در صنایع فرآیندی، مبدل‌های جریان دو فاز برای تبخیر، تقطیر، انجماد کریستال و به عنوان بسترهای سیال‌سان (fluidized beds) با واکنش‌های کاتالیستی به کار میروند. سیستم‌های تهویه مطبوع و تبرید نیاز به کندانسور و اواپراتور دارند. مبدل حرارتی در صنایع زیادی همانند فرآیند، نیروگاه، تهویه مطبوع، تبرید، برودت، بازیافت حرارت و صنایع ساخت و تولید دارند. در صنایع نیروگاهی انواع زیادی از بویلرهای فسیلی، بخار‌سازهای هسته‌ای، کندانسورهای بخاری، ری‌ژنراتورها و برج‌های خنک کن به کار میروند.
استانداردهای مرتبط
- TEMA که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل‌های لوله‌ای (آمریکا) تدوین شده‌است. برای طراحی و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- API ۶۶۰ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده‌است و برای طراحای و ساخت مبدل‌های پوسته‌های لوله‌ای استفاده می‌گردند.
- API ۶۶۱ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده‌است و برای طراحی و ساخت مبدل‌های هوا خنک استفاده می‌گردند.
- ASME Sec VIII که برای طراحی مکان یکی مبدل‌های حرارتی فشار بالا استفاده می‌گردد.
تقسیم‌بندی مبدل‌های حرارتی
مبدل‌های حرارتی را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی کرد:
- تقسیم‌بندی مبدل حرارتی بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
- تقسیم‌بندی مبدل حرارتی بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
- تقسیم‌بندی مبدل حرارتی بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم
- تقسیم‌بندی مبدل حرارتی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل
تقسیم‌بندی مبدل حرارتی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل
مبدل های حرارتی که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند:
- تک لوله ای
- دولوله ای
- لوله مار پیچ
- چند لوله ای
- لوله پوسته
- ·مبدل هاي صفحه اي
- مبدل پره دار
- مبدل حرارتی صفحه و شاسی
.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 کاربردهای 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 ها (Tubes)
– پوسته (Shell)
– بافل ها (Baffles)
– هد جلويي (Front Head)
– هد پشتي (Rear Head)
– صفحات تيوب ها (Tube Sheets)
– نازل ها (Nozzels)
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.
هنگامي كه سطح انتقال حرارت لازم براي مبدل هاي دو لوله اي زياد شود، بهتر است از مبدل هاي پوسته و لوله استفاده شود. مبدل هاي پوسته و لوله به طور وسيعي در فرايند هاي انتقال حرارت براي كاربردهاي مايع/مايع و همچنين در كندانسورها و مولدهاي بخار استفاده مي شوند. اين مبدل ها براي انتقال حرارت مشخصي سطح كمتري به نسبت مبدل هاي لوله اي اشغال مي كنند.
مزاياي اينگونه مبدل ها عبارتند از:
-1 در حجم كم ايجاد سطح بزرگي براي انتقال حرارت مي كنند.
-2 طراحي مكانيكي خوبي دارند.
-3 روش ساخت تثبيت شده خوبي دارند.
-4 قابليت استفاده براي دامنه وسيعي از مواد را دارند.
-5 به راحتي تجهيز مي شوند.
-6 روش طراحي خوب و تثبيت شده اي دارند.
مبدل حرارتی لوله‌ای (tube/pipe heat exchanger)
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 محوری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی 180 درجه برگشت داده می شود. در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور می کند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود.
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 (hell flow spiral 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 آن ها مشکل و زمانبر است.
2- بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن آن ها 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 هاي صفحه اي: (Plate heat exchanger)
مبدل هاي حرارتي صفحه و قاب از قرار گرفتن يك سري صفحات فلزي در كنار يكديگر در داخل يك قاب فلزي ساخته مي شوند. اين صفحات در داخل قاب توسط ميله هاي بلند بهم فشرده مي شوند. طول اين ميله ها در شيارهاي (Gasket) فاصله بين دو درپوش را طي مي كنند و توسط مهره به درپوش محكم مي گردند. واشر اطراف هر صفحه قرار داده مي شود تا جريان سيال را در مجراي باريكي بين صفحات هدايت نمايد و همچنين از نشت آن ها به بيرون جلوگيري كند. در گوشه هاي هر صفحه مجرايي جهت ورود و خروج سيال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعيكه صفحات روي هم فشرده مي شوند اين محل هاي سوراخ شده در يك خط مستقيم قرار مي گيرند و بدين وسيله هدرهاي توزيع سيال در طول مبدل را به وجود مي آورند.
