مبدل حرارتی چیست؟

فرایند تبادل گرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی ازهم جدا شده اند در بسیاری از کاربردهای مهندسی روی میدهد.

وسیله ای را که برای این تبادل به کار میرود مبدل گرمایی میگویند،

و موارد کاربرد آن را در سیستمهای گرمایش ساختمانها، تهویه مطبوع، تولید قدرت، بازیابی گرمای هدررفته و فرآوری شیمیایی میتوان یافت.

ما در فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی نیاز به گرم کردن و سرد کردن سیالاتی داریم که مورد استفاده قرار میگیرند.

برای تبادل گرمای دو سیال بدون اینکه بهم آمیخته شوند، نیاز به سطح انتقال حرارت داریم.

امروزه در سراسر دنیا کارخانههای فراوانی یافت میشود که در زمینه ساخت مبدهای حرارتی فعالیت میکنند.

آنها بر اساس نیاز مشتری خود و بر اساس استاندارهای تعیین شده به طراحی و ساخت مبدلهای حرارتی در سایزها و گونه های مختلف مبادرت میورزند.

مبدلهای لوله های

این مبدلها از لوله هایی با مقطع دایرهای ساخته شدهاند.

یک سیال در داخل لولهها و سیال دیگر در خارج از لوله جریان دارد.

قطر، تعداد، طول، گام و آرایش لولهها میتواند تغییرکند.

بنابراین انعطافپذیری قابل ملاحظهای در طراحی آنها وجود دارد.

مبدل های حرارتی لوله ای میتوانند 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

مبدلهای دو لولهای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لولهای دیگر با قطر بزرگتر قرار میگیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند.

مبدلهای حرارتی دو لولهای میتوانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند.

استفاده عمده مبدلهای دو لولهای، برای گرمایش و سرمایش محسوس سیالهای فرآیندی است که در انها سطوح انتقال گرمای کوچکی (تا m²50) مورد نیاز میباشد.

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 لولههای (داخلی دارای پرههای طولی می توانند استفاده شوند.

ب– مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدلهای پوسته و لوله، از لوله های با مقطع دایره ای که در پوستههای استوانهای بزرگ نصب شده اند، ساخته میشوند به طوری که محور لولهها موازی با محور پوسته است.

این مبدل ها به صورت وسیعی به عنوان خنک کنهای روغن، چگالندهها و پیش گرمکنها در نیروگاهها، و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاههای هستهای و در کاربردهای صنایع فرآیندی و شیمیایی استفاده میشوند.

در مبدلهای 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 میشود، موازی با لوله ها، جهت مییابد. بسته به کاربرد مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آنها وجود دارد.

اهداف اصلی طراحی در این مبدلها، در نظر گرفتن انبساط حرارتی پوسته و لولهها  تمیز کردن آسان مجموعه، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبهها، کم هزینهترین روش ساخت و تولید آنهاست.

در مبدلهای حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت Fixed tube sheet،

پوسته به صفحه لوله جوش داده شده است و هی گونه دسترسی به خارج از دسته لوله، برای تمیز کاری وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است که می توانید اندکی توسط فانوسیهای انبساط، افزایش یابد. در این نوع از مبدلها، تمیز کردن لولهها، ساده است.

مبدلهای حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله یوشکل دارای کم هزینه ترین ساختار است، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است.

سطح داخلی لوله ها به دلیل خم یوشکل تند، نمیتواند با وسایل مکانیکی تمیز شود.

در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود 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 تمیزکاری، استفاده می شوند.

بافل ها برای افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده میگردند.

مبدلهای پوسته و لوله، بر حسب نیاز، برای هر ظرفیت و شرایط کارکرد، طراحی میشوند.

این مشخصه مبدلهای پوسته و لوله، متفاوت با بسیاری از انواع دیگر مبدل ها می باشد.

ج– مبدل های حرارتی لوله ای حلزونی

این مبدل ها شامل کویلهایی هستند که به صورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند

و یا به صورت چگالندههای هم مرکز و تبخیر کنندههای هم مرکز هستند که در سیستمهای تبرید استفاده می شوند.

ضریب انتقال گرما، در لولیه حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم، بیشتر است.

این مبدلها، برای انبساط گرمایی و سیالهای تمیز مناسب هستند، زیرا تمیز کردن آنها تقریبا غیر ممکن است.

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحهای از صفحات نازک که کانالهای جریان را تشکیل میدهد، ساخته می شوند.

جریانهای سیال، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موجدار هستند، از هم جدا میشوند.

این مبدلها برای انتقال گرما بین گاز، مایع یا جریانهای دو فاز، استفاده میشوند.

این مبدلها میتوانند به صورت زیر دسته بندی شوند:

الف– صفحهای واشردار Gasketed-plat))

ب– صفحهای حلزونی Spiral plat))

ج– لاملا Lamella) )

الف– مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار

مبدلهای صفحهای واشردار شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موجدار است که سیالهای گرم و سرد را از یکدیگر جدامیکند.

صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما بین آنها مبادله شود، یکی در میان فضای صفحات، جریان یابند.

طراحی و واشربندی مناسب، امکان آن را ایجاد میکند که مجموعه ای از صفحات، توسط پیچ ها که از صفحات ابتدا و انتها نیز میگذرند، در کنار یکدیگر نگهداشته شوند.

واشرها از نشتی به بیرون جلوگیری میکنند و سیالها را در صفحات، به شکل مورد نظر، هدایت مینمایند.

شکل جریان، عموماً به نحوی انتخاب میشود که جریان سیا ها در خلاف جهت یکدیگر باشند.

مبدل های صفحه ای معمولا به جریان سیال با فشار پایین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد محدود میشوند.

جریان قوی گردابه ای موجب بزرگ بودن ضریب انتقال گرما و افت فشارها می گردد، بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی، باعث کاهش تشکیل رسوب می شود.

این مبدلها، سطح انتقال حرارتی نسبتاً فشرده و با وزن کم ایجاد میکنند.

دما و فشار آنها به دلیل جزئیات ساخت و واشربندی، محدود هستند. این مبدل ها به آسانی تمیز و استریلیزه میشوند زیرا می توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده ای در صنایع غذایی دارند.

ب– مبدل های حرارتی صفحه ای حلزونی

مبدلهای صفحهای حلزونی، با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی ) مندرل (و جوش دادن لبههای 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 میشود.

طول پین های فاصله انداز می تواند بین ۵تا 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 کوچکترین سطوح گرمایش ممکن، بدست می آیند.

در هر یک از دو مسیر حلزونی، یک جریان ثانویه ایجاد میشود که انتقال گرما را افزایش، و تشکیل رسوب را کاهش میدهد.

این مبدل ها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود، نسبتاً گران قیمت می باشند.

سطح انتقال گرما برای این مبدل ها، در محدوده ۰٫۵ تا ۵۰۰m² میباشید.

حداکثر فشار کارکرد (تا ۱۵bar) و دمای کارکرد (تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد) در این مبدلها محدود هستند.

مبدل های حرارتی حلزونی به ویژه در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع– جامد، استفاده می شوند. مبدلهای حلزونی، در سه نوع اصلی که در اتصالات و آرایشهای جریان، تفاوت دارند، ساخته میشود.

ج– مبدل های حرارتی لاملا

مبدل های حرارتی لاملا ) ریمن) شامل مجموعه کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک است

که به طور موازی جوشکاری شده اند و یا به شکل لاملا ) لوله های تخت یا کانالهای مستطیلی) می باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند.

این مبدل، شکل اصلاح شده ای از مبدل های حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است.

 لولههای تخت شده که به آن ها لاملا نیز گفته میشود، از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته، به یکدیگر جوش نقطه ای یا درزی شده اند، ساخته شده است  

.شکل دهی خاص صفحات باریک، فضای داخل لاملاها را ایجاد میکند و برجستگیهایی به سمت خارج، بیرون میزند که به صورت فاصله دهنده، بین لاملاها، برای ایجاد مقاطع جریان در سمت پوسته بکار می رود.

لاممها در هر دو انتها با قرار دادن میلههای فولادی در وسط آنها به یکدیگر جوش می شوند.

اندازه میلههای فولادی بسته به فاصله مورد نیاز بین لاملاها دارد.

هر دو انتهای دسته لاملا بوسیله جوشهای محیطی، به درپوش کانال متصل میشوند که آن هم خود، در انتهای خارجی به نازل ورودی و خروجی جوش شده است. بنابراین سمت لاملا کاملاً توسط جوشها آب بندی شده است.

سطوح ما بین لاملاها برای تمیز کاری شیمیایی مناسب هستند بنابراین سیالهای رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند.

جریان سمت پوسته عموماً یک گذر حول صفحا است و به صورت طولی در فضای بین کانالها جریان مییابد.

هیچگونه بافلی در سمت پوسته وجود ندارد و بنابراین مبدل های لاملا می توانند برای آرایش جریان مخالف جهت واقعی در نظر گرفته شوند.

به دلیل آشفتگی زیاد جریان، توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف، لاملاها به سادگی رسوب نمیگیرند.

دسته صفحه میتواند به راحتی برای بازرسی و تمیز کاری بیرون آورده شود.

این طرح دارای ظرفیت تحمل فشار تا ۳۵bar و تحمل دما تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و ۵۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای آزبست می باشد.

