مبدل حرارتی چیست؟
فرآیند انتقال گرما بین دو سیال با دما های گوناگون که به وسیله ی یک تفکیک کننده از هم جدا شده اند در بسیاری از کاربرد های مهندسی یافت می شود. دستگاهی که این فرآیند تبادل را انجام می دهد به مبدل حرارتی (Heat Exchanger) معروف است. کاربرد های خاص آنرا می توان در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، نیروگاه ها، سیستم های گرمایش ساختمان ها و تهویه مطبوع و همچنین بازیابی گرمای تلف شده در فرآیند های شیمیایی یافت. گروه صنعتی مبدل سازان کیمیا طراح و سازنده انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله، صفحه و غیره می باشد.
مبدل حرارتی وسیله ای است که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال استفاده می شود. سیالات می توانند تک فاز یا دو فاز باشند و بسته به نوع مبدل، ممکن است جدا شده یا در تماس مستقیم باشند. دستگاه‌هایی که شامل منابع انرژی مانند پین‌های سوخت هسته‌ای یا بخاری‌های آتش‌زا هستند معمولاً به عنوان مبدل حرارتی در نظر گرفته نمی‌شوند، اگرچه بسیاری از اصول دخیل در طراحی آنها یکسان است. برای بحث در مورد مبدل های حرارتی، لازم است نوعی دسته بندی ارائه شود. دو رویکرد وجود دارد که به طور معمول اتخاذ می شود. اولی پیکربندی جریان را در مبدل حرارتی در نظر می گیرد، در حالی که دومی بر اساس طبقه بندی نوع تجهیزات عمدتاً بر اساس ساخت است. هر دو در اینجا در نظر گرفته شده است.
طبقه بندی مبدل های حرارتی بر اساس پیکربندی جریان
چهار پیکربندی اصلی جریان وجود دارد:
- جریان شمارنده
- جریان همزمان
- جریان متقاطع
- هیبریدهایی مانند Cross Counterflow و Multi Pass Flow
شکل ۱ یک مبدل جریان مخالف ایده آل را نشان می دهد که در آن دو سیال به موازات یکدیگر اما در جهت مخالف جریان دارند. این نوع چیدمان جریان بیشترین تغییر در دمای هر دو سیال را امکان پذیر می کند و بنابراین بیشترین کارایی را دارد (که راندمان مقدار گرمای واقعی منتقل شده در مقایسه با حداکثر مقدار حرارتی قابل انتقال است).
در مبدلهای حرارتی جریان همزمان، جریان‌ها به موازات یکدیگر و در همان جهتی که در شکل ۲ نشان داده شده است جریان می‌یابند، این کارایی کمتری نسبت به جریان مخالف دارد، اما دمای دیواره‌های یکنواخت‌تری را فراهم می‌کند.
مبدلهای حرارتی جریان متقاطع در راندمان بین مبدلهای جریان مخالف و جریان موازی متوسط هستند. در این واحدها، جریان ها در زوایای قائم به یکدیگر جریان می یابند که در شکل ۳ نشان داده شده است.
در مبدل های حرارتی صنعتی، هیبریدهایی از انواع جریان بالا اغلب یافت می شوند. نمونه‌هایی از این مبدلهای حرارتی ترکیبی جریان متقاطع / جریان مخالف و مبدلهای حرارتی جریان چند گذری هستند. (به عنوان مثال شکل ۴ را ببینید.)
طبقه بندی مبدل های حرارتی بر اساس ساخت و ساز
در این بخش مبدل های حرارتی عمدتا توسط ساخت و ساز انها طبقه بندی می شوند، (شکل ۵ را ببینید). اولین سطح طبقه بندی این است که انواع مبدل های حرارتی را به بازسازی یا بازسازی تقسیم کنید. یک مبدل حرارتی احیا کننده دارای مسیرهای جریان جداگانه ای برای هر سیال است و مایعات به طور همزمان از طریق مبدل تبادل گرما در سراسر دیوار جدا کننده مسیرهای جریان دارند. یک مبدل حرارتی احیا کننده دارای یک مسیر جریان واحد است که مایعات گرم و سرد به طور متناوب از ان عبور می کنند.
