مبدلهاي حرارتي
شرح و توصيف مبدلهاي حرارتي
در این مقاله به بررسی مبدلهاي حرارتي ، مزایا و معایب وکاربردهای آن میپردازیم.
مبدلها وسايلي هستندكه درصنعت براي انتقال حرارت بين دوسيال بكارميروند. درابتدا سعي ميشود تاآنجاكه ممكن است براي گرم كردن وسردكردن جريانهاازخودسيالهاي موجوددرفراينداستفاده شود. بعدازحداکثرکردن ميزان بازيافت حرارت درشبکه مبدل حرارتي بارهاي گرمايشي وسرمايشي که ازطريق بازيافت حرارت تامين نشده اندبايدتوسط سرويسهاي جانبي تهيه شوند. مکانيزم انتقال حرارت بصورت جابجايي وهدايت ميباشد. نحوه قرارگرفتن سيالها دركناريكديگرميتواندبه چندين صورت مختلف باشد:
• جريان همسو: دوسيال ازيك طرف مبدل واردشده وهردوازطرف ديگرخارج ميشوند. بعضي درمبدل نيزهردودريك سوحركت ميكنند. نتيجتاًدرمبدل نيزهردودريك سوحركت ميكنند.
جريان هاي همسو
• جريان ناهمسو: هركدام ازسيالها ازجهات مخالف واردوخارج ميشوند(يكي ازسيالهاازيك جهت وسيال ديگرازجهت ديگرواردميشود)ودوسيال درمبدل بصورت ناهمسوجريان دارند.
جريان هاي ناهمسو
• جريان متقاطع: يكي ازسيالهاازيك جهت وسيال ديگردرجهت عمودبرآن جريان دارد. مشخص ترين نمونه آن رادياتورماشين ميباشدكه جريان آب ازبالابه پايين درلوله هاوجريان هواعمودبرآن ميباشد.
جريان هاي متقاطع
• جريان چندگذر: كه درآنهاجريانهاي دوسيال بصورت چندتايي درمبدل چيده شده اند.
مبدلهاي حرارتي
جريان هاي چند گذر
تقسيم بندي مبدلها
مبدلهارامیتوان ازجهات گوناگون تقسيم بندي كرد. ابتداعناوين اين تقسيم بندي ذكرميگرددسپس درموردهركدام توضيحاتي ارائه ميشود.
تقسيم بندي بر اساس خصوصيات سيالهايي كه در مبدلها جريان دارد:
اين تقسيم بندي براساس سيال فرايندي مبدل شكل گرفته است. البته تفاوت بين ضرايب انتقال حرارت گازهاومايعات درتعيين شكل مبدل نقش موثري دارد.
۱- مايع/ مايع
دراين نوع مبدلهاي حرارتي هردوسيال مايع هستند ومكانيزم انتقال حرارت براي هردو ، انتقال حرارت اجباري است. انتقال حرارت دراين مبدلهابه علت بالابودن ضريب انتقال حرارت مايعات بالاست.
۲- گاز/ مايع
دراين مبدلهايك سيال مايع وسيال ديگرگازاست. معمولاًبراي خنك نمودن سيال گرم توسط هوااستفاده ميشود. جريان مايع با سرعت كافي داخل لوله پمپ ميشود كه اين موجب بالا بودن ضريب انتقال حرارت طرف لوله هاميشود. هوا بصورت متقاطع برروي لوله ها جريان ميابد. جريان هواميتواندبه صورت جابجايي اجباري يا آزادباشد.
۳- گاز/گاز
معمولاً كمتراتفاق ميافتدكه درمبدلهاهردوسيال گازباشندمگراينكه يكي ازگازهادرفشاربالاباشد. گازفشاربالا كه دانسيته آن بيشتر است در داخل لوله ها جريان ميابد. البته ضريب انتقال حرارت دراين موارد خيلي كوچك است وبراي انتقال حرارت مناسب بايدتدابيري انديشيدكه درمباحث بعددراين مورد بحث ميشود.
