مبدل های حرارتی
مبدل های حرارتی
مبدل های حرارتی(Heat Exchangers)
مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :
1-مبدل های حرارتی لوله ایtube" heat exchanger-"
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته
مبدل حرارتی دو لوله ای Double tube" heat exchanger-"
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریان های سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)
متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )
این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .
در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار میگیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
_ مبدل های حرارتی صفحه ای plate heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :
مبدل حرارتی صفحه و شاسیplate & farme heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .
مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .
مبدل حرارتی صفحه پرهflat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها موجب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود .
انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی (Heat exchanger) صورت می گیرد.
در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد .
مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :
1-مبدل های حرارتی لوله ای (tube" heat exchanger") :
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته
نمایی از یک مبدل حرارتی تک لوله ای
مبدل حرارتی دو لوله ای (Double tube" heat exchanger")
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
لوله های هم محور ری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی 180 درجه مطابق شکل فوق برگشت داده می شود . در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور میکند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود . به شکل زیر توجه کنید :
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریانهای سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمانبر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)
متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )
این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .
در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل (Baffle) استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار می گیرند . هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
_ مبدل های حرارتی صفحه ای (("plate" heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :
مبدل حرارتی صفحه و شاسی(("plate & farme" heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .
مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .
مبدل حرارتی صفحه پره((flat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها مو جب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود .
مقدمه :
مبدل های حرارتی برای انتقال حرارتموثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می گردند.
در مبدل های حرارتیدو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادلگرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرمو یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار میگیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشردهتقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر مترمکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جملهنیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایعذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .
مبدل های حرارتی در دستگاه هایمختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برجخنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد.
کاربرد اصول انتقال حرارت در طراحی تجهیزات برای مقاصدخاص مهندسی اهمیت بسیار زیادی و هدف از به کارگیری اصول انتقال حرارت در طراحی،تلاش برای رسیدن به هدف توسعه تولید برای سوددهی اقتصادی است. در حقیقت دانستن نوعمبدل براساس سیال هایی که از آن عبور می کنند نقش مهمی در طراحی و محاسبات اقتصادیمبدل های حرارتی به دنبال خواهد داشت.
« استاندارد های مرتبط » :
TEMA - که توسط انجمن تولید کنندگان مبدل های لوله ای (امریکا) تدوین شدهاست. برای طراحی و ساخت مبدل های پوسته لوله ای مورد استفاده قرار می گیرد.
API 660 - که توسط انجمن نفت امریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساختمبدل های پوسته لوله ای استفاده می گردند.
API 661 - که توسط انجمن نفتامریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساخت مبدل های هوا خنک استفاده می گردند.
ASME Sec VIII - که برای طراحی مکانیکی مبدل ها حرارتی فشار بالا استفادهمی گردد.
کاربرد مبدل های حرارتی :
به طورکلی مبدل های حرارتی یابرایگرمایش یا سرمایش جریان استفاده می شوند
مبدل های حرارتی سرد کننده :
- خنک کننده (Cooler) :
در این نوع مبدل درجه حرارت بدون اینکهحالت سیال عوض شود کاهش می یابد . به عبارت دیگر قسمتی از گرمای محسوس سیال گرفتهمی شود . اگر عمل سرد کردن توسط آب صورت گیرد به آن کولر آبی (Water Cooler) میگویند و دارای ساختمان معمولی مبدل های حرارتی پوسته و لوله می باشد .
-چگالنده (Condenser) :
وظیفه این مبدل تبدیل بخار به مایع است و بر این اساسلازم است که گرمای نهان تبخیر یک بخار را جذب تا به مایع تبدیل شود . این مبدل میتواند ساختمان یکی از انواع خنک کننده های آبی یا هوایی را داشته باشد و معمولا" بهطور افقی نصب می شوند .
- سرد کننده (Chiller) :
می دانیم هر مایعی کهبخواهیم تبخیر شود احتیاج به انرژی حرارتی دارد و اگر این انرژی را از محیط بگیردبه ناچار محیط سرد خواهد شد ، در صنایع نفت برای تولید سرما از مایعات نفتی مثلپروپان و بوتان که در شرایط متعارفی بخارند استفاده می شود .
