آشنایی با انواع مبدل های حرارتی

این مبدل ها از لوله هایی با مقطع دایره اي ساخته شده اند. یک سیال در داخل لوله ها و سیال دیگر در خارج از لوله جریان دارد. قطر، تعداد، طول، گام و آرایش لوله ها می تواند تغییر کند. بنابراین انعطاف پذیري قابل ملاحظه اي در طراحی آنها وجود دارد.

مبدل هاي حرارتی لوله اي می توانند به صورت زیر دسته بندي شوند :

1. مبدل هاي حرارتی دو لوله اي

مبدل هاي دو لوله اي معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لوله اي دیگر با قطر بزرگتر قرار می گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند. مبدل هاي حرارتی دو لوله اي می توانند با آرایش گوناگون سري و موازي مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دماي مورد نظر را برآورده سازند. استفاده عمده مبدل هاي دو لوله اي، براي گرمایش و سرمایش محسوس سیال هاي فرآیندي است که در آنها سطوح50 ) مورد نیاز می باشد. این شکل بندي، همچنین در حالتیکه m انتقال گرماي کوچکی ( تا 2 یک یا هر دو سیال سرد و گرم، در فشار زیاد باشند، مناسب است. عیب اصلی این مبدل ها آنست که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم بوده. به عبارت دیگر براي ظرفیت گرمایی مشخص، بزرگ و گران قیمت هستند. اگر ضریب انتقال گرما براي سیال عبوري در فضاي بین لوله داخلی و خارجی کوچک باشد، لوله ( یا لوله هاي ) داخلی داراي پره هاي طولی می توانند استفاده شوند.

2. مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله (Shell & Tube)



مبدل هاي پوسته و لوله، از لوله هاي با مقطع دایره اي که در پوسته هاي استوانه اي بزرگ نصب شده اند، ساخته می شوند به طوري که محور لوله ها موازي با محور پوسته است. این مبدل ها به صورت وسیعی به عنوان خنک کن هاي روغن، چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاه ها، و به عنوان مولدهاي بخار در نیروگاه هاي هسته اي و در کاربرد هاي صنایع فرآیندي و شیمیایی استفاده می شوند. در مبدل هاي داراي بافل ( تیغه ها و صفحات هدایت کننده جریان )، جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالیک ه از فاصله مابین دو بافل به فاصله بعدي منتقل می شود، موازي با لوله ها، جهت می یابد. بسته به کاربرد مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله، تفاوت زیادي در شکل و ساختمان آنها وجود دارد. اهداف اصلی طراحی در این مبدل ها، در نظر گرفتن انبساط حرارتی پوسته و لوله ها، تمیز کردن آسان مجموعه، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبه ها، کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنهاست. پوسته، ( Fixed tube sheet ) در مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله هاي ثابت به صفحه لوله جوش داده شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج از دسته لوله، براي تمیز کاري وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و داراي انبساط گرمایی محدود است که می تواند اندکی توسط فانوسی هاي انبساط، افزایش یابد. در این نوع از مبدلها، تمیز کردن لوله ها، ساده است. شکل داراي کم هزینه ترین ساختار است، U مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله شکل تند، U زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم نمیتواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهاي لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد. آرایش هاي مختلف جریان در سمت پوسته و لوله، بسته به ظرفیت گرمایی، افت فش ار، سطح فشار، تشکیل رسوب، شیوه هاي ساخت و هزینه بري، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاري، استفاده می شوند. بافل ها براي افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته و براي نگه داشتن لوله ها استفاده میگردند. مبدل هاي پوسته و لوله، بر حسب نیاز، براي هر ظرفیت و شرایط کارکرد، طراحی می شوند. این مشخصه مبدل هاي پوسته و لوله، متفاوت با بسیاري از انواع دیگر مبدل ها می باشد.

3. مبدل هاي حرارتی لوله اي حلزونی

این مبدل ها شامل کویل هایی هستند که به صورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند و یا به صورت چگالنده هاي هم مرکز و تبخیر کننده هاي هم مرکز هستند که در سیستم هاي تبرید استفاده می شوند. ضریب انتقال گرما، در لوله حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم، بیشتر است. این مبدل ها، براي انبساط گرمایی و سیال هاي تم یز مناسب هستند، زیرا تمیز کردن آنها تقریبا غیر ممکن است.

مبدل هاي حرارتی صفحه اي، از صفحات نازك که کانال هاي جریان را تشکیل می دهد، ساخته می شوند. جریان هاي سیال، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موجدار هستند، از هم جدا می شوند. این مبدل ها براي انتقال گرما بین گاز، مایع یا جریان هاي دو فاز، استفاده می شوند. این مبدل ها می توانند به صورت زیر دسته بندي شوند:

1. مبدل هاي حرارتی صفحه اي واشردار



مبدل هاي صفحه اي واشردار شامل تعدادي از صفحات نازك با سطح چین دار یا موج دار است که سیال هاي گرم و سرد را از یکدیگر جدا می کند. صفحات داراي قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوي آرایش داده شده اند که دو ماده اي که باید گرما بین آنها مباد له شود، یکی در میان فضاي صفحات، جریان یابند. طراحی و واشر بندي مناسب، امکان آن را ایجاد می کند که مجموعه اي از صفحات، توسط پیچ ها که از صفحات ابتدا و انتها نیز می گذرند، در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. واشرها از نشتی به بیرون جلوگیري می کنند و سیال ها را در صفحات، به شکل مورد نظر، هدایت می نمایند. شکل جریان، عموماً به نحوي انتخاب می شود که جریان سیال ها در خلاف جهت یکدیگر باشند. مبدل هاي صفحه اي معمولا به2 و دماي کمتر از حدود 250 درجه سانتیگراد محدود bar جریان سیال با فشار پایین تر از می شوند. جریان قوي گردابه اي موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال گرما و افت فشارها می گردد، بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی، باعث کاهش تشکیل رسوب می شود. این مبدل ها، سطح انتقال حرارتی نسبتاً فشرده و با وزن کم ایجاد می کنند. دما و فشار آنها به دلیل جزئیات ساخت و واشربندي، محدود هستند. این مبدل ها به آسانی تمیز.و استریلیزه میشوند زیرا می توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده اي در صنایع غذایی دارند.

2. مبدل هاي حرارتی صفحه اي حلزونی

مبدل هاي صفحه اي حلزونی، با پیچاندن دو صفحه بلند موازي به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی ( مندرل ) و جوش دادن لبه هاي صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شوند. فاصله بین صفحات فلزي در هر دو کانال حلزونی، با استفاده از پین هاي فاصله انداز که به ورق فلزي جوش می شوند، حفظ می شود. طول20 تغییر کند. به همین دلیل است که با توجه mm پین هاي فاصله انداز می تواند بین 5 تا به نرخ جریان، می توان فواصل مختلفی براي کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل و بنابراین کوچکترین سطوح گرمایش ممکن، بدست می آیند. در هر یک از دو مسیر حلزونی، یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال گرما را افزایش، و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این مبدل ها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود، نسبتاً گران قیمت می باشند.500 می باشد. حداکثر فشار m سطح انتقال گرما براي این مبدل ها، در محدوده 0,5 تا 215 ) و دماي کارکرد ( تا 500 درجه سانتیگراد ) در این مبدل ها محدود bar کارکرد( تا هستند مبدل هاي حرارتی حلزونی به ویژه در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازي مایع- جامد، استفاده می شوند. مبدل هاي حلزونی، در سه نوع اصلی که در اتصالات و آرایش هاي جریان، تفاوت دارند، ساخته می شود.

3. مبدل هاي حرارتی لاملا

مبدل هاي حرارتی لاملا ( ریمن ) شامل مجموعه کانال هاي ساخته شده از صفحات فلزي نازك است که به طور موازي جوشکاري شده اند و یا به شکل لاملا ( لوله هاي تخت یا کانال هاي مستطیلی ) می باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند. این مبدل، شکل اصلاح شده اي از مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است، لوله هاي تخت شده که به آن ها لاملا نیز گفته میشود، از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته، به یکدیگر جوش نقطه اي یا درزي شده اند، ساخته شده است. شکل دهی خاص صفحات باریک، فضاي داخل لاملاها را ایجاد می کند و برجستگی هایی به سمت خارج، بیرون می زند که به صورت فاصله دهنده، بین لاملاها، براي ایجاد مقاطع جریان در سمت پوسته بکار می رود. لاملاها در هر دو انتها با قرار دادن میله هاي فولادي در وسط آنها به یکدیگر جوش می شوند. اندازه میله هاي فولادي بسته به فاصله مرد نیاز بین لاملاها دارد. هر دو انتهاي دسته لاملا بوسیله جوش هاي محیطی، به درپوش کانال متصل می شوند که آن هم خود، در انتهاي خارجی به نازل ورودي و خروجی جوش شده است. بنابراین سمت لاملا کاملاً توسط جوشها آب بندي شده است. سطوح ما بین لاملاها براي تمیز کاري شیمیایی مناسب هستند بنابراین سیال هاي رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند. جریان سمت پوسته عموماً یک گذر حول صفحات است و به صورت طولی در فضاي بین کانال ها جریان می یابد. هیچگونه بافلی در سمت پوسته وجود ندارد و بنابراین مبدل هاي لاملا می توانند براي آرایش جریان مخالف جهت واقعی در نظر گرفته شوند. به دلیل آشفتگی زیاد جریان، توزیع یکنواخت جری ان و سطوح صاف، لاملاها به سادگی رسوب نمی گیرند. دسته صفحه می تواند به راحتی براي بازرسی و تمیز کاري بیرون آورده شود. این طرح داراي35 و تحمل دما تا 200 درجه سانتیگراد براي واشرهاي تفلون و bar ظرفیت تحمل فشار تا500 درجه سانتیگراد براي واشرهاي آزبست می باشد.

