آشنایی با انواع مبدل های حرارتی
? به طور کلی مبدل های حرارتی موجود به سه دسته زیر تقسیم بندی می شوند که در ادامه به طور مختصر به توضیحات مربوط به هرکدام پرداخته می شود :
۱) مبدل های لوله ای
۲) مبدل های گرمایی صفحه ای
۳) مبدل های گرمایی با سطوح پره دار
مبدل های لوله ای
? مبدل های لوله ای،از لوله هایی با مقطع دایره ای ساخته می شوند که یک سیال در داخل لوله ها و سیال دیگر در خارج لوله ها جریان دارد که بر اساس نوع طراحی به سه دسته تقسیم می‌شوند :
➕ مبدل دولوله ای
Double -Pipe Heat exchanger
➕ مبدل پوسته‌ای -لوله ای
Shell &Tube Heat exchanger
➕ مبدل لوله ای حلزونی یا مارپیچ
Spiral – Tube Heat exchanger
مبدل دولوله ای
? مبدل های گرمایی دو لوله ای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لوله ای دیگر با قطر بزرگ تر قرار می گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند و معمولا به صورت دوشاخه U شکل طراحی و ساخته می شوند.
? این نوع مبدل برای سطوح انتقال حرارت کوچک (تا ۵۰ متر مربع) و همچنین برای جریان سیال های گرم و سرد در فشارهای بالا مناسب است.
? این مبدل ها به دلیل آسانی تمیزکاری و تعمیر و نگهداری می توانند در شرایط رسوب زیاد بکار روند.
مبدل لوله ای حلزونی یا مارپیچ
? این مبدل ها دارای کویل هایی هستند که به صورت حلزونی پیچیده شده اند و در یک پوسته قرار دارند که بیشتر در سیستم های تبرید استفاده می شوند.
? این مبدل ها برای انبساط گرمایی و سیال های تمیز مناسب هستند به خاطر اینکه تمیز کردن آن ها عملا غیر ممکن است.
مبدل های پوسته ای – لوله ای
? مبدل های گرمایی پوسته ای – لوله ای از دسته لوله هایی که در داخل یک پوسته قرار می گیرد ساخته می شوند ،به طوری که محور لوله ها موازی با محور پوسته است .
? در این نوع مبدل ها یک سیال داخل لوله ها و سیال دیگر در سمت پوسته بصورت همسو یا ناهمسو با لوله ها در طول آن جریان می یابد .
? اجزای اصلی این مبدل به صورت زیر می باشند :
➖ دسته لوله Tube Bundle
➖ پوسته Shell
➖ سر Head
➖ سر انتهایی جلویی Front – End Head
➖ سر انتهایی عقبی Rear – End Head
➖ بافل ها Baffles
➖ صفحه لوله ها Tube Sheet
مبدل های پوسته ای – لوله ای
? اهداف اصلی در طراحی این مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها و تمیز کردن آسان تر مجموعه و هزینه کم در روش ساخت و تولید آن ها نسبت به سایر مبدل ها می باشد. این نوع مبدل ها معمولا به سه شکل زیر ساخته می شوند :
۱) مبدل های پوسته ای لوله‌ای با صفحه لوله های ثابت که در آن پوسته به صفحه لوله ها جوش شده است و هیچگونه دسترسی به خارج از دسته لوله ها برای تمیز کاری وجود ندارد ولی تمیز کردن لوله ها ساده است.
۲) مبدل های پوسته ای لوله‌ای با دسته لوله های یو شکل (U) که فقط دارای یک صفحه لوله هستند لذا دارای کمترین هزینه ساخت می باشند. سطح داخلی لوله های این نوع از مبدل ها را به دلیل خم یو شکل تند نمی توان تمیز کرد.
۳) مبدل های پوسته ای لوله‌ای که در آن ها به صفحه لوله ها اجازه داده شده شناور باشند تا در اثر انبساط گرمایی قادر به حرکت باشند. از این مبدل ها در واحد هایی که امکان تشکیل رسوب بالاست استفاده می‌شود.
مبدل های پوسته ای – لوله ای
? توسعه دیگری که در زمینه مبدل های حرارتی پوسته و لوله انجام شده است استفاده از مبدل های حرارتی با لوله های پیچشی می باشد. لوله های بکار رفته در این مبدل ها با استفاده از یک فرآیند ویژه شکل دهی تولید می شوند و در داخل دسته لوله قرار می گیرند.
? در این مبدل ها حرکت جریان در سمت پوسته همانند حرکت جریان در داخل لوله ها یک حرکت چرخشی است که منجر به افزایش آشفتگی در سیال سمت پوسته و لوله می شود .این لوله ها به نحوی روی همدیگر قفل می شوند که مانع لرزش لوله ها می شود و در نتیجه نیازی به هیچ گونه بافل نگهدارنده نیست.
? جریان در این مبدل ها کاملاً محوری و بدون هرگونه مناطق ساکن و مرده است. استفاده از این مبدل در مقایسه با نوع مرسوم آن منجر به افزایش ضریب انتقال حرارت (افزایش تا ۴۰%)،کاهش افت فشار و کاهش میزان رسوب می شود.
