مبدل حرارتی

مبدل‌های حرارتی قطعاتی از تجهیزاتی هستند که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال استفاده می‌شوند. این فرآیند معمولاً شامل محیط‌های کاری فراوان یا کاربردی مانند آب یا هوا است که گرما را از یک سیال ارزشمندتر مانند نفت خام، مواد اولیه پتروشیمی و محصولات سیال دفع یا جذب می‌کند. مبدل‌های حرارتی انواع و طرح‌های زیادی دارند. سیالات سرد و گرم ممکن است توسط دیواری با رسانایی حرارتی بالا (معمولاً از لوله فولادی یا آلومینیومی) جدا شوند یا ممکن است تماس مستقیم با یکدیگر داشته باشند.

سیالات ممکن است فازهای یکسان یا متفاوتی داشته باشند (به عنوان مثال، مایع به مایع، بخار به مایع). تغییرات در فازهای هر دو سیال توسط سازنده در مرحله طراحی در نظر گرفته می‌شود. مبدل‌های حرارتی خود را از تجهیزات انتقال حرارت سوخت، الکتریکی یا هسته‌ای مانند بویلرها متمایز می‌کنند. منبع گرما و محیط دریافت کننده باید هر دو سیال باشند. سیالات به هر ماده‌ای گفته می‌شود که تحت تنش برشی اعمال شده یا نیروی خارجی که مایعات، گازها و بخارات را در بر می‌گیرد، جریان می‌یابد.

[box type=”info” align=”” class=”” width=””]ویدئو پیشنهادی: آموزش مهندسی مکانیک [/box]

مبدل‌های حرارتی به طور گسترده در بسیاری از صنایع مانند صنایع غذایی، دارویی، پردازش زیستی و تولید شیمیایی استفاده می‌شود، جایی که گرمایش یا سرمایش مرحله نهایی یا میانی برای آماده سازی سیالات برای پردازش بیشتر است. آنها همچنین می‌توانند در استریل کردن میکروارگانیسم‌ها در محصولات غذایی و دارویی استفاده شوند. موارد زیادی وجود دارد که استفاده از مبدل‌های حرارتی عملی تلقی می‌شود. به عنوان مثال، گازهای خروجی با دمای بالا از نیروگاه ها و موتورها حاوی مقدار زیادی گرما هستند که با نصب یک مبدل حرارتی قبل از دودکش قابل بازیابی است.

ترمودینامیک مبدل‌های حرارتی

همه انواع مبدل‌های حرارتی با استفاده از اصول ترمودینامیکی و مکانیسم انتقال حرارت یکسان عمل می‌کنند. این اصول اساسا نحوه انتقال انرژی حرارتی در سطح ماکروسکوپی را توصیف می‌کنند. سه جسم در یک سیستم مبدل حرارتی در حال تعامل هستند: سیال گرم، سیال سرد و دیواره ای که دو سیال را از هم جدا می‌کند. انرژی از سیال داغ، از طریق دیوار یا مانع، و سپس به سیال سرد جریان می‌یابد. در زیر برخی از اصول ترمودینامیکی وجود دارد که برای درک نحوه عملکرد مبدل‌های حرارتی مفید هستند:

قانون اول ترمودینامیک: قانون اول به قانون بقای انرژی گفته می‌شود که بیان می‌کند انرژی (به شکل گرما و کار) نه ایجاد می‌شود و نه از بین می‌رود. فقط می‌توان آن را به سیستم دیگری منتقل کرد یا به یک شکل یا آن شکل تبدیل کرد. با فرض اینکه در یک جریان حالت پایدار کار می‌کند، به این معنی که خواص حرارتی در تمام نقاط با تغییر زمان ثابت می‌ماند و سیستم آدیاباتیک (کاملاً عایق) است، معادله تعادل حرارتی به Heat In = Heat Out ساده می‌شود. این یکی از اساسی‌ترین معادلات است که در طراحی و عملکرد مبدل های حرارتی استفاده می‌شود.

