مبدل حرارتی چیست؟
مبدل حرارتی تجهیزی است که به طور مداوم گرما را از یک رسانه به رسانه دیگر منتقل می کند. دو نوع اصلی مبدل حرارتی وجود دارد: مستقیم و غیر مستقیم.
مبدل حرارتی مستقیم، که در آن هر دو رسانه در تماس مستقیم با یک دیگر هستند. فرض بر این است که رسانه ها با هم ترکیب نمی شوند. نمونه ای از این نوع مبدل های حرارتی برج خنک کننده یا همان کولینگ تاور است که در آن آب از طریق تماس مستقیم با هوا خنک می شود.
مبدل حرارتی غیر مستقیم، که در آن هر دو محیط توسط دیواره ای جدا می شوند و گرما از طریق آن منتقل می شود.
مبدل های حرارتی غیر مستقیم در چند نوع اصلی (صفحه ای، پوسته ای و لوله ای و ...) موجود می باشند و به طور کلی، بهترین راه حل را برای مشکلات حرارتی می باشند و وسیع ترین محدودیت های فشار و دما را در محدودیت تجهیزات فعلی ارائه می دهند.
تئوری انتقال حرارت در مبدل حرارتی
قوانین طبیعی فیزیک همیشه به انرژی محرک در یک سیستم اجازه می دهند تا زمانی که به تعادل برسد جریان یابد. گرما تا زمانی که اختلاف دما وجود داشته باشد از جسم داغ تر یا سیال داغ تر خارج می شود و به محیط سرد منتقل می شود.
یک مبدل حرارتی در تلاش برای رسیدن به یکسان سازی از این اصل پیروی می کند. با یک مبدل حرارتی از نوع صفحه ای، گرما به سطح نفوذ می کند که به راحتی محیط گرم را از سرد جدا می کند. بنابراین می توان سیالات یا گاز هایی را که دارای حداقل سطح انرژی هستند گرم یا سرد کرد. تئوری انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر یا از یک سیال به سیال دیگر توسط چندین قانون اساسی تعیین می شود:
- گرما همیشه از یک محیط گرم به یک محیط سرد منتقل می شود.
- همیشه باید اختلاف دما بین رسانه ها وجود داشته باشد.
- گرمای از دست رفته توسط محیط گرم برابر با مقدار گرمای به دست آمده توسط محیط سرد است، به استثنای تلفات به محیط اطراف.
انواع مبدل های حرارتی
همان طور که اشاره کردیم دو نوع اصلی مبدل حرارتی وجود دارد:
مبدل حرارتی مستقیم، که در آن هر دو رسانه در تماس مستقیم با یک دیگر هستند. فرض بر این است که مایعات با یک دیگر مخلوط نمی شوند. نمونه ای از این نوع مبدل های حرارتی برج خنک کننده است که در آن آب با تماس مستقیم با هوا خنک می شود.
مبدل حرارتی غیر مستقیم، که در آن دو سیال توسط دیواره ای از هم جدا می شوند که گرما از طریق آن منتقل می شود.
در این زمینه، تنها مبدل های حرارتی غیر مستقیم مورد بحث قرار خواهند گرفت، یعنی آن دسته از مبدل های حرارتی که در آن ها سیالات مخلوط نمی شوند، اما در آن ها گرما از طریق سطوح انتقال حرارت منتقل می شود. هنگامی که مبدل های حرارتی در این زمینه در نظر گرفته می شوند، تلفات دما از طریق تشعشع را می توان نادیده گرفت. مبدل های حرارتی غیر مستقیم در چند نوع اصلی (صفحه ای، پوسته ای و ...) موجود می باشند.