سرد کننده دارایساختمان پوسته و لوله بوده و در قسمت فوقانی پوسته دارای فضایی جهت تبخیر پروپان میباشد. مایع پروپان از ته مبدل وارد و در اطراف لوله ها تبخیر و تولید سرما می کند .
مبدل های حرارتی گرم کننده :
تمام مبدل های حرارتی که وظیفه افزایشدرجه حرارت مواد را به عهده دارند در حقیقت گرم کننده (Heater) می باشند . مانندجوشاننده ، تبخیر کننده ، کوره و ...
- جوشاننده (Reboiler) :
این مبدلبر خلاف تبخیر کننده (Vaporizer) ، تنها جزئی از کل مایع را که مورد نظر می باشد بهحالت بخار تبدیل می کند . جوشاننده ها معمولا" دارای ساختمان لوله و پوسته و بهقسمت پایین برج تفکیک متصل می شود .
اجزاء مختلف مبدل ها :
- لوله ها (Tubes) :
جنس ، تعداد ، قطر ، طول و ضخامت لوله ها به طبیعت سیال ( خورنده یا بی اثر ، تمیز یا کثیف و ... ) مقدار جریان سیال ، فشار و درجه حرارتسیال و بار حرارتی مبدل بستگی دارد . لوله ممکن است به صورت راست ( دو سر باز) یابه شکل U روی صفحه ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند . لوله ها معمولا" ازجنس فولاد یا مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون ساخته می شوند .
- پوسته (Shell) :
جنس ، قطر ، ضخامت و حجم پوسته به طبیعت سیال ، مقدار جریان سیال ،فشار و درجه حرارت سیال و مشخصات دسته لوله (Tube Bundle) از نظر قطرو طول آن بستگیدارد . نوع کاربرد نیز تعیین کننده خواهد بود . از جمله پوسته مبدل های از نوعتبخیر کننده و همینطور جوشاننده دارای فضای تبخیر می باشند.
- صفحه لوله (Tube Sheet) :
صفحه ای دایره ای شکل که سر لوله ها روی آن قرار می گیرد ، جنسو ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله ها ، تعداد لوله ها و نوع مبدل حرارتی بستگیدارد . لوله ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلانج به آن متصل باشد.
لوله ها عموما" با دو آرایش مربعی یا مثلثی روی صفحه لوله ها نصب می گردند . درآرایش مربعی کمترین مقاومت در مقابل جریان و در نتیجه حداقل افت فشار به وجود میآید . یکی از معایب آرایش مربعی قرار گرفتن نعداد کمتر لوله در یک سطح معین می باشد .
وقتی که آرایش لوله ها مثلثی باشد ،افت فشار جریان پوسته بیشترازوقتی است کهآرایش مربعی باشد ، اما میزان انتقال حرارت در آرایش مثلثی بیشتر است .
- کانال (Channel) :
جریان سیال به داخل لوله ها از طریق کانال صورت می گیرد . تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل موجود است . در مبدل های حرارتی چند گذره (Multipass) از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می شود تا کانال به دو یا چندقسمت تقسیم شود .
- تیغه (Baffle) :
تیغه ها به شکل دایره برش خورده یادیسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته می شوند . برای افزایش زمان تبادل حرارتی بینلوله ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می شود . تیغه هادر داخل پوسته قرار گرفته و لوله ها از میان سوراخ های آنها که به تعداد لوله ها میباشند عبور می کنند . این صفحات دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند .
با ایجادجریان های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله ها را از بین برده و ضریب انتقالحرارت را بالا می برند . همینطور لوله ها را نگهداشته و از خم شدن آنها جلوگیری میکنند .
- تیغه های طولی (Longitudinal Baffle) :
گاهی اوقات برای تقسیمکردن جریان پوسته به دو یا سه گذر قرار می گیرند .
- سر پوسته (Shell Head) :
معمولا" به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می شودو در مواقع لزوم برای بازرسی لوله ها برداشته می شود .