[box type=”info” align=”” class=”” width=””]مقاله پیشنهادی: موتور استرلینگ [/box]

قانون دوم ترمودینامیک: قانون دوم مفهوم آنتروپی، درجه بی نظمی و تصادفی بودن یک سیستم را معرفی می‌کند. آنتروپی جهان دائما در حال افزایش است و هرگز نمی‌تواند کاهش یابد. جهت جریان انرژی بین دو سیستم متقابل که در آن بیشترین آنتروپی تولید می‌شود را به ما می‌‌گوید. گرما همیشه از جسمی با دمای بالاتر به دمای پایین‌تر منتقل می‌شود که این تمایل طبیعی همه سیستم‌ها است. برای مبدل‌های حرارتی، سیال سرد گرما می‌گیرد و دمای خود را افزایش می‌دهد و سیال داغ گرما را از دست می‌دهد و دمای خود را کاهش می‌دهد.

مکانیسم انتقال حرارت

مکانیزم درگیر در انتقال گرما در مبدل‌های حرارتی ترکیبی از هر دو رسانش و همرفت است. نیروی محرکه انتقال حرارت، اختلاف دما بین دو یا چند منطقه است.

لوله‌های مبدل حرارتی

رسانایی: این انتقال انرژی گرمایی با برخورد مستقیم مولکول‌های مجاور است. مولکولی با انرژی جنبشی بالاتر انرژی حرارتی را به مولکولی با انرژی جنبشی کمتر منتقل می‌کند. در جامدات با سهولت بیشتری رخ می‌دهد. برای مبدل‌های حرارتی، روی دیواری که دو سیال را از هم جدا می‌کند، قرار می‌گیرد. قانون هدایت حرارتی فوریه بیان می‌کند که سرعت انتقال حرارت نرمال به سطح مقطع ماده با گرادیان دمایی منفی متناسب است. ثابت تناسب رسانایی حرارتی ماده است.

Q = -k A

در جایی که Q نرخ انتقال حرارت است، k هدایت حرارتی ماده، A ناحیه نرمال جهت جریان گرما، و dT/dx گرادیان دما است.

همرفت: همرفت در مبدل‌های حرارتی از طریق حرکت توده‌ای سیال در برابر سطح دیوار اتفاق می‌افتد و در نتیجه انرژی حرارتی را انتقال می‌دهد. این پدیده توسط قانون خنک‌سازی نیوتن نشان داده می‌شود که بیان می‌کند نرخ اتلاف گرما متناسب با اختلاف دمای بدن و محیط اطراف آن (برای مثال، دیوار و سیال) است.

Q = h A ΔT

در جایی که Q نرخ انتقال حرارت است، A ناحیه نرمال جهت جریان گرما است و ΔT اختلاف دما بین دیواره و سیال حجیم است. ضریب انتقال حرارت همرفتی که با h نشان داده می‌شود، بر اساس ابعاد دیوار، خواص فیزیکی سیال و ویژگی‌های جریان سیال ارزیابی می‌شود.

انواع مبدل‌های حرارتی

مبدل حرارتی کلاس وسیعی از تجهیزات انتقال حرارت است. آنها عمدتاً به دو گروه تقسیم می‌شوند: مبدل‌های بازیابی و احیا کننده.

مبدل های حرارتی بازیابی

این نوع مبدل‌های حرارتی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مسیرهای جریان مجزا برای دو سیال داشته باشند که در آن به طور همزمان گرما را مبادله می‌کنند. آنها بیشتر به دو دسته تقسیم می‌شوند: مبدل‌های حرارتی تماس غیر مستقیم و تماس مستقیم.

مبدل‌های حرارتی تماس غیر مستقیم از یک دیوار رسانا برای جداسازی دو سیال استفاده می‌کنند. آنها پرکاربردترین مبدل‌های حرارتی هستند:

مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای: مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای که به عنوان گیره مو یا مبدل لوله ژاکت دار نیز شناخته می‌شوند، ساده‌ترین نوع در میان تجهیزات انتقال حرارت هستند. آنها از دو لوله متحدالمرکز با قطرهای مختلف ساخته شده‌اند. سیال فرآیند از طریق لوله داخلی کوچکتر و سیال مفید از فضای حلقوی بین دو لوله جریان می‌یابد. دیواره لوله داخلی به عنوان مانع رسانا بین دو سیال عمل می‌کند که در آن گرما منتقل می‌شود. الگوی جریان مخالف بیشترین استفاده را دارد، اگرچه ممکن است برای جریان همزمان پیکربندی شود.