۴- كندانسورها
دراين مبدلهاي حرارتي جريان بخاريك سيال توسط مايع(مثلاً آب ) وياجريان گاز (مثلاً هوا ) خنك وكندانس ميشود. گاهي اوقات بخارخارج لوله است مثل كندانسورهاي نيروگاههاي حرارتي و گاهي اوقات بخارداخل لوله است مثل كندانسورهاي فرئون.
تقسيم بندي بر اساس شكل ساختماني
تقسيم بندي مهم ديگري براي مبدلها وجودداردكه براساس شكل ساختماني آنهاميباشد. اهميت اين نوع تقسيم بندي ازآنجامشخص ميشودكه درصنعت ازمبدلهاباتوجه به همين نوع تقسيم بندي ازروي شكلشان يادميشود.
مبدلهاي لوله اي
اينگونه ازمبدلهاازدولوله هم محورتشكيل شده اند. يكي ازسيالهادرداخل لوله مياني ودرامتدادطول آن جريان ميابدوسيال ديگردرداخل حلقه بين دولوله جريان خواهديافت. سايراجزاء ساختماني اين مبدلهاعبارتنداز :
زانوي برگشت، سربرگشت، اتصالات T براي ورودي و خروجي سيالها
هنگاميكه اختلاف انبساط حرارتي بين لوله خارجي و داخلي وجوددارددركاربردنوع اتصالات ميبايددقت كافي شود تا تنش حرارتي مينيمم گردد.
مبدلهاي لوله اي راميتوان براساس شكل تقسيم بندي نمود:
مبدلهاي حرارتي
۱- مبدلهاي لوله اي U شكل
۲- مبدلهاي دو لوله اي ساده
۳- مبدلهاي دو لوله اي كويل دار
موارد كاربرد و مزاياي مبدلهاي لوله اي
هنگاميكه ضريب انتقال حرارت سيال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از۲:۱ باشد، مثلاًداخل لوله مايعات كم لزج مثل آب باضريب انتقال حرارت بالاباشد. وخارج آن ازمايعات لزج استفاده شودمعمولاًبجاي استفاده ازمبدلهاي پوسته ولوله ازمبدلهاي لوله اي استفاده ميشود. البته دراين مواردازپره باطول بلندكه باعث افزايش سطح ميشود، درخارج لوله استفاده ميشود. همچنين اگرسرويسهاي فشاربالاموردنياز باشد،مبدلهاي لوله اي ترجيحاًاستفاده ميشود. درسرويسهاي كوچك نيزازاين مبدلهااستفاده ميشود.
استفاده و كاربرد زيادي كه مبدهاي لوله اي دارند به خاطر مزاياي زير مي باشد:
اين سيستمهاداراي انعطاف پذيري زيادي هستند. درطولهاي مختلف وازانواع لوله هاي مختلف وازموادمختلف ساخته ميشوند. وخيلي سريع ازسواركردن قطعات استانداردپيش ساخته آماده ميگردند. باانتخاب صحيح اتصالات به آساني ميتوان قطعات آن راپياده نمودتادرون وبيرون لوله هاتميزشوند. محاسبات طراحي آنهابصورت دقيق وخوبي تدوين شده است. توزيع وپخش سيال راميتوان درواحدهاي مختلف كنترل نمود. اين كارباانتخاب پمپهاي جداگانه براي هرسري مبدل امكان پذيراست.
معايب مبدلهاي لوله اي
ازمعايب عمده اين مبدلهاميتوان مواردزيررانام برد:
۱- براي بارحرارتي بزرگ، سيستم مبدلهاي دولوله اي حجم زيادي رااشغال ميكنند.
۲- قيمت آنها براي واحد سطح انتقال حرارت نسبتاًزياداست.
مبدلهاي پوسته و لوله
هنگاميكه سطح انتقال حرارت لازم براي مبدلهاي دولوله اي زيادشودبهتراست ازمبدلهاي پوسته ولوله استفاده شود. مبدلهاي پوسته ولوله بطوروسيعي درفرايندهاي انتقال حرارت براي كاربردهاي مايع/مايع وهمچنين دركندانسورهاومولدهاي بخاراستفاده ميشوند. اين مبدلهابراي انتقال حرارت مشخصي سطح كمتري به نسبت مبدلهاي لوله اي اشغال ميكنند.
