امروزه، تقریبا اکثر کشور های دنیا به سوی صنعتی شدن و صنعتی سازی تولیدات خود گام برمیدارند.با توجه به نیازمبرم صنایع به انرژی و همچنین محدودیت منابع انرژی در دنیا، مباحث پیرامون ذخیره سازی و جلوگیری از اتلاف انرژی از اهمیت خاصی برخوردار است.علاوه بر حفظ محیط زیست که یکی از مهم ترین دغدغه های امروزی به شمار می آید، ذخیره سازی انرژی نیز منافعی برای صنایع ایجاد می کند. افزایش راندمان واحد های صنعتی جهت تولید و سوددهی بیشتر، افزایش قیمت انرژی و…،واحد های صنعتی را ملزم به تلاش برای جلوگیری از اتلاف انرژی و ذخیره سازی آن کرده است.
استفاده از مبدل های حرارتی یکی از موثرترین راهکار ها برای دستیابی به این مهم است. در ادامه به اینکه، مبدل حرارتی چیست؟ چه کاربردهایی دارد؟ انواع مبدل های حرارتی، شماتیک و چگونگی عملکرد برخی از این مبدل ها میپردازیم.
مبدل حرارتی دستگاهیست که وظیفه انتقال حرارت از سیالی به سیال مجاور را بر عهده دارد.در واقع می توان گفت: قابلیت نگهداری و باز استفاده گری حرارت های تولید شده در صنعت، یکی از عوامل و قابلیت های مهم این دستگاه ها برای طراحان خطوط صنعتیست. مبدل های حرارتی، به صورت بهینه عملیات انتقال حرارت را ازماده ای سیال (مایع یا گاز) به سیال دیگر انجام میدهند، با توجه به محدودیت منابع انرژی و افزایش قیمت آن ومانع هایی در رابطه با حفظ و حراست از محیط زیست استفاده از این دستگاه ها در صنعت، منطقی وبه صرفه میباشد. این تجهیزات وابسته به کاربرد،فضای استفاده و نوع سیال هایی که مورد استفاده قرار میگیرند،طراحی های مختلف با آلیاژ های متفاوتی را دارند، اما اکثرا از یک اصول پیروی میکنند، اینگونه که حرارت(گرما یا سرما) را بین دو سیال (مایع یا گاز) انتقال میدهند بدون اینکه دو ماده با هم تماس یا برخورد داشته باشند.در برخی مبدل ها نیز، دو سیال انتقال حرارت یا انرژی را از طریق تماس مستقیم انجام میدهند. به عنوان مثال، کولر آبی خانگی یا برج های خنک کننده مدار باز یک مبدل حرارتی با سیستم تماس مستقیم دو سیال است.
مبدل های حرارتی می توانند عملیات انتقال حرارت ، بین دو یا چند سیال را انجام دهند.این فرایند می تواند بین مایع و مایع، گاز و گاز و همچنین بین مایع و گاز به وسیله مبدل های حرارتی صورت پذیرد.
مبدل‌های حرارتی در صنایع زیادی همانند فرآیند، نیروگاه، تهویه مطبوع، تبرید، برودت، بازیافت حرارت و صنایع ساخت و تولید دارند. در صنایع نیروگاهی انواع زیادی از بویلرهای فسیلی، بخار‌سازهای هسته‌ای، کندانسورهای بخاری، ری‌ژنراتورها و برج‌های خنک کن به کار می‌روند. در صنایع فرآیندی، مبدل‌های جریان دو فاز برای تبخیر، تقطیر، انجماد کریستال و به عنوان بسترهای سیال‌سان (fluidized beds) با واکنش‌های کاتالیستی به کار می‌روند. سیستم‌های تهویه مطبوع و تبرید نیاز به کندانسور و اواپراتور دارند.
مبدل های حرارتی با اینکه کوچک و بی اهمیت بنظر می رسند بر سود آوری و اقتصادی شدن فرآیند تولید تاثیر بسزایی دارند زیرا میزان مصرف انرژی که از طریق سوخت تامین می شود و درصد بالایی از هزینه یک کارخانه را تشکیت می دهد مستقیما به بازده و عملکرد سیستم های حرارتی یک واحد بستگی خواهد داشت.
به همین دلیل با پیشرفت تکنولوژی،روشهای جدیدی برای حداقل کردن میزان انرژی مصرفی در کارخانجات ابداع گردیده است که هنگام طراحی یک کارخانه باید در نظر گرفته شود.
در مبدل‌های حرارتی معمولاً دو سیال بدون تماس جرمی با یکدیگر تبادل حرارت میکنند. سیال سرد تر در تماس با سیال گرم انرژی حرارتی گرفته و دمای آن بالا می‌رود و در عوض سیال گرم تر با از دست دادن حرارت، سرد میشود. این تبادل بر اساس اصول ابتدایی انتقال حرارت یعنی رسانش گرمایی و همرفت قابل توصیف است. در مبدل‌ها در حالت ایده‌آل و بدون در نظر گرفتن پرت انرژی، مقدار گرمایی که سیال گرم از دست می‌دهد و مقدار گرمایی که سیال سرد می‌گیرد برابر بوده و طبق رابطه بنیادی زیر برای هر سیال قابل محاسبه است.