مبدل‌های حرارتی دو لوله ای برای گرم کردن یا خنک کردن جریان های کوچک سیالات مناسب هستند. آنها ارزان هستند، طراحی انعطاف پذیری دارند و نگهداری آنها آسان است. آنها را می‌توان از لوله‌هایی با طول‌های یکسان که با اتصالات در انتها به هم متصل شده‌اند تا فضای کف را به حداکثر برسانند. با این حال، آنها در مقایسه با سایر تجهیزات مبدل حرارتی فقط با وظایف گرمایش کمتر کار می‌کنند.

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله: مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله از لوله‌هایی تشکیل شده اند که در بسته‌ای قرار گرفته‌اند که در یک ظرف استوانه‌ای بزرگ به نام پوسته قرار گرفته‌اند. مانند مبدل حرارتی دو لوله، دیواره لوله داخلی به عنوان مانع رسانا عمل می‌کند. سیال فرآیند در سمت لوله و سیال مفید در سمت پوسته جریان دارد.

[box type=”info” align=”” class=”” width=””]مقاله پیشنهادی: نرم افزار متمتیکا [/box]

بسته نرم افزاری پوسته و لوله

متداول‌ترین نوع مبدل‌های حرارتی، مبدل‌های حرارتی پوسته‌ای و لوله‌ای از یک لوله یا سری لوله‌های موازی (به عنوان مثال، دسته لوله) ساخته می‌شوند که در یک مخزن فشار استوانه‌ای مهر و موم شده (یعنی پوسته) محصور شده‌اند. طراحی این دستگاه‌ها به گونه‌ای است که یک سیال از طریق لوله(های) کوچکتر جریان می‌یابد و سیال دیگر در اطراف بیرون(های) خود و بین آنها در داخل پوسته مهر و موم شده جریان می‌یابد. سایر مشخصات طراحی موجود برای این نوع مبدل حرارتی عبارتند از لوله‌های پره دار، انتقال حرارت تک فاز یا دو فاز، جریان مخالف، جریان همزمان یا ترتیبات جریان متقاطع و پیکربندی های تک، دو یا چند پاس. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله برای گرم کردن و خنک کردن مایعات با دبی، دما و فشار بالا ایده آل هستند. برای افزایش کارایی عملیاتی، می‌توان آنها را به گونه‌ای طراحی کرد که دارای چندین گذر باشد که در آن یک سیال چندین بار با دیگری تماس پیدا کند. به غیر از پوسته و لوله، سایر اجزای ضروری مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

ورق لوله: لوله‌ها با قرار دادن آنها در سوراخ‌های صفحه‌ای به نام ورق لوله در جای خود ثابت می‌شوند. لوله‌ها بر روی ورق لوله بیرون زده‌اند تا جریان ورودی و خروجی سیال فرآیند را هدایت کنند. گام فاصله بین لوله‌ها است که معمولاً 1.25 برابر قطر بیرونی لوله است و ممکن است به صورت گام مثلثی یا مربعی مرتب شوند.

پلنوم‌ها: پلنوم‌ها هم در ورودی و هم در خروجی سیال لوله قرار دارند. این ظرفی است که مایع لوله قبل از بارگیری و تخلیه در آن جمع می‌شود.

بافل‌ها: بافل‌های نصب شده در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله عملکردهای زیادی را انجام می‌دهند. آنها جریان سیال پوسته را در سراسر پوسته هدایت می‌کنند و تلاطم آن را افزایش می‌دهند. فضایی که در آن سیال مجاز است از یک فضای بافل به فضای دیگر جریان یابد را بافل برش می‌گویند که در آن جریان مخالف جریان دارد. همچنین، آنها لوله‌ها را در موقعیت مناسب در حین کار نگه می‌دارند زیرا آنها مستعد افتادگی ناشی از گرداب‌های جریان هستند. میله‌های اتصال، فاصله و موقعیت بافل را محکم می‌کنند.

توربولاتور: توربولاتور وسیله‌ای است که سرعت بالای سیال لوله را القا می‌کند و در نتیجه از رسوب لوله‌ها جلوگیری می‌کند و در عین حال ظرفیت انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.