پر کاربرد ترین مبدل های حرارتی در صنعت عبارت است از:
- مبدل حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی صفحه ای یا همان پلیتی از تعداد زیادی صفحه فلزی که با فاصله اندکی کنار یک دیگر قرار می گیرند و با الگوی یکی در میان نسبت به هم آب بندی می شوند، تشکیل می شود. یک سیال به عنوان سیال دما بالا و یک سیال هم به عنوان سیال دما پایین وارد آن شده و از طریق سطح فلزی این صفحات با یک دیگر تبادل گرمایی انجام می دهند. این صفحات سطح انتقال حرارت زیادی ایجاد می کنند و به همین دلیل ابعاد این نوع از مبدل ها کوچک (فشرده) است. یکی از معایب این مبدل ها در مقایسه با انواع مبدل شل اند تیوب (پوسته و لوله) این است که فشار کم تری را تحمل می کنند و برای کاربرد های فشار بالا معمولا از نوع پلیتی استفاده نمی شود.
انواع مختلف مبدل حرارتی صفحه ای
مبدل صفحه ای واشردار
مبدل صفحه ای واشردار شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار است که سیال های گرم و سرد را از یک دیگر جدا می کند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما بین آن ها مبادله شود، یکی در میان فضای صفحات، جریان یابند.
مبدل صفحه ای نیمه جوشی
با جوش دادن صفحات به صورت دو به دو، صفحات دو قلو مبدل های نیم جوشی به وجود می آیند که در ساخت مبدل صفحه ای نیمه جوشی کاربرد دارند. این صفحات نیم جوش در قاب مبدل های حرارتی صفحه ای واشر دار قرار می گیرند. طراحی و ساخت این نوع مبدل ها برای کاربرد در سیالات با خوردگی بسیار بالا می باشد. این سیالات از میان صفحات جوش شده عبور می کنند، تنها واشری که در مبدل صفحه ای نیمه جوشی استفاده می شود، گسکت هایی با دو حلقه (حلقه نازل) بسته هستند که بین هر جفت صفحه دو قلو قرار می گیرد، این گسکت ها از الاستومتر های مقاوم و یا غیر الاستومتر ها می باشد. ورودی هایی که شامل سیالات غیر خورنده و غیر تهاجمی می شوند به وسیله واشر های معمولی آب بندی می شوند.
این مبدل ها برای ورودی آب شرکت ها که از دریا می گیرند استفاده می شود بیشتر داخل واحد های آبگیر پتروشیمی ها و پالایشگاه ها استفاده می شود. روش تست مبدل های صفحه ای یا همان مبدل های کتابی یا ورقه ورقه ای به این صورت است که ابتدا ورودی و خروجی را باز می کنیم و سپس راد ها را یکی در میان باز می کنیم بعد به وسیله جیم پلاک دو طرف مبدل را جیم پلاک یا پولیف می زنیم سپس بقیه راد ها را شل می کنیم و بعد کل راد ها را در آورده و آرام آرام پولیف را شل می کنیم. سپس تمام صفحه ها را در اورده در صورت نیار تعویض و در صورت سالم بودن شستشو می دهیم و لجن و گرفتگی ها را بر طرف کرده و سپس می بندیم. بعد بسته شدن دوباره به راد ها یا همون پیچ های بلند گریس فراون می زنیم.
مبدل صفحه ای جوشی
مبدل صفحه ای جوشی بر پایه کاربرد های مبدل های پوسته و لوله، مارپیچی و صفحه ای طراحی شده و همچنین مشکلات کاربرد واشر را ندارد. نبودن گسکت، این امکان را به ما می دهد تا از سیالات با دما های بالا و مواد شیمیایی آسیب زا در آن استفاده کنیم. همچنین طراحی پیچ و مهره ای این نوع مبدل ها، امکان جدا کردن سریع قاب و دسترسی به محفظه صفحات را برای تمیز کردن و تعمیرات می دهد.
مبدل صفحه ای حلزونی
مبدل صفحه ای حلزونی، با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شوند. فاصله بین صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی، با استفاده از پین های فاصله انداز که به ورق فلزی جوش می شوند، حفظ می شود. طول پین های فاصله انداز می تواند بین ۵ تا ۲۰mm تغییر کند. به همین دلیل است که با توجه به نرخ جریان، می توان فواصل مختلفی برای کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل و بنابراین کوچک ترین سطوح گرمایش ممکن، به دست می آیند.