مبدل های حرارتی احیا کننده
در یک مبدل حرارتی احیاکننده، مسیر جریان معمولاً از یک ماتریس تشکیل شده است که وقتی سیال داغ از آن عبور می‌کند، گرم میشود. این گرما پس از عبور از ماتریس به سیال سرد آزاد می شود. مبدل های حرارتی احیا کننده گاهی اوقات به عنوان مبدل های حرارتی خازنی شناخته می شوند. احیاگرها عمدتاً در کاربردهای بازیابی حرارت گاز/گاز در نیروگاه ها و سایر صنایع انرژی بر استفاده می شوند. دو نوع اصلی احیا کننده استاتیک و دینامیک هستند. هر دو نوع احیا کننده در کارکرد گذرا هستند و مگر اینکه در طراحی آنها دقت زیادی شود، معمولاً جریان های سرد و گرم آلودگی متقابل دارند. با این حال، استفاده از احیاکننده‌ها احتمالاً در آینده افزایش می‌یابد زیرا تلاش‌هایی برای بهبود بهره‌وری انرژی و بازیابی گرمای درجه پایین بیشتر صورت می‌گیرد. با این حال، از آنجایی که مبدلهای حرارتی احیاکننده تمایل دارند برای کاربردهای تخصصی استفاده شوند، مبدلهای حرارتی بازیابی رایج‌تر هستند.
انتقال حرارت در مبدل حرارتی
مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال حرارت از جریانی با دمای بالاتر به جریانی با دمای پایین تر مورد استفاده قرار می گیرد.
انتقال حرارت در هر مبدل بنا بر درجه حرارت سیال ها به سه صورت زیر صورت می پذیرد:
- انتقال حرارت هدایتی
- انتقال حرارت جابجایی
- انتقال حرارت تشعشعی
انواع مبدل ها در تاسیسات مرکزی و تهویه مطبوع
- پوسته و لوله (shell & tube heat exchanger)
- مبدل حرارتی صفحه ای (Plate heat Exchanger)
- مبدل حرارتی هوا خنک یا پره ای (Fin Heat Exchanger)
هر کدام از مبدل های فوق ، خود به انواع ذیل تقسیم بندی میشوند:
- مبدل با جریان همسو
- مبدل با جریان نا همسو
- مبدل با جریان متقاطع
مبدل های پوسته و لوله | Shell & Tube heat exchanger
مبدل حرارتی پوسته و لوله مسی از معمول ترین تجهیزات انتقال حرارت غیر آتش خوار در صنایع مختلف می باشند. شکل اغلب استوانه ای این گونه از مبدل ها باعث می شود تا در برابر فشارهای مختلف کاربرد داشته باشند. همچنین مبدل ها پوسته و لوله به لحاظ شکل، متنوع بوده و تقریباً قابلیت طراحی های مختلف به منظور کاربردهای متنوع را دارا می باشند بجز موارد خاص کاربردی در مبدل های هوا خنک. (Air Cooled HE) تنها مبدل های حرارتی پوسته و لوله هستند که در سطوح حرارتی بالا قابل استفاده در فشار و دماهای بیش از۳۰bar و ۲۶۰˚C هستند و این موضوع مبدل های شل اند تیوب را متمایز می سازد. این نوع مبدل حرارتی بر حسب تعداد پاس های پوسته و لوله خود دارای انواع مختلفی می باشند و ساده ترین آنها، دارای یک پاس پوسته و یک پاس لوله است که در شکل پایین نشان داده شده است. در این مبدل ها معمولا دیوارک هایی نصب می شوند تا با ایجاد تلاطم و ایجاد مؤلفه سرعت عرضی در جریان، ضریب جا به جایی سیال در قسمت پوسته افزایش یابد که به این دیوارکها بافل (Baffle) می گویند. مبدل های حرارتی دیوارک دار (Baffle) معمولا با یک پاس پوسته و دو پاس لوله و یا با دو پاس پوسته و چهار پاس لوله تولید می شوند. در مبدل ها پوسته و لوله دارای بفل (صفحات هدایت کننده جریان)، جریان سیال سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بفل مجاور جهت داده می شود.
مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله
- در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.
- قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند و بازده بسیار مناسبی را در مقابل طیف وسیعی از سیالات نشان می دهند.
- به راحتی تمیز می شوند.
- عملکرد مناسب در فشار های بالا
مبدل حرارتی صفحه ای بیش از ۱۰۰ سال قدمت دارند و ساختار آن از یک فریم ثابت و یک فریم متحرک و صفحات موجدار که بین دو فریم قرار می گیرند، تشکیل شده است که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا می کنند. اساس عملکرد مدل صفحه ای به این شکل است که از دو جهت مخالف سیال سرد به سمت بالا و سیال داغ به سمت پایین جریان دارد تا راندمان انتقال حرارت افزایش یابد. سیالات وارد شده به این صفحات موجدار به صورت یکی در میان بین صفحات فلزی جریان می‌یابند و با یکدیگر تبادل گرما می‌کنند. این صفحات به صورت متقارن پشت سرهم قرار می گیرند و سیال گرم و سرد مابین این صفحات در گردش می باشند.
برای مشاوره و یا خرید با مبدل سازان کیمیا تماس حاصل نمایید.
نوع سطح صفحات باعث ایجاد امواجی در سیال شده و به این ترتیب انتقال حرارت و برودت دما بین دو سیال به سرعت صورت می گیرد. مزیت استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای نسبت به مبدل حرارتی شل و تیوب، این است که با توجه به موجدار بودن صفحات که جریان گردابی سیال را افزایش می دهد. در نتیجه عدد رینولدز کمتری سبب می شود و اینکه جریان سیال در خلاف جهت است، راندمان انتقال حرارت همیشه ۳ تا ۵ برابر بیشتر از مبدل حرارتی شل و تیوب می باشد. در یک مبدل صفحه ای با افزایش تعداد صفحات می توان ظرفیت مبدل را افزایش داد. این تنوع تولید باعث شده اکثریت مصرف کنندگان، مبدل های صفحه ای را به سایر مبدل ها ترجیح دهند. از آنجا که کانال های جریان کاملا کوچک هستند جریان قوی گردابه ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می گردد به علاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می شود. واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می نمایند.
اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله از دو قسمت اصلی تشکیل شده است:
پوسته:پوسته یک محفظه استوانه ای شکل است که لوله ها در داخل آن قرار می گیرند.
لوله ها: لوله ها لوله های استوانه ای شکل هستند که سیال از داخل آنها عبور می کند.
نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله
سیال گرم از یک طرف لوله ها عبور می کند و سیال سرد از طرف دیگر لوله ها عبور می کند. حرارت از طریق دیواره لوله ها بین دو سیال منتقل می شود.
مبدل حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی صفحه ای نوعی مبدل حرارتی است که از تعدادی صفحات نازک و موازی تشکیل شده است. سیالات گرم و سرد از بین صفحات عبور می کنند و حرارت از طریق دیواره صفحات بین دو سیال منتقل می شود. مبدل های حرارتی صفحه ای سیالات مبادله گرما را به وسیله صفحات جدا می کنند. اینها معمولاً سطوح پیشرفته‌تری مانند باله‌ها یا برجسته‌سازی دارند و یا به هم پیچ میشوند، لحیم کاری میشوند یا جوش داده میشوند. مبدل های حرارتی صفحه ای عمدتاً در صنایع برودتی و فرآوری مواد غذایی یافت می شوند. با این حال، به دلیل نسبت سطح به حجم بالای آنها، موجودی کم سیالات و توانایی آنها در تحمل بیش از دو بخار، استفاده از آنها در صنایع شیمیایی نیز آغاز شده است.