مبدلهاي حرارتي
مبدلهاي پوسته و لوله
مبدلهاي پوسته و لوله
مزاياي اين گونه مبدلها
۱- درحجم كم ايجادسطح بزرگي براي انتقال حرارت ميكنند.
۲- طراحي مكانيكي خوبي دارند.
۳- روش ساخت تثبيت شده خوبي دارند.
۴- قابليت استفاده براي دامنه وسيعي ازموادرادارند.
۵- به راحتي تجهيز ميشوند.
۶- روش طراحي خوب وتثبيت شده اي دارند.
قسمتهاي اصلي اين مبدلها
- لوله ها
- پوسته
- بافلها
- هد جلويي
- هد پشتي
- صفحات تيوبها
- نازلها
مبدلهاي پوسته و لوله با اجزا اصلی
مبدلهاي حرارتي
پوسته: پوسته هاكه درواقع دربرگيرنده لوله هاهستندازنظراندازه، موادسازنده وضخامت محدوده وسيعي دارند. قيمت پوسته هابيشترازلوله هاميباشدبنابراين معمولاًسعي ميشودازحداقل پوسته استفاده شود.
لوله ها: لوله عنصراصلي مبدلهاي پوسته ولوله هستندكه درواقع سطح انتقال حرارت لازم رابراي سيالاتي كه درداخل وخارج آن جريان دارندرافراهم ميسازند. لوله هامعمولاازفلزات مختلف به روش اكستروژن وبدون درزساخته ميشوند. جنس آنهامعمولاًازفولادكم كربن، فولادزنگ نزن، مس و …ميباشد. لوله هاممكن است بصورت مربعي ۹۰ درجه يادروضعيت چرخانده كنارهم قرارگيرند. دراين حالت تميزکردن خارج لوله هاراحت تراست. طرح مثلثي روش ديگريست كه به علت زيادبودن آشفتگي سيال، ضريب انتقال حرارت وافت فشارطرف پوسته راافزايش ميدهد؛ ونيزمقداربيشتري ازلوله راميتوان درقطرمشخصي ازپوسته قرارداد. قطرلوله هابين ۱۶تا۵۰میلیمترمیباشد. ولي معمولاًاز ۱۶ تا ۲۵ میلیمتراستفاده ميشود. طول لوله هانيزاز ۱/۸ متر تا ۳/۷ مترانتخاب ميشود. گرچه هدف، افزايش انتقال حرارت بوسيله افزايش سرعت سيالهادرداخل لوله هاميباشدولي اين سرعت بايددرحدمجازباشد. چون هرچقدرسرعت بيشترشود،افت فشارافزايش مييابدوهمچنين نوسانات بيشترميشودوباعث ايجادشكستگي دراتصالات وزانوييها ميشود.
آرايش مثلثي و مربعي لوله ها
بافل ها: بافلهامعمولاًدرقسمت پوسته مبدل استفاده ميشوندبراي اينكه لوله هارادرجاي خودنگه دارندوجريان سيال داخل پوسته رابصورت چرخشي تبديل كنندتاسرعت سيال وضريب انتقال حرارت افزايش يابدومعمولاًبصورتهاي orifice baffle، disk-and-doughnut baffle، Segmental baffle ميباشند.
بافلهادومشخصه اصلي دارند: برش بافل،فاصله بافلها
فاصله بافلها: فاصله دوبافل متوالي ميباشدكه معمولابين ۲۰ تا ۱۰۰ درصدقطرپوسته انتخاب ميشودومقدار بهينه آن بين ۳۰ تا ۵۰ درصد قطر پوسته ميباشد.
هرچقدرفاصله بافل هاكمتر باشد سرعت و افت فشار در پوسته بيشتر ميشود.
برش بافل: ارتفاع بريده شده از بافل نسبت به قطر ميباشدكه معمولاً بصورت درصدبيان ميشودومعمولاً ۲۵ درصد میباشد.
