مبدل های حرارتی چیست؟

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.

 این نوع مبدل ها 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.

     مطلب پیشنهادی (مواد تغییر فاز دهنده):

     تحلیل و طراحی سیستم گرمایشی ساختمان مسکونی با استفاده از ذخیره کننده های حرارتی PCM

در این تحقیق ابتدا توضیحاتی در مورد مبدل های حرارتی و اصول طراحی آنها بیان گردیده و در ادامه به معرفی و آشنایی با چند نرم افزار

طراحی مبدلها پرداخته شده است.

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

۱- 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.

۲- 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.

۳- 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 .

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.

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 :

۱- جابجایی یک فاز در هر دو سمت

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

۳- 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.

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.

۱- 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  ۵۰) 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 میرود

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.