انواع مبدل های حرارتی بر حسب ساختمان
مبدل های حرارتی پوسته _ لوله
نوع متداول مبدل گرمایی پوسته-لوله‌ای (shell & tube heat exchangers) است بر حسب تعداد پاس های پوسته و لوله، این مبدل ها انواع مختلفی دارند و ساده ترین آنها که دارای یک پاس پوسته و یک پاس لوله است در شکل نشان داده شده است. معمولاَ دیوارک هایی نصب می شوند تا با ایجاد تلاطم و ایجاد مؤلفه سرعت عرضی در جریان ضریب جابجایی سیال در سمت پوسته افزایش یابد. مبدل های گرمایی دیوارک دار معمولا با یک پاس پوسته و دو پاس لوله و دو پاس پوسته و چهار پاس لوله تولید می شوند.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای بافل (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 ما بین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود، موازی با لوله ها، جهت می یابد.
اهداف اصلی طراحی، در این مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها، تمیز کردن آسان مجموعه، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبه‌ها، کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنهاست.
در مبدل های پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت، پوسته، به صفحه لوله، جوش شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج از دسته لوله، برای تمیزکاری وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است.
مبدل های پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است، زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند، نمی توانند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این مبدل‌ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.
چندین طرح ایجاد شده اند که به صفحه لوله امکان میدهند تا شناور باشد (یعنی بتواند با انبساط گرمایی، حرکت کند). نوعی کلاسیک از طراحی سر شناور در شکل نشان داده شده است که بیرون کشیدن دسته لوله ها را از پوسته با حداقل جداسازی قطعات، ممکن می سازد. به این نوع مبدل ها برای واحدهایی با تشکیل زیاد رسوب، نیاز می باشد. هزینه این مبدل ها زیاد است.
آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و سمت لوله، بسته به وظیفه گرمایی (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 در مبدل های پوسته و لوله برای افزایش ضریب انتقال گرما در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده می گردند.
مزایای مبدل های پوسته_ لوله :
۱- در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.
۲- طراحی مکانیکی خوبی دارند.
۳- روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.
۴- قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.
۵- به راحتی تمیز می شوند.
کاربرد مبدل های پوسته لوله
برخی از کاربردهای مبدل های پوسته و لوله شامل موارد زیر می باشد:
- کاهش دمای روغن
- مولدهای بخار در نیروگاه ها
- پیش گرمکن ها
- پالایشگاه ها
- مبدل ها در صنایع غذایی و نوشیدنی
- تبادل حرارت در سیستم های سرمایشی و گرمایشی
- موتور خانه استخر های شنا و جکوزی
مبدل حرارتی دولوله ای
از مبدل های حرارتی دو لوله ای (double tube heat exchanger)، میتوان به عنوان ساده ترین شکل مبدل ها نام برد.
ساختارو روش کار این مبدل ها به این شکل است که: دو لوله هم مرکز(تو در تو) وجود دارد که سیالی از درون لوله داخلی عبور کرده و سیال دوم در فضای بین دو لوله جریان می یابد. دیواره لوله داخلی وظیفه تبادل حرارت بین دو سیال را بر عهده دارد.
سیالات میتوانند هم جهت و یا خلاف جهت حرکت همدیگر درون لوله ها روان باشند، به اصطلاح همسو یا ناهمسو باشند.
میزان تبادل حرارت در مبدل های جریان ناهمسو بیش از میزان این تبادل در مبدل های حرارتی جریان همسو می باشد.
با وجود معایبی همچون میزان و سطح انتقال حرارت پایین،نیاز به فضای بیشتر و اینکه نوع جریان عمود بر هم در این مبدل ها امکان پذیر نیست،از مبدل های حرارتی دو لوله ای همچنان در صنایع مختلفی استفاده می شود، زیرا میتوانند وقتی که شدت جریان سیال درون لوله ها کم، یا جایی که بین دو سیال اختلاف دما و فشار زیاد وجود دارد بهتر از مبدل های دیگر عمل کرده و عملیات انتقال حرارت را حتی وقتی سیالات به شدت رسوبی هستند نیز انجام دهند. مانند موادی که در راکتور ها استفاده می شوند.
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای
مبدل حرارتی صفحه‌ای اساساً با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شد و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدل‌ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدل‌های لوله‌ای) پیشی بگیرد. به دلیل تنوع بسیار زیاد محدوده‌های طراحی این نوع مبدل‌ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکت‌های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمیکنند.
مبدل‌های صفحه‌ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحه نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا میکنند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی چیدمان شده‌اند که دو سیال عامل به صورت یک در میان میان صفحات جریان دارند. طراحی و واشربندی بهینه این امکان را فراهم می‌کند که مجموعه‌ای از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه‌ای مناسب را بدهند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای معمولاً در جریان سیالاتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می‌شوند. از آنجا که کانال‌های جریان کاملاً کوچک هستند جریان قوی گردابه‌ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می‌گردد؛ به علاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب میشود. واشرها از نشتی سیال به بیرون از مبدل جلوگیری میکنند و سیال‌ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می‌نمایند. شکل جریان عموماً به نحوی انتخاب میشود که جریان سیال‌ها خلاف جهت یکدیگر باشند.