نحوه کار مبدل حرارتی صفحه ای
سیال گرم از یک طرف صفحات عبور می کند و سیال سرد از طرف دیگر صفحات عبور می کند. حرارت از طریق دیواره صفحات بین دو سیال منتقل می شود. مبدلهای حرارتی صفحه و قاب از دو عضو انتهایی مستطیلی تشکیل شده‌اند که تعدادی صفحه مستطیلی برجسته را با سوراخ‌هایی در گوشه برای عبور سیالات در کنار هم نگه می‌دارند. هر یک از صفحات توسط یک واشر جدا شده است که صفحات را آب بندی می کند و جریان سیالات را بین صفحات ترتیب می دهد، به شکل ۹ مراجعه کنید. اگر نشت به محیط نگران کننده باشد، می توان دو صفحه را به هم جوش داد تا اطمینان حاصل شود که سیال بین صفحات جوش داده شده نشت نمی کند. با این حال، از آنجایی که هنوز تعدادی واشر وجود دارد، امکان نشتی وجود دارد. مبدل های حرارتی صفحه لحیم کاری شده با لحیم کاری تمام صفحات به یکدیگر و سپس جوشکاری بر روی درگاه های ورودی و خروجی از احتمال نشتی جلوگیری می کنند.
اجزای اصلی مبدل های صفحه ای
- دسته صفحات از تعدادی صفحات حرارتی بر اساس سطح انتقال حرارت مورد نیاز تشکیل شده است.
- واشرهای روی صفحات، مجاری سیال از یکدیگر را به طور مطمئن آب بندی می کنند.
- جهت جریان داخل مبدل از طریق واشر تعیین می شود.
- فریم که دسته صفحات را احاطه می نماید با پیچ هایی به یکدیگر محکم می شوند.
- اتصالاتی برای ورود و خروج سیالات معمولا روی فریم ثابت مبدل حرارتی در نظر گرفته می شود.در صورتی که جریان چندپاسی باشد، اتصالات بایستی روی فریم ثابت و فریم متحرک قرار داده شوند.
مبدل هوا خنک یا پره ای Air-Cooled Heat Exchangers
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم و در عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود. مبدل های حرارتی پره دار عمدتا برای کاربرد های “گازـ گاز” یا ” مایع ـ گاز” استفاده می شود که بصورت وسیعی در صنایع مختلف با دمای خیلی کم مانند: کندانسور و اواپراتور سیستم های سردخانه، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، تبرید و سیستم های تهویه مطبوع مانند کویل آب سرد آب گرم هواساز ها، فن کویل ها، کویل آب گرم یونیت هیتر ها و … استفاده می گردند. همچنین مبدل های صفحه ای پره دار برای استفاده در توربین گازی، نیروگاه های هسته ای و مهندسی پیشرانه و گرمایش و تهویه سیستم های بازیابی گرمای اضافه و صنایع شیمیایی و سرمایش کاربرد دارند. مبدلهای هوا خنک از نظر شکل جریان، از نوع متقاطع بوده و جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله‌ها به وسیله یک فن تأمین میشود. اگر این فن بالای لوله ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله‌ها قرار گیرد به آن دمنده می گویند.
ساختمان مبدل هوا خنک
- Structure
- Tube Bundle(دسته لوله ها)
- Motor
- Fan
- Support Mechanism
- Plenum
کاربردی ترین نرم افزارها برای مدل سازی و آنالیز مبدل حرارتی هوا خنک یا پره ای HTRI , HTFS, B-Jacمی باشد،
و عموما از استاندارد API 661 مربوط به “انیستیتو نفت آمریکا” برای طراحی و تولید مبدل حرارتی پره ای استفاده میگردد.
- برای مشاوره و یا خرید با مبدل سازان کیمیا تماس حاصل نمایید.