مبدل های گرمایی صفحه ای
? این مبدل ها از صفحات نازک که کانال های جریان را تشکیل می‌دهند ساخته شده اند.
? این مبدل ها معمولا برای انتقال گرما بین گاز – مایع یا جریان های دوفاز استفاده می شوند.
? این نوع مبدل ها خود به سه دسته تقسیم می‌شوند :
۱) مبدل صفحه ای واشردار
Gasketed Plate Heat exchanger
۲) مبدل صفحه ای حلزونی
Spiral Plate Heat exchanger
۳) مبدل لاملا
Lamella Heat exchanger
مبدل های گرمایی صفحه ای حلزونی
? مبدل های گرمایی صفحه ای حلزونی، از دو صفحه بلند موازی تشکیل می شود که با استفاده از یک میله اصلی (Mandrel) به شکل حلزونی پیچیده شده و به لبه های صفحات مجاور بصورتی که یک کانال را تشکیل دهند جوش داده می شوند.
? در فاصله بین صفحات موازی هردو کانال، از پین های فاصله انداز که به ورق جوش می شوند استفاده می‌شود.
? در هریک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه (دورانی) ایجاد می شود که انتقال گرما را افزایش داده و تشکیل رسوب را کاهش می‌دهد. این مبدل ها کاملاً فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود نسبتا گران هستند.
? سطح انتقال گرما برای این مبدل حرارتی در محدوده ۰٫۵ تا ۵۰۰ m2 می باشد. حداکثر فشار کارکرد تا ۱۵ bar و دمای کارکرد تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد در این مبدل محدود هستند.
? مبدل حرارتی حلزونی، به ویژه در کاربرد مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق و جریان دوفازی مایع – جامد استفاده می شوند.
مبدل های صفحه ای واشردار
? این مبدل ها شامل تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار می باشد که سیال های گرم و سرد را از هم جدا می سازد.
? این صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که جریان سیال های گرم و سرد برای انتقال گرما به صورت یک در میان در فضای بین صفحات جریان یابند.
? در طی عبور سیال از مبدا، سیال گرم تر بخشی از انرژی خود را از طریق دیواره صفحه ای نازک به سیال سردتر در سمت دیگر مبدل منتقل می کند و در نهایت سیال ها به سوراخ های تونل مانندی که در انتهای دیگر مجموعه صفحات وجود دارد هدایت شده و از مبدل خارج می گردند.
?صفحات می توانند تا چند صد عدد پشت سر هم قرار بگیرند و به وسیله پیچ هایی که مجموعه صفحات را تحت فشار قرار می دهد در کنار یکدیگر نگه داشته شوند.یکی از ویژگی های این نوع مبدل ها امکان اضافه یا کم کردن سطح، در موارد لازم می باشد.
?معمولاً جنس صفحات استنلس استیل است. در مواردی که خوردگی مشکل ایجاد کند سازندگان مبدل های حرارتی قاب و صفحه را از جنس غیر فلزی مانند کامپوزیت، گرافیت، فلوروپلاستیک یا پلیمر می سازند.
مبدل های صفحه ای واشردار
? مزایای مبدل های صفحه ای واشردار عبارتند از :
➕ الگوی جریان در این مبدل ها با سرعت کم،اغتشاش زیادی را به وجود می آورد .
➕ در این مبدل ها به دلیل آشفتگی زیاد جریان و قطر هیدرولیکی کوچک ،ضرایب انتقال گرما برای هردو سیال بزرگ هستند .
➕ به علت تلاطم سیال در سرعت های کم این نوع مبدل در کاربرد های با ویسکوزیته بالا مناسب هستند .باید توجه داشت که سیالی که درون یک مبدل پوسته لوله با جریان آرام است در مبدل صفحه ای دارای جریان متلاطم است.
➕ میزان رسوب دهی در این مبدل ها نیز به دلیل آشفتگی زیاد ،نرمی صفحات و زمان سکون کم ،بسیار کم است .
➕ معمولا جریان سیال های گرم و سرد در صفحات در خلاف جهت هم هستند .
➕ این مبدل ها برای کاربرد های انتقال گرمای مایع – مایع در فشار های کم و متوسط جایگزین مناسبی برای مبدل های پوسته لوله ای هستند .
➕ در این مبدل ها به علت کم بودن فاصله صفحات ،حجم سیال بین صفحات کم است و باعث می‌شود شرایط جدید فرآیندی به سرعت روی آن تاثیر گذاشته و در نتیجه کنترل آن آسان است .
➕ به علت قابلیت زیاد باز و بسته شدن اجزاء ،این مبدل ها به آسانی تمیز می شوند .
➕ در یک مبدل صفحه ای ،ارتعاش ،سروصدا ،سایش و خوردگی در اثر برخورد سیال به اندازه مبدل های پوسته لوله ای نمی باشد .
➕ مبدل های صفحه ای سبکترین نوع مبدل بین انواع مختلف مبدل ها هستند .
