مبدل حرارتی عضوجدایی ناپذیر سیستم های تهویه مطبوع ، سرمایش و گرمایش در ساختمان و صنعت است.
تعریف مبدل حرارتی:
مبدل حرارتی وسیله ای است که گرما را بین دو یا چند ماده با دمای متفاوت انتقال می دهد. در اکثر مبدل ها ، یک دیوار جامد برای جلوگیری از مخلوط شدن بین دو ماده وجود دارد که با دو سیال در تماس است و انتفال حرارت از طریق رسانش گرمایی درون آن رخ می دهد.
همچنین مبدل حرارتی برای اتلاف یا ذخیره گرما جهت سرمایش یا گرمایش در سیستم های تهویه مطبوع ، فرآیند های تقطیر و … کاربرد دارند.
یک مبدل حرارتی شامل عضو های انتقال دهنده حرارت مثل هسته و عضو های جابجا کننده سیال مثل نازل ورودی و خروجی سیال است . مبدل حرارتی عضو متحرک ندارد. به استثنای رژنراتور دوار که ماتریس داخل آن با سرعتی مشخص شده دوران می کند.
انواع مبدل حرارتی:
به علت کارایی گسترده و امکانات متفاوت مبدل ها ، دسته بندی های گوناگونی برای آن ها ارائه شده است.
تقسیم بندی مبدل های حرارتی بر اساس ساختارشان:
مبدل حرارتی لوله ای:
مبدل حرارتی دو لوله ای ( Double Tube ):
این نوع مبدل از دو لوله ی متحد المرکز با شعاع های متفاوت تشکیل شده است. اکثرا به صورت U شکل ساخته می شوند . این نوع مبدل جریان مخالف بوده و برای فشارهای بالا تا ۹۶۵ بار و دماهای بالا تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد استفاده می شود.
طراحی و کاکرد این نوع مبدل بسیار شبیه به مبدل حرارتی پوسته لوله است و گاهی با آن اشتباه گرفته می شوند. بهترین زمان استفاده از این نوع مبدل جایی است که طی فرآیند ، کراس اوور رخ می دهد. یعنی اختلاف دمای خروجی دو سیال زیاد است.
طراحی ساده ، هزینه نسبتا کم ، نگهداری آسان و کاربرد در فشارهای بالا از مزایای این مبدل است.
در پتروشیمی ها و پالایشگاه های نفت و گاز برای خنک سازی یا حرارت دهی به گاز خیلی زیاد مورد استفاده قرار می گیرند.
همچنین برای سیال های رسوب دار از مبدل های حرارتی دو لوله ای استفاده می شود.
مبدل پوسته لوله ( Shell & Tube ):
اکثر مبدل های استفاده شده در صنعت از نوع پوسته لوله هستند. دلیل این گستردگی ،تنوع این نوع مبدل حرارتی و کارایی های مختلف است، به نحوی که در سایز ها ، جنس ها و قابلیت های زیادی ارائه می شوند.
مزایای مبدل پوسته لوله:
_بازدهی گرمایی مناسب
_طراحی ساده و قیمت پایین ساخت
انعطاف پذیری دما و فشار عملکرد
نظافت و تعمیرشان آسان است
آپشن های نصب زیادی دارند
مناسب استفاده های هیدرولیکی هستند مانند گرمایش استخر یا معادن
مزیت اصلی نوع پوسته لوله در این است که تقریبا محدودیتی در دما و فشار عملکردی آنها وجود ندارد. (بازه دمایی از ۲۰- تا ۵۰۰ درجه سانتی گراد و ماکزیمم فشار ۶۰۰ بار) اجزای اصلی مبدل پوسته و لوله عبارتند از لوله ها ، بافل ، پوسته ، تیوب شیت ، کلاهک جلو و عقب و نازل ها که در شکل زیر مشاهده می کنید.
ساختار مبدل پوسته لوله:
مبدل پوسته لوله شامل تعداد زیادی لوله کوچک درون محفظه ای سیلندری شکل است . این لوله ها باید قابلیت تحمل دما و فشار هر دو سیال را داشته و در برابر خورندگی مقاوم باشند.
ممکن است راست یا خمیده (U شکل) باشند و به صورت ساده ، فین دار یا دو جداره ساخته شوند. به مجموعه اجزای داخلی پوسته که اکثرا به یک تیوب شیت متصل هستند دسته لوله گفته شده که می تواند در پوسته ثابت شود یا قابلیت خارج کردن و نظافت و تعمیر را داشته باشند.
یک سیال درون لوله های کوچک جاری شده و دیگری در فضای بین دسته لوله و پوسته جریان می یابد.
- بافل ها صفحاتی هستند که درون فضای پوسته برای محکم نگه داشتن لوله ها ، کاهش ارتعاشات و هدایت مسیر سیال استفاده می گردند.