صفحه برخورد: این صفحه مستقیماً در زیر ورودی سیال پوسته قرار دارد. این ضربه و ارتعاش را جذب می‌کند تا از لوله‌های ردیف بالایی محافظت کند زیرا سیال پوسته با سرعت اولیه بالایی وارد می‌شود.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای: این نوع مبدل‌های حرارتی از صفحات رسانا برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می‌کنند. رایج‌ترین انواع عبارتند از:

مبدلهای حرارتی صفحه و قاب: اینها از یک سری صفحات موجدار استفاده می‌کنند که توسط یک واشر، جوش یا لحیم به هم وصل می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که دو سیال با هم مخلوط نمی‌شوند. صفحات دارای پورت‌های ورودی و خروجی در گوشه هستند تا جریان سیال را عبور دهند. مسیرهای جریان سیالات، فضاهای بین صفحات هستند و در جریان های متناوب سیال گرم-سرد-گرم-سرد قرار گرفته‌اند. سیالات در پیکربندی جریان مخالف جریان دارند. سیال داغ به سمت پایین صفحات جریان می‌یابد در حالی که مایع سرد به سمت بالا جریان می‌یابد.

مبدل حرارتی صفحه و قاب

طراحی مبدل حرارتی صفحه و قاب، یک منطقه انتقال حرارت بزرگ، تلاطم بالا و مقاومت در برابر رسوب بالا ایجاد می‌کند. ضریب انتقال حرارت و راندمان کلی در مقایسه با مبدل‌های حرارتی لوله ای بالاتر است. با این حال، افت فشار بالا توسط سیالات به دلیل تنش برشی بالای دیواره مواجه می‌شود که هزینه پمپاژ را گران می‌کند. همچنین در صورتی که مایعات دارای اختلاف دمای بالا هستند، استفاده از آن توصیه نمی‌شود. مبدل‌های حرارتی صفحه و قاب بسته به نحوه اتصال صفحات طبقه بندی می‌شوند.

مبدل های حرارتی صفحه واشر: این نوع از واشر برای اتصال و آب بندی صفحات استفاده می‌کنند. آنها به طور گسترده در صنایعی که نیاز به سرویس بهداشتی مکرر دارند، مانند فرآوری غذا و نوشیدنی استفاده می‌شود. صفحات واشر دار هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهند زیرا تمیز کردن، جداسازی و مونتاژ آنها آسان است. ممکن است صفحات بیشتری برای افزایش قابلیت و توان مبدل حرارتی اضافه شود. نقطه ضعف این نوع پتانسیل نشتی آن است.

جریان مبدل حرارتی صفحه واشر

مبدل‌های حرارتی صفحه جوش داده شده: مبدل‌های حرارتی صفحه جوشی احتمال نشتی را کاهش می‌دهند. آنها همچنین شبیه یک مبدل حرارتی صفحه واشر هستند، با این تفاوت که صفحات جوش داده شده‌اند. آنها می‌توانند دماهای بالاتر، فشارهای بالاتر و سیالات خورنده بیشتری را تحمل کنند زیرا دمای عملیاتی توسط مهر و موم واشر محدود نمی‌شود. آنها همچنین دوام بیشتری نسبت به مبدل‌های حرارتی صفحه ای دارند. از آنجایی که صفحات به طور دائم ثابت هستند، تمیز کردن دستی امکان پذیر نیست.

مبدل‌های حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده: این مبدل‌های حرارتی دارای صفحاتی هستند که با روشی به نام لحیم کاری به یکدیگر متصل می‌شوند. لحیم کاری یک روش لحیم کاری است که در آن از فلزات پرکننده مانند مس یا روی استفاده می‌شود. از این نوع در چیلرها، پمپ‌ها، اواپراتورها و کندانسورها استفاده می‌شود. مبدل‌های حرارتی صفحه لحیم کاری کارآمد، جمع و جور (فضای کف کمتری را مصرف می‌کنند) و عمر طولانی دارند، حتی در شرایط قرار گرفتن مداوم در معرض فشارهای بالا.