مبدل های صفحه ای واشردار
? این نوع مبدل ها در سرویس های زیر استفاده می شوند :
➕ مایع – مایع
➕ عملکردهای کندانس
➕ عملکرد های تبخیر (Evaporation)
? این نوع مبدل ها در کاربرد های زیر استفاده نمی شوند :
➖ کاربرد های گاز – گاز
➖ برای سیالات با ویسکوزیته خیلی زیاد که ممکن است در توزیع جریان ایجاد اشکال نماید.
➖ برای کندانس کردن بخارات در شرایط خلا
❗در تصویر پایین اطلاعات طراحی مبدل های صفحه ای را مشاهده می کنید.
مبدل های گرمایی لاملا
? این مبدل ها شکل اصلاح شده ای از مبدل های پوسته لوله ای با صفحه لوله شناور است.
? لوله های تخت شده که به آن ها لاملا نیز گفته می‌شود از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته به یکدیگر جوش خورده اند.
? به علت آشفتگی زیاد جریان، توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف، لاملاها به سادگی رسوب نمی گیرند.
? دسته لاملاها را می توان به راحتی برای بازرسی و تمیزکاری بیرون آورد.
? سطوح مابین لاملاها برای تمیزکردن شیمیایی مناسب هستند بنابراین رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند. جریان سمت پوسته عمدتا یک گذر حول صفحات است و به صورت طولی در فضای بین کانال ها جریان می یابد. هیچ بافلی در سمت پوسته وجود ندارد.
? این طرح دارای ظرفیت تحمل فشار تا ۳۵ بار است.
مبدل های گرمایی با سطوح پره دار
? این نوع از مبدل ها در سطح اصلی صفحه یا لوله دارای پره هایی هستند که منجر به افزایش سطح انتقال حرارت می شود.
?از سطوح پره دار به طور وسیعی در مبدل های حرارتی گاز – گاز یا گاز – مایع استفاده می شود.
? از آنجایی که ضریب انتقال حرارت در سمت گازها بسیار کوچک تر از سمت مایعات است، از سطوح پره دار بیشتر در سمت جریان گازی استفاده می شود.
? دو نوع رایج این مبدل ها عبارتند از :
۱) مبدل های گرمایی صفحه ای پره دار
۲) مبدل های گرمایی لوله ای پره دار
مبدل های گرمایی صفحه ای پره دار
? مبدل های صفحه ای پره دار برای کاربردهای گاز – گاز مانند سیستم های بازیابی انرژی، صنایع تبریدی و سیستم های تهویه مطبوع استفاده می شوند.
? معمولا جرم و حجم این مبدل ها کم است لذا مبدل های فشرده هم نامیده می شوند.
? در این مبدل ها جریان های سیال با صفحات تخت که بین آنها پره های موج دار با شکل بندی های متفاوت قرار داده شده اند از هم جدا می شوند.
? انواع پره های موج دار در مبدل های گرمایی صفحه ای پره دار به صورت زیر است :
➕ پره های ثابت Plan fin
➕ پره های ساده سوراخ دار Plain perforated fin
➕ پره های دندانه ای Serrated fin
➕ پره های موجی شکل Herring bone fin
? این مبدل ها به وفور برای مصارف چگالش در واحد های مایع سازی هوا مورد استفاده قرار می گیرند.
مبدل های گرمایی لوله ای پره دار
? مبدل های لوله ای پره دار برای کاربردهای گاز – مایع استفاده می شوند.
? این نوع مبدل ها شامل مجموعه ای از لوله ها با پره های بیرونی می باشند که در آن پره ها به صورت های طولی، عمود بر محور لوله، اریبی یا مارپیچ در روی لوله ثابت شده اند.
? به دلیل اینکه ضرایب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از سمت مایع است، از سیال گاز در سمت پره ها استفاده می شود.
? در مبدل های لوله ای پره دار ،عموماً لوله هایی با مقاطع گرد ،مستطیلی و یا بیضوی استفاده می شوند.
تقسیم بندی دیگر مبدل های حرارتی
? در یک تقسیم بندی دیگر مبدل ها از نقطه نظر آرایش جریان های گرم و سرد به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند :
۱) جریان هم جهت Co Current: در مبدل های گرما با جریان هم جهت هردو سیال در یک جهت جریان می یابند و از انتها خارج می شوند .
۲) جریان مختلف الجهت Counter Current: در مبدل های گرمایی با جریان غیر همسو ،دو جریان سیال در جهات مختلف جریان می یابند .
۳) جریان متقاطع Cross Flow: در مبدل های گرمایی با جریان متقاطع، جریان یک سیال عمود بر جهت جریان سیال دیگر می باشد. در آرایش جریان متقاطع، بسته به طراحی، جریان مخلوط شده و یا مخلوط نشده نامیده می شود.
? برای جریان و دماهای مشخص ورودی و خروجی سیال سرد و گرم، مبدل های حرارتی با جریان مختلف الجهت به کمترین سطح گرما، مبدل هم جهت به بیشترین سطح انتقال حرارت و مبدل با جریان متقاطع به سطحی بین این دو احتیاج دارند.