نمايش لوله ها در يك كلاف لوله
مبدلهاي حرارتي
هرچقدر برش بافل كمتر يا طول بريده شده كمتر شود سرعت و ضريب انتقال حرارت و افت فشار بيشترمیشود.
بافلها راميتوان به دودسته بافلهاي طولي و بافلهاي متقاطع يامورب نيزتقسيم بندي كردكه معمولاً بصورت زاويه دار با لوله ها قرارميگيرندوباعث ايجادجريان ناآرام دراطراف پوسته ميشوند.
بافلهاي طولي براي كنترل مسيرجريان داخل پوسته استفاده ميشوند.
نمايي از اجزا يك مبدل پوسته و لوله شامل صفحه تيوب، لوله ها و بافل ها
مبدلهاي حرارتي
آرايش مثلثي لوله ها ،صفحه تيوب و بافل ها در يك مبدل پوسته و لوله
صفحه تيوب: يكي ازاجزاي مهم مبدلها كه اصلي ترين سدبين تيوبهاوپوسته است وطراحي مناسب آنهابراي اطمينان ازكارايي سيستم لازم است، صفحه تيوبهاهستند. نحوه اتصال آنهابه تيوبهاوپوسته هم ميتواندبصورت جوش داده شده و هم به وسيله پيچ باشد.
آرايش مثلثي لوله ها ،صفحه تيوب و بافلها در يك مبدل پوسته و لوله
تعدادگذرهاي پوسته و لوله: ساده ترين مدل جريان براي لوله ها به اين صورت است كه سيال از يك طرف واردشودوازطرف ديگرخارج گردد. اين مدل تك گذرلوله است. براي بهترنمودن انتقال حرارت سرعت بالاتري بايدايجادنمود . اين عمل بوسيله افزايش تعدادگذرلوله هاامكان پذير است. ازطرف ديگرباافزايش تعداد گذرهاي لوله وافزايش سرعت سيال ، افت فشارزيادميشود. درواقع انتقال حرارت بايددرسرعتهاي بالاايجادشودواين افت فشارسيستم رازيادميكند. درنتيجه تعدادگذرها، باتوجه به دوفاكتورسرعت وافت فشارمشخص ميشود. تعدادگذرهاي لوله معمولاً ازيك تاهشت ميباشد. درموردگذرهاي پوسته نيزمعمولااز يك يادوگذراستفاده ميشود. حالتهاي مختلف گذرهاي پوسته دراستانداردبين المللي TEMA باعلامتهاي E,F,G,H,J,K,X شناخته ميشوند.
نازلها: نازلهابراي انتقال سيال به بيرون ويا داخل مبدل استفاده ميشوند.
اثرات حرارتي
اگر موادمانند آهن بكار رفته شده درمبدلهاحرارت ببينندممكن است دچارانبساط حرارتي گردند. بعنوان مثال دريك مبدل پوسته ولوله افزايش درجه حرارت باعث افزايش اندازه لوله هاوپوسته ميشود. ازآنجايي كه اين افزايشهاممكن است باهم فرق كنند، تنظيمهاي مختلفي براي كاهش اين اثرات حرارتي وجوددارد.
مبدل با صفحه تيوب ثابت با دو گذر در قسمت لوله و يک گذر در پوسته
مبدل با كلگي متحرك داخلی با دوپاس در قسمت لوله و یک پاس درپوسته
مبدل باخارجي با دو پاس در قسمت لوله و يک پاس د ر پوسته
مبدلهاي حرارتي
انتخاب محل عبور سيال ها
تصميم گيري براي قراردادن سيال درداخل پوسته ولوله واينكه كداميك ازآنها درداخل لوله قرارداده شودوكداميك داخل پوسته، به چندعامل بستگي دارد:
- فشارها: سيال بافشاربالادر قسمت لوله قرارميگيرد،زيراصخامت نسبي لوله (نسبت به قطر)بيشتراست.