مبدل های حرارتی با سطوح پره دار

مبدلهای حرارتی با سطوح پرهدار، دارای پرهها و یا ضمائمی در سطح اصلی (یا لولهای یا صفحهای) انتقال گرما به منظور افزایش این سطح میباشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از سمت مایع است، سطوح انتقال گرمای پره دار، در سمت گاز برای افزایش سطوح انتقال گرما استفاده می شوند. پرهها به صورت وسیع در مبدلهای حرارتی گاز-گاز یا گاز – مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل های حرارتی فشرده نیاز باشد استفاده میگردند. دو نوع از رایجترین مبدلهای حرارتی دارای صفحات پره دا عبارتند از :

الف– مبدلهای صفحه ای پرهدار

ب– مبدلهای لوله ای پرهدار

الف– مبدل های صفحه ای پره دار

نوع مبدلهای صفحهای پرهدار عمدتاً برای کاربردهای گاز– گاز و مبدلهای لولهای پرهدار برای کاربردهای مایع– گاز استفاده میشوند. در اکثر کاربردها ) ماشین های باری، اتومبیلها و هواپیماها) کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به دلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن، مبدل های حرارتی فشرده همچنین به صورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم ) کرایوژنیک (، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، تبرید وسیستم های تهویه استفاده میگردند.

جریانهای سیال با صفحات تخت که بین آن ها پره های موج دار قرار داده شده اند، از هم جدا میشوند. آن ها می توانند با توجه به جریان های سیال با شکل بندیهای متفاوت آرایش داده شوند. این واحد های بسیار فشرده دارای سطح انتقال گرما در واحد حجم حدود ۲۰۰m²/m³ میباشند. صفحات عموماً دارای ضخامت ۰٫۵ تا ۱mm و پره ها دارای ضخامت ۰٫۱۵ تا ۰٫۷۵mm میباشند. کل مبدل از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است و اجزاء مختلف، در حمام نمک یا کوره خلاء به یکدیگر لحیم میشوند.

ورق های موج دار که بین صفحات تخت قرار داده شده اند، باعث ایجاد سطح انتقال گرمای بیشتر می شوند و هم تکیه گاهی برای صفحات تخت ایجاد میکنند. شکلهای مختلف بسیاری از ورق های موجدار در این مبدل ها استفاده می شوند ولی رایجترین آنها عبارتند از:

پره ساده، پره ساده سوراخدار، پره دندانه ای یا کنگره ای، پره جناغی یا موجی شکل

با استفاده از پره ها که در راستای جریان پیوسته نباشند. لایههای مرزی کاملا شکسته میشوند و بهم میخورند، اگر سطح در راستای جریان دارای موج باشد، لایه های مرزی یا نازک میگردند و یا قطع میشوند که نتیجه آن ضرایب بزرگتر انتقال گرما و افت فشار بزرگتر است.

کانالهای جریان در مبدل های صفحه ای پره دار کوچیک هستند که بدین معناست که سرعت جرمی جریان در آنها نیز باید کوچک باشد (۱۰ تا ۳۰۰kg/m².s) تا از افت فشار اضافی، اجتناب شود. این موضوع کانال را مستعد برای تشکیل رسوب نماید، با توجه به این موضوع که این مبدلها نمی توانند به صورت مکانیکی تمیز شوند، استفاده از این مبدلهای صفحه ای پره دار منحصر به سیالهای تمیز است. آنها به وفور برای مصارف چگالش در واحدهای مایع سازی هوا استفاده می شوند.

مبدلهای صفحه ای پره دار برای استفاده در توربینهای گاز، نیروگاههای مرسوم و هستهای، مهندسی پیشرانه (هواپیماها، ماشین های باری و خودروها(، تبرید، گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، سیستمهای بازیابی گرمای اضافه، صنایع شیمیایی و سرمایش وسایل الکترونیکی بوجود آمده اند.

ب– مبدل های لوله ای پره دار

این مبدلها شامل آرایه ای از لولههایی با پرههایی که در سمت بیرونی ثابت شدهاند، میباشد. پرههای سمت خارجی لوله ها ممکن است عمود بر محور لولهها، اریب یا مارپیچ نسبت به محور، یا طولی )محوری) و در امتداد محور لوله باشند. پرههای طولی معمولا در مبدل های دو لوله ای یا پوسته و لوله ای که دارای بافل نیستند استفاده می شوند.

در مبدلهای لوله ای پره دار عموماً لوله هایی با مقاطع گرد، مستطیلی یا بیضوی استفاده می شوند. پره ها با لحیم کاری، جوش برنجی، جوشکاری، اکستروژن، جا زدن مکانیکی، پیچاندن کششی و غیره به لوله وصل می شوند. این مبدل ها بطور متداول در سیستمهای گرمایش، تهویه، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. سطوح داخلی در سمت لولهها عموماً در چگالنده ها و تبخیر کننده های سیستم های تبرید استفاده می گردند.

چگالنده های خنک شونده با هوا و دیگهای بخار بازیافت، مبدلهای حرارتی لولهای پره دار هستند که شامل یک دسته افقی از لوله ها است که هوا یا گاز از میان لولهها و متقاطع با آن ها در سمت خارجی دمیده می شود و چگالش یا جوشش، در سمت داخل لوله ها اتفاق می افتد