دسته بندی مبدلهای حرارتی :
1) بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان:
جریان سیال داخلمجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب است. در مبدل های حرارتی با جریان پیوستهمجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خودو سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. دو مجرای جریان توسط یک جدارهلوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.
2) بر مبنای پدیده انتقال:
تبادلانرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیرمستقیم صورت می گیرد:
در نوعمستقیم : حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکیاز این دو سیال گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادلحرارت به سادگی قابل تفکیک هستند.
در نوع غیرمستقیم : حرارت ابتدا به یک سطحجامد نفوذ ناپذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.
3) بر مبنای ساختمان مبدل:
در بسیاری مواقع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختمان تقسیمبندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند کهعبارت اند از :
3-1) مبدل های حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)
3-2) مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)
3-3) مبدل های حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)
3-4) بازیاب حرارتی (Heat Recovers)
4) برمبنای نوع جریان :
که شامل موارد زیر می شود :
4-1) جریان همسو (Co-Current)
4-2) جریان ناهمسو (Counter Current)
4-3) جریان متقاطع (Cross Current)
3-1) مبدل های حرارتی لوله ای ( Pipe Heat Exchanger ) :
در اینمبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غیر مستقیم می باشد و مکانیزم انتقال حرارت جابهجایی می باشد. این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دستهی مختلف تقسیم بندی می شوند :
3-1-1) تک لوله ای
3-1-2) دولوله ای
3-1-3) لوله مار پیچ
3-1-4) لوله و پوسته
3-1-5) چند لوله ای
مبدل های حرارتی(Heat Exchangers)
مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :
1-مبدل های حرارتی لوله ایtube" heat exchanger-"
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته
مبدل حرارتی دو لوله ای Double tube" heat exchanger-"
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریان های سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)
متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )
این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .
در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار میگیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
_ مبدل های حرارتی صفحه ای plate heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :
مبدل حرارتی صفحه و شاسیplate & farme heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .
مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .
مبدل حرارتی صفحه پرهflat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها موجب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود
مبدل های حرارتی(Heat Exchangers)
مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :
1-مبدل های حرارتی لوله ایtube" heat exchanger-"
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته
مبدل حرارتی دو لوله ای Double tube" heat exchanger-"
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریان های سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)
متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )
این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .
در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار میگیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
_ مبدل های حرارتی صفحه ای plate heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :
مبدل حرارتی صفحه و شاسیplate & farme heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .
مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .
مبدل حرارتی صفحه پرهflat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها موجب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود .
انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی (Heat exchanger) صورت می گیرد.
در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد .
مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :
1-مبدل های حرارتی لوله ای (tube" heat exchanger") :
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته
نمایی از یک مبدل حرارتی تک لوله ای
مبدل حرارتی دو لوله ای (Double tube" heat exchanger")
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
لوله های هم محور ری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی 180 درجه مطابق شکل فوق برگشت داده می شود . در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور میکند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود . به شکل زیر توجه کنید :
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریانهای سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمانبر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)
متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )
این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .
در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل (Baffle) استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار می گیرند . هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
_ مبدل های حرارتی صفحه ای (("plate" heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :
مبدل حرارتی صفحه و شاسی(("plate & farme" heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .
مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .
مبدل حرارتی صفحه پره((flat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها مو جب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود .
مقدمه :
مبدل های حرارتی برای انتقال حرارتموثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می گردند.
در مبدل های حرارتیدو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادلگرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرمو یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار میگیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشردهتقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر مترمکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جملهنیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایعذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .
مبدل های حرارتی در دستگاه هایمختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برجخنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد.
کاربرد اصول انتقال حرارت در طراحی تجهیزات برای مقاصدخاص مهندسی اهمیت بسیار زیادی و هدف از به کارگیری اصول انتقال حرارت در طراحی،تلاش برای رسیدن به هدف توسعه تولید برای سوددهی اقتصادی است. در حقیقت دانستن نوعمبدل براساس سیال هایی که از آن عبور می کنند نقش مهمی در طراحی و محاسبات اقتصادیمبدل های حرارتی به دنبال خواهد داشت.