مبدل صفحه ای لحیم شده
مبدل صفحه ای لحیم شده از مجموعه صفحات به هم فشرده شده که به هم دیگر لحیم شده اند، تشکیل شده است. لذا دیگر نیازی به واشر نیست و فریم ها هم می توانند حذف شوند. صفحات موجدار موجب چنان جریان متلاطمی می گردد که این جریان باعث کاهش رسوب گیری در این نوع مبدل می گردد.
چه چیزی کارایی مبدل های حرارتی صفحه ای را تعیین می کند؟
عامل تعیین کننده برای بهره وری انرژی مبدل حرارتی صفحه ای راندمان حرارتی یا راندمان فرآیند است. این نسبت انرژی گرمایی جذب شده به انرژی گرمایی آزاد شده را نشان می دهد، یعنی چند درصد از گرما در واقع بین دو رسانه منتقل شده است. 100 درصد فقط در تئوری امکان پذیر است. زیرا در شرایط عملی مبدل های حرارتی همیشه تلفات کمی به محیط زیست وارد می کنند. راندمان حرارتی مبدل های حرارتی تنها می تواند به مرز 100 درصد نزدیک شود و فقط در صورتی که دستگاهی پیچیده باشد، راندمان حرارتی مبدل های حرارتی درجه دو اغلب به طرز شگفت آوری پایین می آید.
در بیشتر موارد، مبدل های حرارتی صفحه ای کارآمد ترین نوع مبدل حرارتی هستند. آن ها معمولاً بهترین راه حل را برای مشکلات حرارتی ارائه می دهند و وسیع ترین محدودیت های فشار و دما را در محدودیت های تجهیزات فعلی ارائه می دهند.
ویژگی های منحصر به فرد مبدل حرارتی صفحه ای
- نصب سریع و آسان
- دارای عمر و دوام بالا
- صرفه جویی در هزینه ها
- ضرایب بالای انتقال حرارت
- مبدل حرارتی لوله ای
ساده ترین مبدل هایی که در صنعت استفاده می شوند، مبدل های حرارتی لوله ای دوبل (دو لوله ای) می باشند که به اختصار آن ها را مبدل های لوله ای نیز می نامند. از یک سو، ارزان بودن این مبدل ها، چه در طراحی و چه از نظر تعمیر و نگهداری، آن ها را به انتخاب مناسبی برای صنایع کوچک تبدیل کرده است و از سوی دیگر، راندمان پایین آن ها و همچنین اشغال فضای زیاد در مقیاس های بزرگ، سبب شده است که در صنایع مدرن امروزی کم تر استفاده شوند و مبدل هایی با راندمان بیشتر نظیر مبدل های پوسته و لوله و مبدل های صفحه ای به کار گرفته شوند. ساختار یک مبدل حرارتی لوله ای، در ساده ترین شکل خود شامل دو لوله با قطر متفاوت می باشد که لوله کوچک تر به صورت هم مرکز درون لوله دیگر قرار می گیرد. چنان که یکی از سیال ها درون لوله کوچک تر و سیال دیگر در فضای حلقوی بین دو لوله جریان می یابد. در واقع، این دیواره لوله داخلی است که سطح انتقال حرارت را تشکیل می دهد واغلب جهت دستیابی به سطح بیشتر، فین گذاری می شود.
در طراحی این مبدل ها، یکی از فاکتور های مهم، نوع الگوی جریان در مبدل می باشد. یک مبدل حرارتی لوله ای، معمولاً می تواند برای هر دو الگوی جریان مخالف و جریان موازی طراحی شود، اما الگوی جریان متعامد در چنین مبدلی کارایی ندارد.
