مبدل حرارتی وسیله‌ای است که گرما را از یک مایع گرم به یک مایع سرد منتقل میکند. مبدلهای حرارتی انواع گوناگونی دارند و از جنبه های مختلف قابل دسته بندی‌اند. مبدل پوسته و لوله، یکی از متداول‌ترین مبدلهای مورد استفاده در صنایع شیمیایی است. طراحی و ساخت شِل، آرایش لوله‌ها و بفل‌ها و به کارگیری جنس مناسب در ساخت مبدل متناسب با شرایط عملیاتی فرایند، در عملکرد، ماندگاری و بازده مبدل حرارتی بسیار تاثیرگذار است.
خدمات
همکاران ما در شرکت کیمیا تبرید سپاهان با شبیه‌سازی و مدل‌سازی جریان در مبدل های حرارتی با استفاده از ابزارهای نوین طراحی و شبیه سازی، عملکرد مبدل را قبل از ساخت پیشبینی کرده و سپس با تکیه بر دانش، خلاقیت و تجربه خود به طراحی و ساخت مبدلی با عملکرد و بهره وری بالا و متناسب با شرایط ویژه عملیاتی فرایند می پردازند.
مبدل حرارتی
مبدل حرارتی چیست؟
مبدل حرارتی وسیله‌ای است که برای انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر به‌کار می‌رود. این وسیله حرارت را بین دو یا چند جریان سیال(مایع یا گاز) در حال جریان منتقل میکند. مبدلهای حرارتی در صنایع مختلفی کاربرد دارد. از جمله آن میتوان به خودرو، نفت و گاز، پتروشیمی، دیگ‌های بخار، تبخیرکننده‌ها، برج های خنک‌کننده و کوره‌ها اشاره کرد. مهندسان در آزمایشگاه و صنعت نیز مبدل حرارتی نیاز دارند.
نحوه کار مبدلهای حرارتی
مبدلهای حرارتی چگونه کار می‌کنند؟
در مبدل دو سیال در جریان است. یکی‌از سیال‌ها حرارت را جذب کرده و دیگری وظیفه دفع گرما را به‌عهده دارد. یکی از مکانیزم های این فرآیند پدیده همرفت است. در این پدیده، سیال گرم به دلیل چگالی کم‌تر به سمت بالا حرکت میکند. در نقطه‌ی مقابل سیال سرد به دلیل چگالی بیشتر به سمت پایین حرکت میکند.
طبقه‌بندی پدیده‌ی همرفت
پدیده‌ی همرفت چگونه طبقه‌بندی می‌شود؟
اگر بخواهیم برای پدیده‌ی همرفت طبقه‌بندی در نظر بگیریم میتوان به موارد زیر اشاره کرد
- همرفت طبیعی مثل بلند شدن دود از آتش یا به وجود آمدن نسیم در دریا و خشکی.
- همرفت اجباری که ملموس ترین مثال آن رادیاتور خودرو است.
- همرفت گرانشی یا شناوری مثل وقتی که منبع نمک خشک به سمت پایین در داخل خاک مرطوب حرکت میکند.
- همرفت گرانولی که به‌عنوان مثال میتوان به تکان دادن سینی برنج برای پاک کردن آن اشاره کرد. در این مورد هم بر اساس چگالی(دانسیته) دانه ها از هم جدا میشوند.
مواد رایج ساخت مبدلهای حرارتی
مواد رایجی که در ساخت مبدل های حرارتی استفاده میشوند عبارتند از:
چدن، آلیاژهای فولاد، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم و آلیاژهای آن، مس وآلیاژهای آن، نیکل، زیرکونیم، نیتانیوم، گرافیت، شیشه، تفلون و سرامیک.
انواع مبدلهای حرارتی
انواع مبدل های حرارتی بر اساس ساختمان مکانیکی ونحوه ی کار آن ها:
-
مبدل های حرارتی پوسته لوله:
در مبدلهای پوسته‌لوله مجموعه ای از لوله‌ها در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند که درون آن‌ها سیال در جریان است. در مبدلهای پوسته‌لوله برای انتقال گرمای مطلوب باید در انتخاب قطر و ضخامت لوله‌ها دقت شود. از مزایای این مبدل‌ها میتوان سطح تماس زیاد در حجم کم، مقاومت مکانیکی مناسب و توزیع یکنواخت فشار را نام‌برد. یکی از کاربردهای این نوع مبدل در جوش‌آورهای برج تقطیر است.