مبدل های حرارتی برای انتقال حرارت از یک محیط به رسانه دیگر استفاده می شود. این رسانه ها ممکن است گاز، مایع یا ترکیبی از هر دو باشند. محیط ممکن است برای جلوگیری از اختلاط توسط یک دیوار جامد از هم جدا شود یا ممکن است در تماس مستقیم باشد. مبدل های حرارتی باید گرمایش و/یا سرمایش را برای برآوردن یک نیاز فرآیند فراهم کنند. به طور معمول، هر ورودی حرارت مستقیم به سیستم از یک کوره یا بخار می آید. بنابراین، هر گونه ناکارآمدی در انتقال حرارت در مبدل‌ها، مستلزم مقدار بیشتری کارکرد از کوره یا بخار است. مبدلهای حرارتی همچنین می‌توانند با انتقال گرما از سیستم‌هایی که نیازی به آن نیست به سیستم‌های دیگری که می‌توانند به طور مفید از آن استفاده کنند، کارایی انرژی سیستم را بهبود بخشند. به طور کلی، مبدلهای حرارتی برای تبادل گرما بین دو یا چند جریان فرآیند یا بین جریان(های) فرآیند و یک جریان برق که می‌تواند گرم یا سرد باشد استفاده میشود.
انتخاب بین استفاده از مبدل حرارتی فرآیند به فرآیند مستقیم در مقابل استفاده از ابزارهای برقی برای انتقال گرما به دما و فشار مورد نیاز جریان فرآیند و اینکه آیا یک جریان فرآیند در دسترس برای ارائه آن وظیفه با توجه به رویکرد دمایی مورد نیاز وجود دارد، بستگی دارد. هنگامی که هیچ جریان فرآیندی در دسترس نیست، یک جریان ابزار برای تامین وظیفه گرمایش یا سرمایش مورد نیاز است.
کابرد مبدل حرارتی
بازیابی گرمای اتلاف در اگزوز یک توربین گازی مولد برق. گرما را می توان از طریق یک مبدل حرارتی برای گرم کردن جریان فرآیند به طور مستقیم یا غیرمستقیم از طریق یک محیط گرمایش میانی مانند آب یا روغن داغ منتقل کرد. این اساس تولید همزمان است.
استفاده از بازیابی حرارت فرآیند، که می تواند از طریق تکنیک پینچ برای سیستم های پیچیده تر بهینه شود. یک مثال خاص از این امر می تواند توسعه یک شبکه مبدل حرارتی برای بازیابی گرمای یک قطار تقطیر برای پیش گرم کردن خوراک ورودی و پیش گرم کردن نفت خام برای جداسازی آب و روغن باشد.
- استفاده از ابزاری مانند آب، بخار، روغن داغ و نمک مذاب برای تامین وظیفه گرمایی یک جریان فرآیند.
- استفاده از یک ابزار، به عنوان مثال هوا، آب خنک کننده برای ارائه وظیفه خنک کننده به یک جریان فرآیند.
- انتخاب نوع ابزار گرم عمدتاً به دماهای ورودی و خروجی مورد نیاز جریان فرآیند بستگی دارد. عوامل دیگری که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از ظرفیت حرارتی خاص، هزینه ابزار و ایمنی فرآیند.
پیشرفت در مبدل های حرارتیمبدل های حرارتی بهبود یافته معمولاً دارای راندمان بالاتر، ردپای کوچکتر و مقاومت بهتر در برابر خوردگی هستند. اینها می توانند به ویژه برای پروژه های مقاوم سازی مهم باشند.
یکی دیگر از محدودیت‌های کلیدی در استفاده از این فناوری‌ها، تمیزی مایع است. به دلیل فاصله‌های داخلی محکم‌تر، ممکن است با تغذیه‌های کثیف‌تر کار نکنند. مشخصات سیال از جمله آلاینده های بالقوه باید برای ارزیابی در اختیار فروشندگان قرار گیرد.
