مبدل های حرارتی امروزه پرکاربرد ترین دستگاه ها در صنعت می باشند که وظیفه آنها انتقال حررات بین دو یا چند سیال که درون دستگاه جریان دارند می باشد.
مبدل حرارتی چیست؟
مبدل حرارتی تجهیزیست که برای انتقال حرارت بهینه از یک محیط به محیط دیگر به کار میرود.مبدل های حرارتی حرارت را بین دو یا چند سیال که درون دستگاه جریان دارند منتقل میکنند.
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف نظیر نیروگاه های برق ، پالایشگاه ا و صنایع به طور گسترده به کار میرود. همچنین در دستگاه های مختلفی نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور، خنک کن و گرمکن روغن ،رادیاتورها،کوره ها و… کاربورد دارند.
مبدل های حرارتی را بر اساس موارد زیر دسته بندی میکنند:
- پیوستگی یا تناوب جریان
- فرآیند انتقال
- فشردگی یا تناوب جریان
- نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
- درجه حرارت کارکرد
- سازوکار انتقال حرارت
- تعداد سیال
- آرایش جریان
دو نوع مبدل حرارتی که در صنعت کاربرد زیادی دارند:
۱) مبدل حرارتی پوسته لوله
۲) مبدل حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی پوسته لوله
این مبدل کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحد های تقطیر نفت خام دارد.این مبدل از یک مخزن استوانه ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است.مایع در داخل لوله ها حرکت میکند و بخار داغ بر روی لوله ها و درون پوسته جریان دارد.بدلیل زیاد بودن لوله ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می کند حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می آورد.
مبدل های پوسته و لوله به طور کلی دارای اجزای زیر هستند:
- پوسته
- قسمت میانی بدنه که بین دو کلگی قرار دارد پوسته نامیده می شوداز جمله پارامتر های مهم در طراحی یک مبدل قطر پوسته و ضخامت آن است.این پارامتر ها بر اساس میزان انتقال حرارت مورد نیاز و همچنین بسته به میزان وجود عوامل خورنده که منجر به خوردگی پوسته خواهند شد تعیین می شود.انواع مختلف پوسته براساس نوع آرایش نازل های سمت پوسته و بافل های عرضی و طولی موجود روی لوله از یکدیگر متمایز می شوند.
- لوله ها
- محل گذر یکی از سیالات و پوسته محل گذر دیگر سیال است.لوله ها درون پوسته مبدل قرار دارند و جداره آنها محل انتقال حرارت بین دو سیال می باشد و براساس میزان خورندگی محیط لوله ها از جنس های مختلفی مانند مس، فولاد ضد زنگ و … ساخته می شوند.هر چه قطر خارجی لوله کوچکتر باشد در یک حجم معین تعداد بیشتری را می توان قرار داد در نتیجه سطح انتقال حرارت بیشتری نیز وجود خواهد داشت.تعداد لوله ها در یک مبدل حرارتی بستگی به میزان دبی سیال و افت فشار مجاز دارد.
- صفحه لوله
- این صفحه دایره ای شکل بوده و بر روی سطح خود دارای سوراخ هایی مساوی با تعداد لوله ها دارند. این صفحات بین پوسته و کلگی قرار می گیرد تا از اختلاط سیالات سمت لوله و پوسته جلوگیری کنند. با روش هایی مثل جوش دادن و رزوه کردن میتوان صفحه لوله را به لوله ها متصل کرد.
- آرایش لوله ها : به نحوه قرارگیری سوراخ های روی صفحه لوله و یا چیدمان صفحه لوله گفته می شود. این سوراخ ها محل تماس لوله به صفحه لوله هستند. بنابراین نحوه آرایش آنها بستگی به نحوه قرار گرفتن لوله ها دارد.
- کانال هاجریان سیال به داخل لوله ها از طریق کانال صورت می گیرد.