مبدل‌های حرارتی باله‌ای صفحه‌ای: این نوع از لایه‌های متناوب باله‌های فلزی موجدار و صفحات فلزی مسطح به نام ورق‌های جداکننده تشکیل شده است. جریان‌های سیال از رابط ایجاد شده توسط ورق‌های باله و جداکننده عبور می‌کنند. ورق‌های جداکننده سطح اصلی انتقال حرارت هستند. باله‌ها یک سطح انتقال حرارت ثانویه ایجاد می‌کنند و به عنوان تکیه گاه مکانیکی صفحات در برابر فشارهای داخلی بالا عمل می‌کنند. میله‌های کناری نیز برای جلوگیری از اختلاط دو جریان سیال ثابت شده‌اند. همه اجزا با لحیم کاری به هم متصل می‌شوند. پیکربندی جریان مخالف در اکثر طرح‌ها گنجانده شده است.

مبدل حرارتی لوله پره دار صنعتی

مبدل‌های حرارتی پره‌های صفحه‌ای به دلیل فشردگی، نسبت سطح انتقال حرارت به حجم مبدل حرارتی ارزش گذاری می‌شوند. از این رو، فضاهای کف کوچک را مصرف می‌کنند و سبک وزن هستند. راندمان آن نیز بالای 95 درصد است. از این نوع مبدل حرارتی در هوافضا، جداسازی هوا برودتی و تبرید استفاده می‌شود.

مبدل های حرارتی تماس مستقیم شامل یک پارتیشن رسانا نیستند و برای انجام تبادل حرارت به تماس مستقیم متکی هستند. آنها برای دو سیال غیر قابل اختلاط مناسب هستند، یا اگر یکی از سیالات دچار تغییر فاز شود. آنها به دلیل طراحی ساده‌تر ارزان‌تر هستند. معمولاً در نمک‌زدایی آب دریا، سیستم‌های تبرید و سیستم‌های بازیابی گرمای زباله استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از مبدل‌های حرارتی تماس مستقیم، کندانسورهای تماس مستقیم، برج‌های خنک‌کننده طبیعی، خشک‌کن‌ها و تزریق بخار هستند.

نتیجه گیری:

مبدل‌های حرارتی قطعاتی از تجهیزاتی هستند که برای انتقال گرما از سیال داغ به سیال سرد استفاده می‌شوند. آنها ضروری هستند زیرا وظیفه تغییر دمای سیال با ارزش‌تر را انجام می‌دهند که بعداً در فرآیند استفاده می‌شود. سیالات ممکن است فازهای مختلفی داشته باشند که ممکن است به فاز دیگری تبدیل شوند. آنها ممکن است توسط یک دیوار رسانا از هم جدا شوند یا تماس مستقیم داشته باشند. مبدل‌های حرارتی با استفاده از همان مجموعه اصول ترمودینامیکی کار می‌کنند.

انرژی حرارتی همیشه در مبدل‌های حرارتی حفظ می‌شود. جهت جریان گرما همیشه از سیال با دمای بالاتر به دمای پایین تر است. مکانیسم انتقال حرارت در مبدل حرارتی ترکیبی از هدایت و همرفت است. پیکربندی جریان مبدل‌های حرارتی جریان مخالف، جریان همزمان یا موازی، جریان متقاطع و جریان هیبریدی است.

دو دسته اصلی مبدل های حرارتی، مبدل‌های حرارتی بازیابی و احیا کننده هستند. مبدل‌های حرارتی بازیابی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مسیرهای جریان مجزا برای دو سیال داشته باشند. مبدل‌های حرارتی احیا کننده از یک محیط ذخیره گرما استفاده می‌کنند که تماس مستقیم با هر دو سیال دارد. مبدل‌های حرارتی بازیابی به دو گروه مبدل‌های حرارتی تماسی غیر مستقیم و مبدل‌های حرارتی تماس مستقیم تقسیم می‌شوند.

مبدل‌های حرارتی تماس غیر مستقیم از یک دیوار رسانا برای جداسازی دو سیال استفاده می‌کنند. به عنوان مثال می‌توان به مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله و مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای اشاره کرد. مبدل‌های حرارتی تماس مستقیم پارتیشن ندارند و انتقال حرارت به تماس مستقیم هر دو سیال بستگی دارد. مبدل‌های حرارتی احیا کننده نیز به دو گروه احیا کننده‌های استاتیک و دینامیک تقسیم می‌شوند. احیاگرهای استاتیک دارای بستر ثابتی از محیط ذخیره گرما هستند که سیالات سرد و گرم به طور متناوب در آن جریان دارند. احیاگرهای دینامیک دارای یک عنصر چرخشی هستند که حاوی محیط ذخیره گرما است.