- درجه حرارت: افزايش درجه حرارت باعث كاهش تنش مجازموادبكاررفته ميگرددودرنتيجه ضخامت لازم براي ديواره ظرف نيز افزايش ميابد. اين تاثير عيناً شبيه فشاراست. سيال بادرجه حرارت زيادبايستي درلوله جاي داده شود.
- خورندگي سيالها: براي سيالهاي با خورندگي زيادبه موادوآلياژهاي گرانقيمت نيا است. اگرفقط يكي از سيالها خورنده باشد آن وقت گذاردن آن درداخل لوله باعث ميشود كه پوسته گرانقيمت ازآلياژمرغوب نيازنباشد. امااگرسيال خورنده درپوسته قراربگيردآنگاه هم براي پوسته وهم براي لوله بايستي ازموادي كه درمقابل خوردگي مقاوم هستنداستفاده شود.
- تميزي سيالها: دربعضي ازفرايندهاي انتقال حرارت شرايط لازم جهت تميزي سيالها و آلوده نشدن آنها سخت تر از حالتهاي عادي است و ممكن است به آلياژهاي گرنقيمت نيازباشد . دراينگونه مواقع بهتر است كه سيالهادرداخل لوله قرارداده شوند.
- خطر نشت:دربيشترمبدلهاي حرارتي احتمال نشت سيال لوله هاازسيال پوسته كمتراست.
- ويسكوزيته سيالها: براي اينكه انتقال حرارت ماكزيمم شود، جريان هر دو سيال بايستي ناآرام باشد. درصورتي كه سيال لزج درداخل لوله باشداحتمال داردجريان آن آرام شودپس بهتراست داخل پوسته قرارداده شود.
رسوب مبدلها
هنگاميكه يك مبدل حرارتي درسرويس قرارميگيرددرشروع كار سطوح انتقال حرارت آن تميزاست ولي باگذشت زمان دربعضي ازسرويسهامانند سيستمهاي قدرت فرايندهاي شيميايي ، بتدريج توانايي انتقال حرارت انهاكم ميشود. اين وضعيت به علت جمع شدن موادي روي سطوح انتقال حرارت (همان لوله ها ) كه موجب افزايش مقاومت حرارتي در برابر انتقال حرارت ميگرددبوجودميايد. يك فرايندصنعتي رادرنظربگيريدكه شامل چندين دستگاه اصلي ميباشد. درصورتيكه تمام فرايندبخواهدبه خاطراينكه يكي ازابزارانتقال حرارت كه توانايي خودرادرفرايندانتقال حرارت ازدست داده ازكاربيفتداين حادثه ازنظراقتصادي ناخوشاينداست.
دراستاندارد TEMA ضريب رسوب داده شده است تابه طراح كمك كندمبدل پوسته ولوله راطوري طراحي كندكه بتواندبراي مدتي به طرزرضايت بخشي كاركند. تااينكه دوباره مبدل ازمدارخارج شودوتميزگردد.
عواملي كه باعث ايجادرسوب ميشونداغلب عبارتنداز:
- وجود ذرات معلق در سيال
- كاهش حلاليت نمك ها با افزايش دما (مثل نمكهاي منيزم)
- بعني تبديل يك لايه از فلز (آهن) اكسيد آن (اكسيد آهن ) وكه باعث كاهش ضريب رسانش ميشود.
- پديده هاي بيولوژيكي (زيست محيطي):در آب رودخانه هاجلبكها و موجودات زنده وجوددارند كه با صافي جدا نميشوند و داخل مبدل شروع به تكثير ميكنند.
- به وجود آمدن كك:در كوره هاي نفت مقداري از نفت ميشكند و تبديل به كك ميگرددوروي ديواره رسوب ميكند.
تميز كردن و نگه داري از مبدل
مبدل ها بايد به طور متناوب تميز شوند و لوله ها تعويض شوند . داخل لوله ها به راحتي با استفاده از مواد تميز كننده مانند بعضي مواد اسيدي و jet آب تميز ميشوند. ولي تميز كردن خارج لوله ها احتياج به باز كردن لوله ها و کلاف لوله ها از مبدل دارد.