- تیغه ها برای افزایش زمان تبادل حرارتی بین لوله ها وسیال درون پوسته از تعداد معینی تیغه استفاده می شود. این تیغه ها نگهدارنده لوله های درون پوسته هستند و از طرفی با ایجاد جریان متلاطم انتقال حرارت را افزایش می دهند.
- سرپوستهآخرین قطعه پوسته است که معمولا به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می شود.از ظاهر هر مبدل می توان تعداد زوج و فرد بودن پاس ها را تشخیص داد به این صورت که اگر ورودی و خروجی از یک طرف باشد تعداد پاس ها زوج و اگر ورودی از یک طرف و خروجی از یک طرف باشد تعداد پاس ها فرد است.
لوله ها میتوانند نسبت به یکدیگر چهار نوع آرایش داشته باشند.
۱: مثلثی با زاویه ۳۰ درجه
۲: مثلثی با زاویه ۶۰درجه
۳: مربعی با زاویه ۹۰ درجه
۴: مربعی با زاویه ۴۵ درجه
که انتخاب هریک از این ۴ وضعیت بستگی به شرایط رسوب گذاری و عواملی نظیر افت فشار دارد.
مبدل های پوسته و لوله از لحاظ ساختمان داخلی به سه دسته تقسیم می شوند:
- سر ثابت(Fixed tube sheet)
- سر متحرک(Floating head)
- U شکل(U tube )
- بافل ها
از اجزای بسیار مهم مبدل هستند که در شکل گیری جریان مناسب برای رسیدن به ضریب انتقال حرارت بالا نقش مهمی را ایفا میکنند.بافل ها به ۴ گروه اصلی بافل های عرضی، بافل های طولی، بافل های نگهدارنده و بافل های صفحه برخورد تقسیم می شوند.
بافل های عرضی:ایجاد جریان متقاطع درون پوسته مبدل می باشد همچنین نقش نگهدارنده را دارند و از ارتعاش لوله ها در شدت جریان های بالا جلوگیری می کنند.
بافل های طولی:صفحه ای تخت و افقی است که بین لوله ها قرار می گیرد که از یک سر به صفحه لوله متصل است با قرار دادن آن می توان تعداد گذر های پوسته را افزایش داد.
بافل های نگهدارنده: بافل هایی هستند که تنها برای نگهداشتن و تقویت لوله ها به کار برده میشوند و به شکل های دایره ای کامل و سوراخ دار هستند.
بافل های صفحه برخورد: صفحه ای است که در زیر نازل ورودی پوسته و بالای لوله ها نصب می شود و از آسیب دیدن لوله ها جلوگیری می کند.
- میله مهار و فاصله انداز بافل ها
یک میله تو پر است که در بین لوله ها قرار می گیرد که از ارتعاش دسته لوله ها(مجموعه ای از لوله ها و اتصالات داخلی مبدل است که در داخل پوسته قرار می گیرد.) جلوگیری می کند. میله مهار از یک سر به صفحه لوله متصل شده و از سر دیگر آزاد است. تعداد این میله ها با افزایش قطر افزایش می یابد.
مبدل های پوست لوله انواع مختلفی دارند مانند: مبدل با صفحه نگهدارنده ثابت لوله ها – مبدل با خم U شکل لوله ها و …
مبدل حرارتی صفحه ای
این مبدل از یک فریم ثابت و یک فریم متحرک و صفحات موج دار که بین دو فریم قرار می گیرند تشکیل شده است که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا میکند. اساس کار مبدل حرارتی صفحه ای بدین صورت است که از دوجهت 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 موج دار به صورت یکی درمیان بین صفحات فنری جریان می یابند و با یکدیگر تبادل گرمایی می کنند این صفحات به صورت متقارن پشت سرهم قرار می گیرند و سیال سرد و گرم مابین این صفحات در گردش هستند.این آرایش سطح صفحات سبب ایجاد امواجی در سیال شده و به این تربیت انتقال حرارت و برودت دما بین دو سیال به سرعت صورت می گیرد.
اجزای اصلی مبدل های حرارتی صفحه ای
- دسته صفحات: از تعدادی صفحات حرارتی براساس سطح انتقال حرارت مورد نیاز تسکیل شده است.