صفحات مي توانند از هر فلزي با ابعاد معين ساخته شوند آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالب هاي مخصوص روي صفحات چاپ گردد. هنگامي كه اين صفحات در محل خود در كنار يكديگر قرار مي گيرند شيارهاي موجود روي صفحات متوالي تشكيل يك سري كانال هاي باريك جريان را مي دهند. و سيال ها از طريق مجراي خيلي باريك و ظريف بين صفحات متوالي عبور مي نمايند. در مبدل هاي مختلف آرايش جريان مي توانند متفاوت باشند. يكي از اين آرايش ها به صورت موازي مختلف الجهت مي باشد. در اين نوع ارايش جريان هاي هر كدام از سيال ها فقط يك بار ارتفاع صفحات را طي مي كنند در حاليكه در آرايش هاي چندگذر يك سيال ممكن است 2 بار و يا بيشتر ارتفاع مبدل را طي نمايد.
امتيازات و كاربردها:
يكي از امتيازات مهم و اساسي مبدل هاي حرارتي صفحه و قاب اين است كه سطح انتقال حرارت مبدل به آساني از هم جدا مي شوند. بعد از برداشتن مهره ها و ميله هاي نگه دارنده و جداسازي صفحه متحرك انتهايي صفحات با لغزيدن روي صفحه باريكي براي معاينه از هم جدا مي شوند. اين امتياز كه صفحات به آساني تميز شوند و يا تعويض گردند باعث شده كاربرد اين مبدل ها در صنايع غذايي و لبنيات توسعه يابد. اما از ديگر امتيازات مهمي كه اين مبدل ها نسبت به مبدل هاي پوسته و لوله دارند اين است كه در مقايسه با مبدل هاي پوسته و لوله بار حرارتي معيني حدودا بين يك سوم تا يك چهارم انتقال حرارت لازم دارند. علتش را مي توان به صورت زير خلاصه نمود. توربولانس زياد به علت حركت سيال در مجاري باريك و ناهموار سبب افزايش ضريب انتقال حرارت مي گردد. فاصله نزديك به هم صفحات مانند اين است كه از لوله هاي با قطر كوچك استفاده شده است كه اين ضريب انتقال حرارت را افزايش مي دهد. توربولانس زياد سبب تقليل سرعت كثيف شدن مي شود. كاهش سطح انتقال حرارت باعث كاهش حجم و وزن مي شود.
معايب:
با وجود تمام محاسن ذكر شده يك عيب مهم در مورد اين مبدل ها وجود دارد و آن اين است كه سطوحي كه بايد توسط واشر آب بندي شود زياد است. اغلب از مواد لاستيكي براي اين كار استفاده مي شود اما ماكزيمم فشار و درجه حرارت كاربردي نبايد از Mpas 2.7 و k 400 تجاوز نمايد. از واشرهاي فيبري و پمبه نسوز كمپرس شده نيز مي توان استفاده نمود كه براي آن حداكثر درجه حرارت k 600 و Mpas 1.8 مي باشد. يكي از مشكلاتي كه معمولا در هنگام كار اين مبدل ها بوجود مي آورند عدم آببندي كامل و صحيح واشر ها است.
اولا به خاطر اينكه عمر مفيد گازكت ها كم است و ثانيا نبايد دوباره مورد استفاده قرار گيرند كه معمولا به اين نكته توجه نمي شود
مبدل پره دار (Fin Heat Exchangers):
هنگامي كه اختلاف فاحشي بين ضريب انتقال حرارت داخل و خارج لوله (در هركدام از انواع مبدلهاي ذكر شده) وجود داشته باشد از پره استفاده مي شود (در طرفي كه ضريب انتقال حرارت كمتر دارد). به عنوان مثال در مبدل هاي گاز/مايع در طرف گاز از پره هاي بلند استفاده مي شود و يا در مبدل هاي گاز/گاز به علت كم بودن ضريب انتقال حرارت در دو طرف به وسيله فين ها سطح انتقال حرارت و در ننتيجه ميزان آن را افزايش مي دهند.