مبدلهاي صفحه اي
مبدلهاي حرارتي صفحه وقاب ازقرارگرفتن يكسري صفحات فلزي كناريكديگردرداخل قابی فلزي ساخته ميشوند. اين صفحات درداخل قاب توسط ميله هاي بلندبهم فشرده ميشوند. طول اين ميله هافاصله بين دودرپوش راطي ميكنندوتوسط مهره به درپوش محكم ميگردند. واشردرشيارهاي اطراف هرصفحه قرارداده ميشودتاجريان سيال رادرمجراي باريكي بين صفحات هدايت نمايدوهمچنين ازنشت آنهابه بيرون جلوگيري كند. درگوشه هاي هرصفحه مجرايي بخاطرورودوخروج سيال گرم وسرددرنظرگرفته شده وموقعيكه صفحات روي هم فشرده ميشونداين محلهاي سوراخ شده درخطی مستقيم قرارميگيرند. وبدين وسيله هدرهاي توزيع سيال درطول مبدل رابوجودمياورند. صفحات ميتوانندازهرفلزي باابعادمعين ساخته شوندآنگاه نقوش مختلف توسط پرس وقالبهاي مخصوص روي صفحات چاپ گردد. هنگاميكه اين صفحات درمحل خوددركناريكديگرقرارميگيرندشيارهاي موجودروي صفحات متوالي تشكيل يكسري كانالهاي باريك جريان راميدهند. وسيالهاازطريق مجراي خيلي باريك وظريف بين صفحات متوالي عبورمينمايند. درمبدلهاي مختلف آرايش جريان ميتوانندمتفاوت باشند. يكي ازاين آرايشهابصورت موازي مختلف الجهت ميباشد. دراين نوع ارايش جريانهاي هركدام ازسيالهافقط يكبارارتفاع صفحات راطي ميكننددرحاليكه درآرايشهاي چندگذريك سيال ممكن است۲بارويابيشترارتفاع مبدل رابگذراند.
جريان در مبدل صفحه اي
معايب
باوجود تمام محاسن ذكر شده يك عيب مهم در مورد اين مبدلها وجود دارد و آن اين است كه سطوحي كه بايد توسط واشر آب بندي شود زياد است. اغلب ازموادلاستيكي براي اين كار استفاده ميشوداما ماكزيمم فشارودرجه حرارت كاربردي نبايداز ۲٫۷ Mpas و ۴۰۰k تجاوزکند. ازواشرهاي فيبري و پمبه نسوزكمپرس شده نيزميتوان استفاده نمودكه براي آن حداكثردرجه حرارت ۶۰۰k و۱٫۸ Mpas ميباشد. يكي ازمشكلاتي كه معمولاًدرهنگام كاراين مبدلها بوجودمياورندعدم آب بندي كامل وصحيح واشرهااست. اولاً به خاطراينكه عمرمفيدگاز كتها كم است وثانياً نبايد دوباره مورد استفاده قرار گيرندكه معمولاً به اين نكته توجه نميشود.
مبدلهاي پره دار
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 ميشود(درطرفي كه ضريب انتقال حرارت كمتردارد ). بعنوان مثال در مبدلهاي گاز/مايع در طرف گاز از پره هاي بلند استفاده ميشودويا در مبدلهاي گاز/گاز به علت كم بودن ضريب انتقال حرارت در دو طرف به وسيله فينها سطح انتقال حرارت و در ننتيجه ميزان آن راافزايش ميدهند.
پره ها معمولاً داراي ضخامت ۰٫۰۳۳۵in هستند. راندمان حرارتي آنها با افزايش مقاومت حرارتي كاهش پيدا ميكند. اگرچه لوله هاي با پره داخلي وجود دارد ولي در مبدلهاي لوله اي بيشتر از پره هاي بلند طولي استفاده ميشود 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 ميشود كه افت فشار را به مقدار زيادي افزايش ميدهند و به اين ترتيب اثر افزايش انتقال حرارت خنثي ميشود.
نمونه اي از پره ها
نمونه اي ازمبدل پره دار
مبدلهاي حرارتي