-
مبدل های حرارتی صفحه‌ای:
مبدل صفحه‌ای یک مبدل مناسب برای جابه‌جایی حرارت میان سیالات درفشار متوسط و پایین است. این مبدل‌ها از تعداد زیادی صفحه متوالی با ضخامت کم ساخته شده است. روی این صفحات برجستگی‌ها و فرورفتگی‌هایی وجود دارد که برای آشفته کردن جریان سیال است. این آشفتگی باعث افزیش انتقال حرارت می‌شود. یک لوله جریان سیال گرم و یک لوله جریان سیال سرد را به صورت یکی‌درمیان به صفحات متصل میکند.
به‌این‌ترتیب سطح انتقال حرارت افزایش می‌ابد و انتقال حرارت از دیواره صفحات بین سیالات انجام می‌شود. از مزایای مبدلهای حرارتی صفحه‌ای میتوان به صرفه‌جویی در هزینه و ضرایب بالای انتقال حرارت و انعطاف پذیری اشاره کرد. مبدلهای حرارتی صفحه‌ای معایبی از جمله عدم امکان استفاده تحت خلا را دارد. یک مثال کاربردی در زندگی روزمره، آبگرمکن دیواری خانگی و تجاری است.
-
مبدلهای حرارتی هواخنک:
مبدلهای هواخنک دمای سیال را با هوای دمیده شده به‌وسیله‌ی فن، خنک می‌کنند. در این مبدل‌ها هیچ تماسی بین سیالی که خنک می‌شود و هوا وجود ندارد.در این مبدل‌ها سیال گرم درون مجموعه‌ای از لوله‌های افقی توزیع می‌شود. همزمان با عبور هوای محیط از روی جداره‌ی لوله‌ها فرآیند انتقال حرارت انجام می‌گیرد. از مزیت‌های این مبدل‌ها میتوان به عدم نیاز به آب، هزینه‌ی نگهداری اندک، عدم نیاز به سرویس دوره ای اشاره کرد.
-
مبدلهای حرارتی کروی:
مبدلهای کروی از پربازده‌ترین مبدلهای حرارتی هستند. به دلیل مصرف سوخت اندک، برای جوامع امروزی اهمیت بسیار زیادی دارند.
طبقه‌بندی مبدلهای حرارتی
مبدل های حرارتی را میتوان بر4 اساس طبقه بندی کرد:
-
براساس نوع سیالاتی که از آن عبور میکند:
انتقال حرارت میان مایع-مایع
انتقال حرارت میان مایع-گاز
انتقال حرارت میان گاز-گاز
-
براساس تغییر فاز:
مبدل های تبخیر کننده
مبدل های تبرید کننده
مبدل های جریان باز
-
براساس مسیر جریان:
مبدل حرارتی جریان مستقیم
مبدل حرارتی جریان متقاطع
-
براساس چگالی:
مبدل های حرارتی برمبنای نسبت سطح به حجم انتقال
اجزای مبدل حرارتی
اجزای مبدل حرارتی عبارت‌انداز:
-
لوله‌ها:
جنس، تعداد، قطر، طول و ضخامت لوله‌ها به ویژگی‌های سیال از جمله دما، فشار، مقدار جریان سیال و… وابسته است. معمولا در ساخت لوله‌های یک مبدل، از فولاد و مس استفاده می‌شود. برای بعضی از سیالات خاص از گرافیت یا تفلون برای ساخت بهره می‌گیرند.
-
پوسته ها:
پوسته از نظر جنس، قطر، ضخامت و حجم، به طبیعت سیال یعنی خورندگی، تمیز یا کثیف بودن و… بستگی دارد.
-
صفحه لوله:
صفحه لوله، به شکل دایره است. جنس، ضخامت و قطر این صفحه‌ها برخلاف دو مورد قبلی که به ویژگی‌های سیال بستگی ندارد. اما به جنس و تعداد لوله‌ها و نوع مبدل حرارتی بستگی دارد. نصب لوله‌ها روی صفحه معمولا به دو شکل مربعی یا مثلثی انجام می‌گیرد. یکی از مزایای آرایش مثلثی نسبت به آرایش مربعی انتقال حرارت بیشتر است.
-
کانال:
ورود سیال به داخل لوله‌ها، از طریق کانال انجام می‌شود. در مبدلهای حرارتی معمولا یک تا دو کانال موجود است.
-
تیغه(بفل):
تیغه‌ها در مبدلهای حرارتی داخل پوسته قرار می گیرند. لوله‌ها از سوراخ‌های ایجاد شده درون تیغه‌ها عبور می‌کنند. تیغه‌ها به دو منظور در مبدلهای حرارتی استفاده می شوند:
1. نگهداری لوله‌ها وجلوگیری از خم شدن آن‌ها.
2. ایجاد جریان‌های متقاطع و ازبین‌بردن مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله‌ها.
-
سرپوسته:
سر‌پوسته‌ها عموما به شکل نیم‌کره ساخته شده و توسط پیچ و مهره به لوله‌ها متصل میشوند.