تنظیمات جریان مبدل حرارتیمبدل های حرارتی دارای سه پیکربندی جریان اولیه هستند:
- جریان موازی: دو سیال در یک انتهای مبدل حرارتی وارد می شوند و در یک جهت موازی با یکدیگر جریان می یابند. در این طرح، اختلاف دما در ورودی زیاد است، اما دمای سیال در خروجی ها به مقدار مشابهی نزدیک می شود.
- جریان متقابل: دو سیال در انتهای مخالف مبدل حرارتی وارد می شوند و خلاف یکدیگر جریان می یابند. در این طرح، اختلاف دما کمتر است اما در طول مبدل ثابت تر است. ممکن است سیالی که گرم می شود، مبدل را در دمایی بالاتر از دمای خروجی سیال گرمایشی ترک کند. این کارآمدترین طراحی به دلیل اختلاف دمای بالاتر در طول مبدل است.
- جریان متقاطع: دو سیال عمود بر یکدیگر جریان دارند.
بیش از یک روش برای انتقال حرارت در مبدل حرارتی وجود دارد. انتقال حرارت با استفاده از یک یا چند حالت انتقال، رسانش، همرفت یا تابش انجام می شود.
پیاده سازی
اجرای صحیح مبدل های حرارتی در سیستم های چند فرآیندی، مانند پالایشگاه های نفت، مستلزم در نظر گرفتن شبکه جریان های حرارتی در سطح سیستم است. این اغلب از طریق تجزیه و تحلیل پینچ انجام می شود، که منابع گرمایی موجود در یک سیستم با تقاضای گرما را از نظر کمیت و دمای گرما مطابقت می دهد. نرم افزار پیچیده ای برای کمک به طراح در این فرآیند در دسترس است.
کاهش رسوب نیز یکی از ملاحظات طراحی است و می‌تواند شامل فناوری‌ها، سرعت‌ها برای تمیز کردن مبدلهای حرارتی فردی در حین کار و ترکیب مبدلهای حرارتی اضافی باشد.
ملاحظات کلیدی هنگام انتخاب و راه اندازی مبدل های حرارتی عبارتند از:
- اطمینان از حفظ حداقل سرعت به ویژه در طول عمر تاسیسات بالادست
- ویژگی های رسوب گیری و نیازهای تمیز کردن
- در دسترس بودن قطعه
- دمای نزدیک شدن مبدل
رسوب مبدل حرارتی
به طور کلی رسوب گیری راندمان انتقال حرارت را کاهش می دهد. همانطور که عملکرد در طول زمان کاهش می یابد، وظیفه گرمایش و تاسیسات مربوطه برای پاسخگویی به همان تقاضای گرمایش/سرمایش مورد نیاز است. این در برابر هزینه تمیز کردن مبدل حرارتی برای بازیابی وظیفه ترسیم شده است. زمانی که هزینه ناشی از تلفات انرژی بیشتر از هزینه تمیز کردن باشد، مبدل حرارتی باید تمیز شود. برای مدیریت رسوب مبدل حرارتی می توان از ابزارهای دیجیتال استفاده کرد. بر اساس شرایط فرآیند و انتخاب جزء، برخی از بسته‌های نرم‌افزاری می‌توانند نرخی را پیش‌بینی کنند که مبدلهای حرارتی احتمالاً دچار رسوب میشوند. بسته های نرم افزاری نیز برای نظارت بر رسوب با بررسی عملکرد مبدل حرارتی در طول زمان در دسترس هستند. برآورد هزینه‌های تمیز کردن مبدلهای حرارتی در مقابل سود اقتصادی مبدلهای تمیز کردن (از نظر کاهش مصرف انرژی یا جریان بیشتر از طریق واحد) نیز محاسبه میشود. زمانی که نفع اقتصادی تمیز کردن مبدل برای بازیابی عملکرد به دلیل رسوب بیشتر از هزینه تمیز کردن باشد، مبدل حرارتی باید برای تمیز کردن زمانی که فرصتی وجود دارد برنامه ریزی شود.
بدون دیدگاه