ویژگی های منحصر به فرد مبدل حرارتی لوله ای
- انعطاف پذیر
- طول عمر و دوام بالا
- مقاوم در برابر محیط و مواد خورنده
- مناسب سرویس های کوچک یا سطح انتقال حرارت کوچک
- مبدل حرارتی پوسته و لوله
یکی از رایج ترین انواع مبدل در صنایع مختلف، مبدل حرارتی پوسته و لوله می باشد. همان طور که از نامش پیداست، این مبدل ها از تعدادی لوله تشکیل شده اند که درون پوسته ای استوانه ای قرار می گیرند. دو جریان سیال با دما های اولیه متفاوت وارد مبدل می شوند. یکی از درون لوله ها و دیگری از درون پوسته (بیرون لوله ها) عبور می کند. حرارت از طریق دیواره لوله ها، بین دو سیال منتقل می شود،.
هر یک از سیال ها می توانند از مایعات و یا از گاز ها باشند و این امکان نیز وجود دارد که هر کدام از درون لوله یا پوسته جریان بیابند. مبدلی که فقط سیال مایع و یا صرفاً سیال گاز در دو طرف آن (درون پوسته و لوله) جریان دارد را مبدل تک فازی می نامند. مبدل های دو فازی می توانند برای انتقال حرارت به مایع جهت جوشاندن و تبخیر آن (بویلر) و یا به منظور خنک کردن بخار برای چگالش آن (کندانسور) با تغییر فازی که عمدتاً در سمت پوسته اتفاق می افتد، به کار روند.
در طراحی مبدل های پوسته و لوله تنوع قابل توجهی وجود دارد. معمولاً، ابتدا و انتهای لوله ها از طریق سوراخ های تعبیه شده در تیوب شیت به پلنیوم، فضایی که در ابتدا و یا انتهای مبدل وجود دارد، متصل می شوند.
غالباً، بافل هایی در داخل پوسته برای هدایت جریان سیال ورودی لحاظ می شوند. در واقع، به کمک این بافل ها، ضمن ایجاد تلاطم در جریان سیال که باعث افزایش ضریب انتقال حرارت آن می شود، تماس با تمامی لوله ها اتفاق افتاده و زمان بیشتری برای تبادل حرارت بین جریان سیال و لوله ها ایجاد می شود.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، ممکن است لوله ها به فرم مستقیم یا خم شده به شکل U استفاده شوند. طراحی این مبدل ها با لوله های مستقیم به صورت یک، دو یا چهار پاس انجام می گیرد.
منظور از تعداد پاس، تعداد دفعاتی است که جریان سیال داخل لوله ها از میان سیال جاری درون پوسته، طول مبدل را طی می کند.
همان طور که در تشریح مبدل های حرارتی لوله ای نیز عنوان شد، مبدل های حرارتی با الگوی جریان مخالف بیشترین راندمان و کارایی انتقال حرارت را دارند. چرا که در این صورت تبادل گرما با بالا ترین اختلاف دمای متوسط لگاریتمی بین جریان های سرد و گرم اتفاق می افتد.
سوال؟
منظور از پاس چیست؟
منظور از پاس همان طور که در توضیحات بالا گفته شده یعنی تعداد مسیر های رفت و برگشتی که سیال پس از ورود به تیوب ها تا خروج از اون رو طی می کند را پاس می گویند. مثلا یک پاس یعنی سیال از یک سمت وارد تیوب ها شده و از سمت دیگه خارج می شود.
مزایا و معایب الگوی جریان مخالف و موازی چیست؟
مبدل های جریان مخالف (ناهمسو) بهتر از جریان موازی هستش یکی از مزایاش هم برمی گردد ب بحث انتقال حرارت چون جریان سرد و گرم در جهت مخالف یک دیگر قرار دارند باعث می شود شرایط یکسان انتقال حرارت در این مبدل ها بیشتر از جریان موازی باشد.
مشکلات استفاده از نوع u شکل چیست؟
عمده مشکلات استفاده از مبدل های U شکل می توانیم به تمیزکردن آن ها اشاره کرد، چرا که جت آب نمی توانیم به آن ها زده شود، تمیز کردن آن ها سخت است و همین عامل باعث شده کاربرد این مبدل ها کم تر باشد.