- تیوب شیت نیز عضوی مهم در مبدل حرارتی است که کاربرد اصلی آن نگهداری لوله ها و جداسازی بین دو سیال است و بیشتر به شکل دایره ساخته می شوند. گسترده کاربردشان از هیتر آب تغذیه ، اواپراتور و کندانسور سیستم تا خنک کننده روغن هیدرولیک و روان کار نیروگاه ها را دربرمی گیرد.
مبدل لوله مارپیچ ( Coiled Tube ):
در این مبدل حرارتی ، تعدادی لوله ی رسانای گرما با قطر کم ، به دور یک هسته ی لوله ای بصورت مارپیچی تابیده شده اند. یک سیال با فشار بالا وارد لوله های کوچک شده و سیال کم فشار در فضای بین لوله های کوچک و پوسته بیرونی جریان پیدا می کند.
طی تبادل گرما فشار سیال درون لوله ها افت کرده و مایع می شود.
مزایای مبدل لوله مارپیچ:
- کاربرد در مواردی که دمای پایین و فشار بالا به صورت همزمان وجود دارد. مانند فرآیند های میعان در مقیاس های بزرگ و صنعتی.
- به دلیل تعداد زیاد لوله های کوچک ، امکان نظافت مکانیکی لوله ها وجود ندارد. لذا این مبدل ها مناسب برای استفاده سیال های بدون رسوب و املاح است و بیشتر در مصارف صنعتی بکار می روند.
- جنس لوله ها استیل ضدزنگ برای دماهای بالا و آلیاژهای آلومینیوم برای مصارف برودتی می باشد.
مبدل حرارتی صفحه ای ( PHE )
یک مبدل حرارتی صفحه ای از چند صفحه فلزی موج دار یا برجسته که رویی هم قرار گرفته اند ساخته شده که یک شبکه لانه زنبوری را شکل می دهند.
هر صفحه چند روزنه دارد که با اتصال نازل به عنوان پورت ورودی و خروجی استفاده می شوند. صفحات بیشتر از جنس استیل ضدزنگ ، تیتانیوم و آلیاژ کروم / مس ساخته می شوند.
تعداد و سایز صفحات به دبی ، خواص فیزیکی سیال ها، افت فشار و تغییرات دما بستگی دارد.
مبدل صفحه ای به صورت جریان مخالف ، جریان متقاطع یا جریان موازی طراحی و ساخته می شود که نوع جریان مخالف ، بازدهی بیشتری دارد.
همچنین یک قاب، مجموعه صفحات را محکم نگه می دارد و با کمک میله های نگهدارنده و پیچ و مهره ها ، فشرده سازی خوبی را تضمین می کند. ساختار مبدل صفحه ای به شکلی است که برای کاربردهای مایع – مایع و مایع – گاز عملکرد بهتری داشته و مناسب مصارف گاز – گاز نیستند.
مزایای مبدل حرارتی صفحه ای:
- بازده گرمایی بالا تا ۹۳ درصد
- کاهش اختلاف دمای خروجی دو سیال تا ۱ درجه سانتی گراد
- امکان انتقال حرارت همزمان بین دو یا چند سیال
- طراحی جمع و جور و وزن نسبی کمتر
- سرویس آسان و دسترسی راحت به اجزای داخلی
- قابلیت ارتقای ظرفیت حرارتی با افزایش تعداد صفحات
- هزینه ساخت و نگهداری پایین تر بدلیل طراحی ساده
انواع مبدل حرارتی صفحه ای:
مبدل صفحه ای واشردار ( Gasketed )
در حاشیه صفحات مبدل ، شیاری برای قرارگیری واشر طراحی شده است که از نشتی سیال به محیط جلوگیری می کند. این واشر ها به صورت مقاوم در برابر دما ، فشار و خورندگی طراحی شده اند تا حین تماس با سیال موجب فرسایش و آسیب آن نشوند.
برای جنس واشر از انواع فیبر فشرده آزبست ، پلاستیک های فلوئورکربنی ، اتیلن پروپیلن و الاستومرهای سیلیکونی استفاده می شود.
مزیت این نوع مبدل در آسانی جداسازی صفحات برای تمیز کردن ، تعمیر و یا تعویض آن هااست. با انتخاب واشر مناسب یک مبدل صفحه ای واشردار قابلیت تحمل دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۲۵ بار را دارد.
مبدل صفحه ای لحیم شده ( Brazed ):
جهت استفاده در دما و فشار بالا طراحی شده اند. واشربندی ، قاب ، پیچ ها و میله های نگه دارنده حذف شده و صفحات استیل ضد زنگ با لحیم مسی یا نیکلی درون کوره خلا آب بندی می شوند.
مبدل صفحه ای جوشی ( Welded ):
صفحات به هم جوش داده شده اند تا در برابر دماهای بالا و مواد خورنده مقاوم بوده و احتمال نشتی را کاهش دهند. این نوع مبدل ها فشار تا ۴۰ بار و دمای ۳۵۰ درجه سانتی گراد را می توانند تحمل کنند.