مبدل هاي حرارتی با سطوح پره دار، داراي پره ها و یا ضمائمی در سطح اصلی ( لوله اي یا صفحه اي ) انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از سمت مایع است، سطوح انتقال گرماي پره دار، در سمت گاز براي افزایش سطوح انتقال گرما استفاده می شوند. پره ها به صورت وسیع در مبدل هاي حرارتی گاز – گاز یا گاز – مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل هاي حرارتی فشرده نیاز باشد استفاده می گردند. دو نوع از رایج ترین مبدل هاي حرارتی داراي صفحات پره دار عبارتند از:

1. مبدل هاي صفحه اي پره دار (Plate Fin Heat Exchangers)



نوع مبدل عمدتاً براي کاربردهاي گاز- گاز و مایع- گاز استفاده می شوند. در اکثر کاربردها ( ماشین هاي باري، اتومبیل ها و هواپیماها ) کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه اي برخوردار است. به دلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن، مبدل هاي حرارتی فشرده همچنین به صورت وسیع در تبرید با دماي خیلی کم (کرایوژنیک) بازیابی انرژي، صنایع فرآیندي، تبرید وسیستم هاي تهویه استفاده می گردند. جریان هاي سیال با صفحات تخت که بین آن ها پره هاي موج دار قرار داده شده اند، از هم جدا می شوند. آن ها می توانند با توجه به جریان هاي سیال با شکل بندي هاي متفاوت آرایش داده شوند. این واحد هاي بسیار فشرده داراي سطح انتقال گرما در واحد حجم حدود1 و پره ها داراي ضخامت mm 2000 میباشند. صفحات عموماً داراي ضخامت 0,5 تا m2 m3 0,75 می باشند. کل مبدل از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است و اجزاء مختلف، mm 0,15 تا در حمام نمک یا کوره خلاء به یکدیگر لحیم می شوند.

ورق هاي موج دار که بین صفحات تخت قرار داده شده اند، باعث ایجاد سطح انتقال گرماي بیشتر می شوند و هم تکیه گاهی براي صفحات تخت ایجاد می کنند. شکل هاي مختلف بسیاري از ورق هاي موجدار در این مبدل ها استفاده می شوند ولی رایجترین آنها عبارتند از:

پره ساده، پره ساده سوراخدار، پره دندانه اي یا کنگره اي، پره جناغی یا موجی شکل. با استفاده از پره ها که در راستاي جریان پیوسته نباشند، لایه هاي مرزي کاملاً شکسته می شوند و بهم می خورند، اگر سطح در راستاي جریان داراي موج باشد، لایه هاي مرزي یا نازك می گردند و یا قطع می شوند که نتیجه آن ضرایب بزرگتر انتقال گرما و افت فشار بزرگتر است. کانال هاي جریان در مبدل هاي صفحه اي پره دار کوچک هستند که بدین معناست که300 ) تا از افت فشار kg m2.s سرعت جرمی جریان در آنها نیز باید کوچک باشد ( 10 تا اضافی، اجتناب شود. این موضوع کانال را مستعد براي تشکیل رسوب نماید، با توجه به این موضوع که این مبدلها نمی توانند به صورت مکانیکی تمیز شوند، استفاده از این مبدل هاي صفحه اي پره دار منحصر به سیال هاي تمیز است. آنها به وفور براي مصارف چگالش در واحدهاي مایع سازي هوا استفاده می شوند. مبدل هاي صفحه اي پره دار براي استفاده در توربین هاي گاز، نیروگاههاي مرس وم و هسته اي، مهندسی پیشرانه (هواپیماها، ماشین هاي باري و خودروها)، تبرید، گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، سیستم هاي بازیابی گرما ي اضافه، صنایع شیمیایی و سرمایش وسایل الکترونیکی بوجود آمده اند.

2. مبدل هاي لوله اي پره دار (Tube Fin Heat Exchangers)



این مبدل ها شامل آرایه اي از لوله ها با پره هایی که در سمت بیرونی ثابت شده اند، می باشد. پره هاي سمت خارجی لوله ها ممکن است عمود بر محور لوله ها، اریب ی ا مارپیچ نسبت به محور، یا طولی (محوري) و در امتداد محور لوله باشند. پره هاي طولی معمولاً در مبدل هاي دو لوله اي یا پوسته و لوله اي که داراي بافل نیستند استفاده می شوند. در مبدل هاي لوله اي پره دار عموماً لوله هایی با مقاطع گرد، مستطیلی یا بیضوي استفاده می شوند. پره ها با لحیم کاري، جوش برنجی، جوشکاري، اکستروژن، جا زدن مکانیکی، پیچاندن کششی و غیره به لوله وصل می شوند. این مبدل ها بطور متداول در سیستم هاي گرمایش، تهویه، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. سطوح داخلی در سمت لوله ها عموماً در چگالنده ها و تبخیر کننده هاي سیستم هاي تبرید استفاده می گردند. چگالنده هاي خنک شونده با هوا و دیگ هاي بخار بازیافت، مبدل هاي حرارتی لوله اي پره دار هستند که شامل یک دسته افقی از لوله ها است که هوا یا گاز از میان لوله ها و متقاطع با آن ها در سمت خارجی دمیده می شود و چگالش یا جوشش، در سمت داخل لوله ها اتفاق می افتد.