر و طول لوله بیشتری دارند. بنابراین، معمولا، هدف از قرار دادن حرارتی تا زمانی است که از لحاظ فیزیکی امکان پذیر است که تونایی تولید بیشتر نشده باشد. با این حال محدودیت زیادی برای این که وجود دارد، از جمله فضای موجود در محل نصب و نیاز به کسب اطمینان از این که لوله ها دو برابر طول لازم هستند. (بنابراین می توان آن ها را خارج و جایگزین کرد) وجود دارد. هم چنین لوله های نازک و بلند به سختی خارج و جایگزین می شوند.
قطر لوله:
با استفاده از قطر لوله کوچک، حرارتی هر دو مقرون به صرفه و کم جاگیر است. با این حال حرارتی با سرعت بیشتری کثیف شود و سایز کوچک تمیز کردن مکانیکی این آلودگی ها را مشکل می سازد. جهت غلبه بر مشکلات ریزش و تمیز کاری، قطر های بزرگ تر لوله استفاده می شود. بنابراین برای تعیین قطر لوله، فضای موجود و هزینه و ماهیت فوران سیالات باید مورد توجه قرار گیرد.
ضخامت لوله:
ضخامت دیواره لوله ها معمولا برای اطمینان، باید اندازه گیری شود. چرا که:
- قدرت محوری
- در دسترس بودن قطعات یدکی
- فضای کافی برای خوردگی وجود دارد.
- لرزش ناشی از جریان دارای مقاومت است.
- قدرت هوپ (جهت مقاومت در برابر فشار داخلی)
- استحکام خمشی (جهت مقاومت در برابر فشار بالای پوسته)
شیار لوله:
این مدل از لوله ها، عمدتا برای لوله های داخلی استفاده می شود. موجب افزایش آشفتگی مایعات می شود و اثر آن در انتقال حرارت بهتر منجر می شود.
استقرار لوله:
در طراحی لوله ها یاید محل استقرار لوله ها به صورت عملی اطمینان حاصل گردد. (به عنوان مثال مرکز لوله ها مجاور کم تر از 1.25 برابر قطر خارجی لوله ها نیست. یک محل قرار گیری لوله ها منجر به قطر کلی پوسته بزرگ می شود که منجر به مبدل های گرمایی گران تر می شود.
طراحی بافل:
بافل ها در مبدل های حرارتی پوسته و لوله جهت هدایت سیال به دسته لوله ها مورد استفاده قرار می گیرد. آن ها به طور عمودی بر روی پوسته اجرا می شوند و دسته لوله ها را نگه می دارد و از خم شدن طول لوله ها جلوگیری می کند. آن ها هم چنین از لرزش بافل ها جلوگیری می کند. رایج ترین نوع بافل، بافل مقطعی است. بافل مقطعی به شکل نیم دایره ای در 180 درجه به سمت جریان سیال به بالا و پایین بین دسته لوله ها منحرف می شود.
فاصله بین بافل ها یکی از موضوعات پر از اهمیت ترمودینامیکی در طراحی مبدل های گرمایی پوسته و لوله است. بافل ها باید با توجه به تغییر افت فشار و انتقال گرما فاصله گذاری شوند. برای بهینه سازی اقتصادی توصیه می شود که بافل ها نزدیک تر از 20 درصد قطر داخلی لوله قرار نگیرند. فاصله خیلی نزدیک بافل ها به هم موجب افت فشار زیادی در مسیر جریان می شود.
هم چنین فاصله ی بیش از حد بافل ها از هم نیز ممکن است. مکان های سرد تری در گوشه های بین بافل ها ایجاد می کند. اطمینان از این که بافل ها به اندازه کافی به هم نزدیک هستند و لوله ها خم نمی شوند نیز مهم است. نوع دیگری از بافل ها، بافل های حلقه ای و دیسکی می باشند، که شامل دو بافل مرکزی می باشد. بافل بیرونی بزرگ تر بیشتر به یک حلقه است در حالی که بافل داخلی شبیه به یک دیسک می باشد. این مدل از بافل جریان سیال را به دور دیسک و سپس به طرف بافل حلقه ای ساخته شده از نوع دیگر جریان سیال سوق می دهد. مبدل های گرمایی هوا خنک، ثابت به خصوص جهت عملیات دریایی و خطرناک همراه با پوسته های برنجی، لوله های مسی و بافل های برنجی و یا پایانه های برنجی فورج شده مناسب می باشد.
مبدل حرارتی پره ای صفحه ای
این نوع مبدل های گرمایی شامل پره هایی برای افزایش کارآمدی واحد استفاده می کند. این طرح ها شامل جریان متقاطع و غیر هم سوء می باشد که با پیکربندی های پره ای مختلف مانند پره های مستقیم و انحرافی می باشد.
مبدل های حرارتی پره ای و صفحه ای معمولا از آلیاژ آلومینویم ساخته می شود که راندمان انتقال حرارت را بالا می برد. این مواد سیستم را جهت عملیات اختلاف دمای دمای پایین و کاهش وزن تجهیزات قادر می سازد. مبدل های گرمایی پره ای و صفحه ای به طور گسترده ای برای سرویس هایی با دمای پایین مانند گاز طبیعی، هلیوم و اکسیژن و صنایع حمل و نقل مانند موتور و موتور های هواپیما استفاده می شود.
مبدل حرارتی چرخی آدیاباتیک
نوع دیگری از یک سیال و یا یک جامد برای ذخیره و یا نگه داشتن گرما استفاده می شود که سپس به طرف دیگر حرارتی برای آزاد شدن منتقل می شود. دو نمونه از چرخ های آدیاباتیک که شامل چرخ های بزرگ همراه با شیار های ریز از میان سیالات گرم و سرد و حرارتی سیال به چرخش در می آید.
اصطلاحات مبدل های حرارتی
کولر گازی خروجی (EGC) Exhaust Gas Cooler
شارژر خنک کننده هوا (CAC) Charge Air Cooler
کولر نفت، گاز دریایی (MGO) Marine Gas Oil Cooler
کولر روغنی خنک کننده هوا (ACOC) Air Cooled Oil Cooler
مبدل حرارتی صفحه ای (PHE) PHEX Plate Heat Exchanger
تغییر دمای زیاد (ETD) Extreme Temperature Differential
سر مخزن مبدل حرارتی (HTHE) Header Tank Heat Exchanger
Shell Side: به جریان مایع، مانند روغن، بر روی سطح خارجی لوله اشاره می کند.
Tube Side: اشاره به جریان مایع را از طریق لوله های پشته، معمولا خنک کننده سطح فشار برگشت تولید شده توسط پمپاژ مایعات از طریق مدار های مبدل حرارتی
سردخانه صنعتی و شرایط احداث آن