پره ها معمولا داراي ضخامت in 0.0335 هستند. راندمان حرارتي آن ها با افزايش مقاومت حرارتي كاهش پيدا مي كند. اگرچه لوله هاي با پره داخلي وجود دارد ولي در مبدلهاي لوله اي بيشتر از پره هاي بلند طولي استفاده مي شود كه در خارج لوله تعبيه شده اند. پره ها مي توانند پيچششي و منقطع نيز باشند تا بدين وسيله سيال داخل حلقه بهتر مخلوط شود. اما در عمل مشاهده مي شود كه افت فشار را به مقدار زيادي افزايش مي دهند و به اين ترتيب اثر افزايش انتقال حرارت خنثي مي شود
مبدل حرارتی صفحه‌ای اسپیرال (spiral plate heat exchanger)
مبدل حرارتی لاملا (lamella heat exchanger) یا رامن (Ramen heat exchanger)
مبدل حرارتی بازیاب (regenerative heat exchanger)
مبدل حرارتی تماس مستقیم (direct contact heat exchanger)
کولر هوایی (air cooler) یا مبدل حرارتی هوا خنک (air cooled heat exchanger)
- 6.مبدل حرارتی صفحه و شاسی (plate & frame 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 صور ت 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 حرارتی بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
مبدل‌های حرارتی نوع Recuperative
در این نوع مبدل حرارتی سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده‌اند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت می‌گیرد. اکثراً مبدل‌های حرارتی موجود در صنعت از این دسته هستند.
مبدل حرارتی نوع Regenerative
در این نوع مبدل حرارتی، سطح جداکننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به‌طور متناوب قسمت‌هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می‌گیرند.
این نوع مبدل حرارتی بیشتر در مقیاس‌های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مبدل‌های حرارتی نوع تماس مستقیم
در این نوع مبدل حرارتی، سیال سرد و گرم به‌طور مستقیم تماس حاصل نموده (هیچ دیواره ای بین جریان‌های سرد و گرم وجود ندارد) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می‌گیرد.
در مبدل‌های تماس مستقیم، جریان‌ها، دو مایع غیرقابل اختلاط یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل‌ها معمولاً از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند.
نمونه ای از این مبدل‌ها، برج‌های خنک کن، کولرهای آبی و گرم کن‌های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه‌های بخار می‌باشند.
تفاوت کوره و مبدل حرارتی
فرق كوره و مبدل حرارتی در منبع گرمايشی است، يعنی اينكه منبع گرمايشی در كوره سوخت های مايع و گازی است. در حاليكه در مبدل حرارتی منبع گرمايشی سيال گرم است.
در كوره با توجه به نوع منبع گرمايشی مكانيزم انتقال حرارت به صورت جا به جايی (Convection) و تشعشعی (Radiation) توام می باشد، حال آنكه مكانيزم انتقال حرارت در مبدل حرارتی فقط جا به جایی (Convection) است.
هدف در مبدل حرارتی مجاورت يك سيال گرم با يك سيال سرد است به طوريكه انتقال حرارت به طريقه جابه جايی باعث گرم شدم سيال سرد گردد.
مبدل حرارتی از نظر تغییر فاز سیال
تقسيم بندی مبدل های حرارتی از نظر فاز عموما به دو صورت زير است:
- مبدل حرارتی كه همراه تغيير فاز است. مثل ريبویلر (Reboiler)- كندانسور (Condensor) تبخير كننده (Evapoator)
- مبدل حرارتی كه همراه با تغيير فاز نيستند. مثل مبدل پوسته- لوله (shell and Tube)
مبدل حرارتی يكی از متداول ترين تجهيزات در فرآيندهای شيميايی هستند و در بسياری از واحدهای صنعتی بكار میروند. مبدل ها امكان انتقال انرژی حرارتی بين دو يا چند سيال در دماهای مختلف را فراهم می نمايند.