- واشر های روی صفحات; مجاری سیال از یکدیگر را به طور مطمعن 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 چند پاسی باشد اتصالات بایستی روی فریم ثابت و فریم متحرک قرار داده شوند.
یکی از معایب مبدل های صفحه این است وجود اختلاف فشار بین مسیر های مختلف باعث ایجاد تمرکز تنش در محل اتصالات می گردد که موجب ترک برداشتن آن و نشت سیال از یک مسیر به مسیر دیگر می گردد.
پارامتر های مهم در مقایسه مبدل های حرارتی پوسته و لوله و مبدل های حرارتی صفحه ای
۱) موج دار بودن صفحات: موج های روی صفحه باعث ایجاد تلاطم شده و در نتیجه ضریب انتقال حرارت را به راحتی با وجود کم بودن عدد Re زیاد می کنند. و افزایش ضریب انتقال حرارت در دوطرف صفحه وجود دارد.
در صورتی که در مبدل های پوسته لوله به سختی میتوان ضریب انتقال حرارت زیادی دردوطرف لوله بدست آورد.
۲) ضخامت صفحات : ضخامت صفحه را می توان در حداقل ممکن نگه داشت. این مسئله باعث صرفه جویی در قیمت مبدل صفحه ای در قیاس با مبدل لوله ای می شود.
۳) تشکیل رسوب : در مبدل های صفحه ای نسبت به مبدل پوسته لوله به دلایل اینکه ۱: تلاطم سیال شدید است. ۲: فضای مرده در مبدل صفحه ای وجود ندارد. ۳:نبود حفره روی سطح ۴: اختلاف دماها در دو سیال کم است تشکیل رسوب کمتر است.
۴)جریان های غیر هم جهت: شرایط جریان غیر هم جهت در مبدل های صفحه ای به سادگی تامین می شود بنابراین با اختلاف دمای موجود انتقال حرارت بیشتری حاصل می گردد.اما در مبدل های پوسته لوله به علت جریان متقاطع حاصل از قراردادن بافل در سمت پوسته دقیقا تامین نمی شود.هرچند مبدل هایی که بافل های زیادی دارند جریان غیر هم جهت را بهتر تامین می کنند.
۵) تلفات حرارتی: مبدل های صفحه ای در مقایسه با مبدل لوله ای مساحت کمتری برای اتلاف حرارت دارند.
۶) تغییر سطوح حرارتی: مبدل های حرارتی قابلیت کم و زیاد کردن صفحه را دارند و به راحتی می توان پس از نصب نیز سطح انتقال حرارت را افزایش داد که مبدل های پوسته لوله این قابلیت را ندارند.
۷) تمیزکاری: مبدل های صفحه ای خیلی راحت تر تمیز می شوند. در مبدل های پوسته لوله امکان بازدید و تمیز کردن مکانیکی مشکل است.
۸) فضای مورد نیاز برای نصب: به علت سادگی تعمیر و تمیزکاری مبدل صفحه ای برای نصب نیاز به فضای اضافی و چندانی ندارد اما برای مبدل پوسته لوله به فضایی بیشتر از دو برابر ابعاد آنها نیاز است.
۹) زمان رکود: مبدل های صفحه ای نسبت به مبدل های لوله ای معادل زمان رکود یا زمان ماند سیال کمتری دارند.
۱۰) وزن مبدل: کارایی حرارتی مبدل های صفحه ای نسبت به مبدل پوسته لوله بهتر است در نتیجه دستگاه به سطح انتقال حرارت کمتر نیاز دارد و مقدار مواد مورد استفاده و وزن و سطح دستگاه کاهش می یابد.
مبدل های صفحه ای بسیار متراکم تر از سیستم پوسته –لوله ای هستند که باعث کاهش سطح دستگاه و هزینه ساخت می شوند.
منابع: mechanism.ir, parsmakhzan.com, tgt-phe.com, wikibooks.org, mobadel-damatajhiz.persia.com