« استاندارد های مرتبط » :
TEMA - که توسط انجمن تولید کنندگان مبدل های لوله ای (امریکا) تدوین شدهاست. برای طراحی و ساخت مبدل های پوسته لوله ای مورد استفاده قرار می گیرد.
API 660 - که توسط انجمن نفت امریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساختمبدل های پوسته لوله ای استفاده می گردند.
API 661 - که توسط انجمن نفتامریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساخت مبدل های هوا خنک استفاده می گردند.
ASME Sec VIII - که برای طراحی مکانیکی مبدل ها حرارتی فشار بالا استفادهمی گردد.
کاربرد مبدل های حرارتی :
به طورکلی مبدل های حرارتی یابرایگرمایش یا سرمایش جریان استفاده می شوند
مبدل های حرارتی سرد کننده :
- خنک کننده (Cooler) :
در این نوع مبدل درجه حرارت بدون اینکهحالت سیال عوض شود کاهش می یابد . به عبارت دیگر قسمتی از گرمای محسوس سیال گرفتهمی شود . اگر عمل سرد کردن توسط آب صورت گیرد به آن کولر آبی (Water Cooler) میگویند و دارای ساختمان معمولی مبدل های حرارتی پوسته و لوله می باشد .
-چگالنده (Condenser) :
وظیفه این مبدل تبدیل بخار به مایع است و بر این اساسلازم است که گرمای نهان تبخیر یک بخار را جذب تا به مایع تبدیل شود . این مبدل میتواند ساختمان یکی از انواع خنک کننده های آبی یا هوایی را داشته باشد و معمولا" بهطور افقی نصب می شوند .
- سرد کننده (Chiller) :
می دانیم هر مایعی کهبخواهیم تبخیر شود احتیاج به انرژی حرارتی دارد و اگر این انرژی را از محیط بگیردبه ناچار محیط سرد خواهد شد ، در صنایع نفت برای تولید سرما از مایعات نفتی مثلپروپان و بوتان که در شرایط متعارفی بخارند استفاده می شود .
سرد کننده دارایساختمان پوسته و لوله بوده و در قسمت فوقانی پوسته دارای فضایی جهت تبخیر پروپان میباشد. مایع پروپان از ته مبدل وارد و در اطراف لوله ها تبخیر و تولید سرما می کند .
مبدل های حرارتی گرم کننده :
تمام مبدل های حرارتی که وظیفه افزایشدرجه حرارت مواد را به عهده دارند در حقیقت گرم کننده (Heater) می باشند . مانندجوشاننده ، تبخیر کننده ، کوره و ...
- جوشاننده (Reboiler) :
این مبدلبر خلاف تبخیر کننده (Vaporizer) ، تنها جزئی از کل مایع را که مورد نظر می باشد بهحالت بخار تبدیل می کند . جوشاننده ها معمولا" دارای ساختمان لوله و پوسته و بهقسمت پایین برج تفکیک متصل می شود .
اجزاء مختلف مبدل ها :
- لوله ها (Tubes) :
جنس ، تعداد ، قطر ، طول و ضخامت لوله ها به طبیعت سیال ( خورنده یا بی اثر ، تمیز یا کثیف و ... ) مقدار جریان سیال ، فشار و درجه حرارتسیال و بار حرارتی مبدل بستگی دارد . لوله ممکن است به صورت راست ( دو سر باز) یابه شکل U روی صفحه ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند . لوله ها معمولا" ازجنس فولاد یا مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون ساخته می شوند .
- پوسته (Shell) :
جنس ، قطر ، ضخامت و حجم پوسته به طبیعت سیال ، مقدار جریان سیال ،فشار و درجه حرارت سیال و مشخصات دسته لوله (Tube Bundle) از نظر قطرو طول آن بستگیدارد . نوع کاربرد نیز تعیین کننده خواهد بود . از جمله پوسته مبدل های از نوعتبخیر کننده و همینطور جوشاننده دارای فضای تبخیر می باشند.