ویژگی های منحصر به فرد مبدل حرارتی پوسته و لوله
- دارای ظرفیت های متنوع
- طول عمر و راندمان بالای کارکرد
- اتلاف انرژی کم تر و تبادل حرارتی بهتر
- رسوب در سطوح مبدل بسیار پایین است
- مبدل حرارتی هوا خنک
مبدل حرارتی هوا خنک نوعی مبدل حرارتی بسیار پر کاربرد است که بر اساس انتقال حرارت میان سیال و هوا کار می کند. این نوع مبدل یکی از تجهیزات برج های خنک کننده (کولینگ تاور) در صنایع به شمار می رود. این نوع مبدل ها از پر كاربرد ترین مبدل هاي حرارتي در صنایع هستند. در مناطقی که تهیه آب به عنوان منبع سرمایش مقدور نبوده و یا پر هزینه می باشد، بهترین و اولین گزینه برای تامین سرمایش مورد نیاز، استفاده از مبدل های حرارتی هوا خنک (کولر هوایی) است.
یکی از مهم ترین و اصلی ترین مزیت های استفاده از مبدل حرارتی هوا خنک در فرآیند های صنعتی این است که این مبدل ها به آب نیازی ندارند؛ این جمله به آن مفهوم است که پروژه های صنعتی با ظرفیت بالای خنک کنندگی لازم نیست در نزدیکی منابع آبی برای خنک سازی ساخته شوند. در حقیقت، یک مبدل حرارتی هوا خنک می تواند به عنوان یک کولر هوایی، نقش خنک کنندگی فرآیند ها را ایفا کند.
در مبدل حرارتی هوا خنک (کولر هوایی)، سیال گرم درون مجموعه‌ای از لوله ها که به صورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود و همزمان با عبور هوای محیط از روی جداره لوله ها، فرآیند انتقال حرارت انجام می شود .
سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک کننده با تعبیه پره های خاصی به جداره خارجی لوله ها افزایش می یابد.
مبدل های حرارتی هوا خنک از نظر شکل جریان، از نوع متقاطع بوده و جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله ها به وسیله یک فن تأمین می شود. اگر این فن بالای لوله ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله ها قرار گیرد به آن دمشی می گویند.
ویژگی های منحصر به فرد مبدل حرارتی هوا خنک
- دوام و ماندگاری بالا
- مناسب برای مناطق خشک یا کم آب
- انتقال حرارت به هوا و کاهش درجه حرارت سیال
- کاربردی برای انواع صنایع تولیدی، نیروگاه های هسته ای، گرمایشی و تهویه مطبوع
به جزء این ۴ نوع، مبدل های خاص دیگری نیز وجود دارند که کاربرد آن ها بسیار کم و مربوط به کاربرد های خاص می شود.
مبدل حرارتی چگونه کار می کند؟
سیال داغ معمولاً از یکی از اتصالات بالایی وارد مبدل حرارتی می شود و از طریق اتصال پایینی دستگاه خارج می شود. سیال سرد نیز از یکی از اتصالات پایینی مبدل حرارتی وارد شده و از طریق اتصال بالایی دستگاه خارج می شود.
با عبور سیالات از مبدل حرارتی، گرما از محیط داغ به محیط سرد منتقل می شود. جریان مخالف حداکثر شانس بازیابی گرما را می دهد و می توان به یک تقریب بسیار نزدیک دما دست یافت. دمای متقاطع نیز امکان پذیر است، به این معنی که خروجی گرم می تواند به دمای کم تری نسبت به خروجی سرد برسد.