مبدل های صفحه ای حلزونی یا مارپیچ
صفحه ای حلزونی با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شود. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این نوع مبدل های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعا گران قیمت تمام می شوند. سطح انتقال حرارت برای این مبدل ها درمحدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشارکارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد می باشد. این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می شود. چون این مبدل ها توانایی زیادی در خود تمیز کنی و کم کردن رسوب گیری دارند.
از معایب و مزایای این نوع از مبدل‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
معایب:
۱- به دلیل کوچک بودن لوله مارپیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است
۲- به دلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن آنها عملا مشکل است
مزایا:
- تست
- تست
۱- راندمان بالا
۲- مونتاژ آسان
۳- مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
۴- مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی هوا خنک
کولر های هوایی، مبدل هایی هستند که در آنها سیال فرآیندی با جریان هوا خنک میشود. در این مبدل ها بخارات گرم درون مجموعه ای از لوله ها که به صورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود. جداره خارجی لوله ها به پره مجهز شده است تا سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک افزایش یابد.
این مبدل ها از نظر شکل جریان، از نوع متقاطع می باشند که جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله ها به وسیله یک فن تامین می شود . اگر این فن بالای لوله ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله ها قرار گیرد به آن دمشی گویند . نوع مکشی به علت ایجاد توزیع یکنواخت جریان هوا بازدهی بیشتری دارد. در نوع مکشی اگر موتور گرداننده نیز به همراه فن در بالای لوله ها قرار گیرد به علت قرار گرفتن در معرض هوای گرم زودتر مستهلک می شود. برای رفع این مشکل می توان نیرو را با استفاده از شفت به فن انتقال داد و موتور را در محل مناسب تری قرار داد.
شکل جریان یا جهت ورود و خروج سیال ها
سیال ها به سه شکل در مبدل های حرارتی جریان می یابند، همسو، غیرهمسو و عمود برهم.
در جریان همسو(هم جهت)، سیالات به طور موازی و هم جهت با هم وارد مبدل شده و به سمت خروجی روانه می شوند. لازم به ذکراست: در مبدل های حرارتی جریان همسو،دمای سیال سردی که ازمبدل خارج می شود، نمیتواند به دمای سیال گرم خروجی برسد.
جریان غیرهمسو(مخالف جهت)،اینگونه است که: مانند جریان همسو سیالات به موازات یکدیگر حرکت میکنند، اما خلاف جهت هم از مبدل عبور میکنند. جریان حرکت غیر همسوی سیالات، راندمان بالاتری نسبت به جریان همسو دارد، به طوری که حتی دمای سیال سرد خروجی میتواند از دمای سیال گرم خروجی بیشتر باشد.
در جریان عمود بر هم (متقاطع)، همانطور که از نامش پیداست، سیالات به صورت موازی تبادل حرارت نمیکنند، بلکه به صورت عمودی و افقی با هم برخورد غیرمستقیم دارند و به این ترتیب انتقال دما انجام می شود. مبدل های حرارتی هواخنک و حتی برج های خنک کننده نیز اغلب اینگونه عمل میکنند.
نوع و سطح تماس سیال ها با یکدیگر (سرد و گرم)
نوع و سطح تماس سیال ها، مبدل ها را به سه دسته تقسیم میکنند.
Recuperative : در مبدل های حرارتی نوع Recuperative ، سطح جامدی وجود دارد که ثابت مانده و مانع تماس مستقیم سیالات می شود.حرارت از سیالی به سیال مجاور به واسطه سطح جامد مذکور منتقل می شود. این نوع از مبدل ها پرکاربردترین و رایج ترین مبادله کننده های حرارتی در صنایع مختلف به شمار می آیند.
Regenerative : در این نوع از مبدل ها هم سطح جدا کننده بین دو سیال وجود دارد با این تفاوت که سطح جدا کننده در مبدل های Regenerative ثابت نیست و به صورت یکی پس از دیگری قسمت هایی از این سطح در معرض تحرکات سیال های گرم و سرد قرار میگیرند.
تماس مستقیم: نوع دیگر از مبدل های حرارتی عملیات تبادل را با روش تماس مستقیم بین دو سیال انجام میدهند.یعنی بین دو سیال برای انتقال حرارت به یکدیگر مانع یا سطح جامدی وجود ندارد و سیال ها مستقیما با هم در تماس هستند. در توضیحات قبلی مبدل های حرارتی، کولر های آبی خانگی و برج های خنک کننده مدار باز که از این نوع مبدل ها هستند اشاره شد.
در این مقاله با مبدل حرارتی، انواع آن، کاربرد های آن و … آشنا شدید. برای آشنایی با سایر موضوعات مشابه پیشنهاد میشود به قسمت مقالات سایت مراجعه نمایید.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.