- صفحه لوله (Tube Sheet) :
صفحه ای دایره ای شکل که سر لوله ها روی آن قرار می گیرد ، جنسو ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله ها ، تعداد لوله ها و نوع مبدل حرارتی بستگیدارد . لوله ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلانج به آن متصل باشد.
لوله ها عموما" با دو آرایش مربعی یا مثلثی روی صفحه لوله ها نصب می گردند . درآرایش مربعی کمترین مقاومت در مقابل جریان و در نتیجه حداقل افت فشار به وجود میآید . یکی از معایب آرایش مربعی قرار گرفتن نعداد کمتر لوله در یک سطح معین می باشد .
وقتی که آرایش لوله ها مثلثی باشد ،افت فشار جریان پوسته بیشترازوقتی است کهآرایش مربعی باشد ، اما میزان انتقال حرارت در آرایش مثلثی بیشتر است .
- کانال (Channel) :
جریان سیال به داخل لوله ها از طریق کانال صورت می گیرد . تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل موجود است . در مبدل های حرارتی چند گذره (Multipass) از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می شود تا کانال به دو یا چندقسمت تقسیم شود .
- تیغه (Baffle) :
تیغه ها به شکل دایره برش خورده یادیسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته می شوند . برای افزایش زمان تبادل حرارتی بینلوله ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می شود . تیغه هادر داخل پوسته قرار گرفته و لوله ها از میان سوراخ های آنها که به تعداد لوله ها میباشند عبور می کنند . این صفحات دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند .
با ایجادجریان های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله ها را از بین برده و ضریب انتقالحرارت را بالا می برند . همینطور لوله ها را نگهداشته و از خم شدن آنها جلوگیری میکنند .
- تیغه های طولی (Longitudinal Baffle) :
گاهی اوقات برای تقسیمکردن جریان پوسته به دو یا سه گذر قرار می گیرند .
- سر پوسته (Shell Head) :
معمولا" به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می شودو در مواقع لزوم برای بازرسی لوله ها برداشته می شود .
دسته بندی مبدلهای حرارتی :
1) بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان:
جریان سیال داخلمجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب است. در مبدل های حرارتی با جریان پیوستهمجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خودو سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. دو مجرای جریان توسط یک جدارهلوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.
2) بر مبنای پدیده انتقال:
تبادلانرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیرمستقیم صورت می گیرد:
در نوعمستقیم : حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکیاز این دو سیال گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادلحرارت به سادگی قابل تفکیک هستند.
در نوع غیرمستقیم : حرارت ابتدا به یک سطحجامد نفوذ ناپذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.
3) بر مبنای ساختمان مبدل:
در بسیاری مواقع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختمان تقسیمبندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند کهعبارت اند از :
3-1) مبدل های حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)
3-2) مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)
3-3) مبدل های حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)
3-4) بازیاب حرارتی (Heat Recovers)
4) برمبنای نوع جریان :
که شامل موارد زیر می شود :
4-1) جریان همسو (Co-Current)
4-2) جریان ناهمسو (Counter Current)
4-3) جریان متقاطع (Cross Current)
3-1) مبدل های حرارتی لوله ای ( Pipe Heat Exchanger ) :
در اینمبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غیر مستقیم می باشد و مکانیزم انتقال حرارت جابهجایی می باشد. این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دستهی مختلف تقسیم بندی می شوند :
3-1-1) تک لوله ای
3-1-2) دولوله ای
3-1-3) لوله مار پیچ
3-1-4) لوله و پوسته
3-1-5) چند لوله ای
مبدل های حرارتی(Heat Exchangers)
مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :
1-مبدل های حرارتی لوله ایtube" heat exchanger-"
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته
مبدل حرارتی دو لوله ای Double tube" heat exchanger-"
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریان های سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)
متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )
این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .
در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار میگیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
_ مبدل های حرارتی صفحه ای plate heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :
مبدل حرارتی صفحه و شاسیplate & farme heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .
مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .
مبدل حرارتی صفحه پرهflat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها موجب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود
- مشخصات
- دانلود
نظرات خود را اینجا بنویسید