مبدل صفحه ای اسپیرال ( Spiral ):
این نوع مبدل حرارتی با صفحات نواری به صورت مارپیچی ساخته شده است. جنس صفحه می تواند از فولاد کربنی ، آلیاژ نیکل ، آلومینیوم ، تیتانیوم یا مس باشد.
برای سیال های لزج و رسوب دار با بیش از ۵۰ درصد ذرات جامد از قبیل PVC مایع ، سیالات لزج خورنده ، فاضلاب، مواد ویسکوز مانند نفت سنگین و یا سیال های غیر نیوتنی در فرآیندهای داروسازیی یا غذایی کاربرد دارند.
مبدل صفحه ای لاملا ( Lamella )
این نوع مبدل پربازده و فشرده است که شامل لامل های انتقال حرارت درون یک پوسته استوانه ای است. این مبدل حرارتی در واقع ترکیب مبدل صفحه ای با مبدل پوسته لوله بدون بافل است که در آن ورق های فلزی تخت نازک ، جایگزین لوله ها شده اند.
نبود بافل ها در این نوع مبدل احتمال افت فشار را کاهش می دهند و به صورت جریان مخالف عمل می کنند. این مبدل بیشتر برای کاربرد های خاص مانند کندانسور فلوگاز یا خنک کننده روغن استفاده می شوند و قابلیت تحمل فشارهای بالا تا ۳۰۰ psi را دارند.
انواع مبدل حرارتی صفحه گسترده:
مبدل صفحه گسترده لوله فین دار ( Tube Fin ):
اگر ضریب گرمایی سیال مورد نظر پایین باشد، برای افزایش میزان انتقال حرارت به سطح تماس بیشتری نیاز هست که با کمک سطوح ثانویه بنام « فین » بازدهی مبدل افزایش خواهد یافت.
مقاطع لوله ها بصورت گرد یا مستطیلی است و فین ها در داخل ، خارج و یا هر دو طرف لوله استفاده می شوند. هر کدام از دو سیال که فشار بالاتر یا ضریب انتقال حرارتی بیشتری داشته باشد ، درون لوله جریان پیدا می کند.
مبدل حرارتی صفحه گسترده ،صفحه فین دار ( Plate Fin ):
فین ها به شکل لایه های موج دار برجسته ، بین صفحات تخت جداکننده قرار گرفته و به آنها لحیم می شوند. بسته به جهت قرارگیری فین می توانند جریان مخالف یا جریان متقاطع طراحی شده و سیال در شیار بین فین ها جریان یابد.
این نوع مبدل بیشتر برای مصارف گاز – گاز با فشار پایین طراحی شده اند. حداکثر دمای عملیاتی به جنس لحیم صفحات بستگی دارد.
مزایای مبدل حرارتی صفحه گسترده صفحه فین دار:
- احتمال کم نشتی یا مخلوط شدن دو سیال
- سطح انتقال حرارت در واحد حجم بالا (۲۵ برابر مدل پوسته لوله با ابعاد و اندازه مشابه)
- تبادل حرارت همزمان بین چند سیال
- قیمت آن نسبت به دیگر انواع مبدل حرارتی بالاتر است چون روش ساخت پیچیده و انرژی بری دارند.
- در مصارف تبریدی ، پتروشیمی ها ، پالایش نفت و گاز ، صنایع هوافضا ، حمل و نقل زمینی (خودرو یا قطار) استفاده می شوند.
مبدل حرارتی رژنراتور ( Regenerator ):
رژنراتور به معنای احیا کردن یا بازیابی مجدد است که در این جا به معنای بهره برداری مجدد از گرمای تخلیه یک سیستم است. مشخص است که با این کار در مصرف انرژی صرفه جویی شده و بازدهی به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد.
رژنراتور شامل یک ماتریس یا شبکه است که جریان داغ و جریان سرد به صوت متناوب و با فواصل زمانی مشخص وارد آن می شوند. با عبور جریان داغ، ماتریس گرما را می گیرد و سپس با عبور جریان سرد ، گرما از ماتریس گرفته می شود.
در مورد سرمایش نیز عکس همین روند انجام میشود.
انتقال گرما در رژنراتور تناوبی است و مشخصه های فیزیکی هر نقطه ، به مکان و زمان بستگی دارد. اما در دیگر مبدل این موضوع فقط به مکان وابسته است.
اجزا و انواع رژنراتور:
به دلیل این که جریان سیال ها به صورت تناوبی است، یا ماتریس باید ثابت بماند و جریان سیال از آن عبور کند، یا ماتریس باید بین جریان گرم و سرد چرخانده شود. این عضو گردان می تواند بصورت یک دیسک تخت یا یک درام ( طبل ) باشد.
رژنراتور هم برای دماهای بالا تا ۱۰۰۰ (ماتریس فلزی) و ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد (ماتریس سرامیکی توربین های گازی) و هم برای دماهای پایین (چرخ گرمایی تهویه مطبوع) بکار می رود.