سیالات از طریق اتصالات و روزنه های صفحات انتقال حرارت وارد می شوند. واشر های مخصوص طراحی شده که بین صفحات قرار گرفته اند، سیالات را به گونه ای هدایت می کنند که سیالات سرد و گرم در کانال های متناوب جریان مخالف داشته باشند. هنگامی که سیال بین صفحات وارد می شود، از ناحیه توزیع عبور می کند. طراحی خوب یکی از مهم ترین ویژگی های مبدل حرارتی می باشد. هدف اصلی مبدل حرارتی اطمینان از جریان یکنواخت سیال در کل صفحه و در عین حال به حداکثر رساندن راندمان انتقال حرارت و به حداقل رساندن توزیع نادرست و رسوب است.
برای محیط های بسیار حساس به حرارت، از مبدل های حرارتی صفحه ای واشر دار استفاده می شود. مزیت این نوع طراحی این است که سیال خنک کننده با سیال گرم تر هنگام ورود به مبدل حرارتی برخورد می کند و خطر گرم شدن بیش از حد محیط حساس یا یخ زدگی را به حداقل می رساند. در انیمیشن می توانید تصور کنید که سیال داغ معکوس شده است، به طوری که هر دو سیال از طریق اتصالات پایین وارد می شوند.
کاربرد های صنعتی مبدل حرارتی
مبدل های حرارتی در زمینه های مختلف، دارای کاربرد های فراوانی هستند، که برخی از آن ها به شرح زیر می باشد:
صنایع اصلی که در آن ها از مبدل حرارتی استفاده می شود:
مبدل های حرارتی در بسیاری از صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، به عنوان مثال:
- علم شیمی
- صنایع دارویی
- صنایع دریایی
- بیوتکنولوژی
- جا به جایی مایعات
- برنامه های سیستم تهویه مطبوع
- فرآیند گرمایش و سرمایش
- خنک کردن روغن
- تبرید صنعتی
- و ...
آیا با چالش های بسیار خاصی روبرو هستید؟
مبدل های حرارتی صفحه ای می توانند به صورت جداگانه با چالش های خاص روبرو شوند و بسیار انعطاف پذیر هستند، به عنوان مثال در مورد تغییرات ظرفیت این نوع مبدل حرارتی بسیار دستگاه مناسبی می باشد.
خرید مبدل حرارتی
به طور کلی در افزایش راندمان مبدل حرارتی باید به مواردی نظیر روغن داغ، موقعیت نصب آب خنک کاری، نصب و نگهداری توجه کرد. البته دقت داشته باشید که افزایش راندمان مبدل حرارتی باعث بیشتر شدن قیمت آن نیز می شود بنابراین بهتر است در همان ابتدای خرید بهترین و متناسب ترین نوع آن را انتخاب کنید.
نکات قابل توجه هنگام خرید مبدل حرارتی
یکی از مهم ترین مسائلی که در انتخاب و خرید مبدل حرارتی دارای اهمیت می باشد راندمان مبدل حرارتی است. هر چه میزان راندمان مبدل حرارتی بالا تر باشد کارکرد آن بهبود پیدا خواهد کرد. با اطلاع از برخی موارد می توان راندمان مبدل حرارتی را تا حد زیادی بهبود بخشید.
از دیگر عوامل مهمی که بر راندمان مبدل حرارتی تاثیر می گذارد جریان مایعات در ورودی و خروجی مبدل ها می باشد. افزایش یافتن جریان باعث افزایش ظرفیت مبدل حرارتی به منظور انتقال گرما می شود ولی جریان بیشتر به معنای جرم بیشتر می باشد که ممکن است جهت برداشتن انرژی و همچنین افت فشار و افزایش سرعت مشکل ساز شود.
تفاوت میان مایع گرم و خنک کننده در موقع طراحی یک مبدل حرارتی دارای اهمیت زیادی می باشد. خنک کننده همواره باید در دمای کم تر از مایع داغ قرار بگیرد. مایع خنک کننده با دمای کم تر میزان گرمای بیشتری را به نسبت مایع خنک کننده ای که درجه حرارت بیشتری دارد از مایع داغ دریافت می کند. این یک اصل در مبدل های حرارتی است که در فرمول راندمان مبدل حرارتی نیز بدان اشاره شده است.
سردخانه صنعتی چیست و چه کاربردی دارد؟