مکانیک دانشگاه آزادواحدتاکستان

فنی ومهندسی

مکانیک دانشگاه آزادواحدتاکستان

فنی ومهندسی

مبدل های حرارتی

محتویات

انواع مبدل‌های حرارتی

استانداردهای مرتبط

TEMA که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل‌های لوله‌ای (آمریکا) تدوین شده است. برای طراحی و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
API ۶۶۰ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای استفاده می‌گردند.
API ۶۶۱ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحی و ساخت مبدل‌های هوا خنک استفاده می‌گردند.
ASME Sec VIII که برای طراحی مکان یکی مبدل‌های حرارتی فشار بالا استفاده می‌گردد.

اصول طراحی مبدل‌های حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه‌ای اساسا" با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدل‌ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدل‌های لوله‌ای) پیشی بگیرد. به دلیل تنوع بسیار زیاد محدوده‌های طراحی این نوع مبدل‌ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکت‌های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمی کنند.

مبدل‌های صفحه‌ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا می‌کنند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی چیدمان شده‌اند که دو سیال عامل بصورت یک در میان میان صفحات جریان دارند. طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد می‌کند که مجموعه از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه‌ای مناسب را بدهند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای معمولاً "در جریان سیالتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می‌شوند. از آنجا که کانالهای جریان کاملا کوچک هستند جریان قوی گردابه‌ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می‌گردد بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می‌شود. واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می‌کنند و سیال‌ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می‌نمایند. شکل جریان عموما" به نحوی انتخاب می‌شوند که جریان سیالها خلاف جهت یکدیگر باشند.

انواع مبدل‌های صفحه ای

صفحه ای حلزونی

با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه‌های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می‌شود. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد می‌شود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می‌دهد این نوع مبدل‌های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعا گران قیمت می‌باشند. سطح انتقال حرارت برای این مبدل‌ها در محدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشار کارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ سانتیگراد محدوده می‌شود. این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می‌شود.

لاملا

مبدل حرارتی نوه لاملا (ریمن) شامل مجموعه کانالهای ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که بطور موازی جوشکاری شده است. بدلیل آشفتگی زیاد جریان توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف بسادگی رسوب نمی گیرند. این طرح از مبدل می‌تواند تحمل فشار تا ۳۵ بار و دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و ۵۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای آزبست می‌باشد.

صفحه ای واشردار

خصوصیات مکانیکی صفحه ای واشردار

یک مبدل حرارتی صفحه‌ای تشکیل شده است از صفحات ثابت، صفحات فشار دهنده و تجهیزات پنوماتیکی و یا مکانیکی متعلقه و connection ports ها. سطح انتقال حرارت از یک سری صفحات با مجاری ورودی و خروجی تشکیل می‌شود.

مجموعه صفحات و فریم اصلی

هنگامیکه تعدادی از صفحات این نوع مبدل‌ها بهم فشرده می‌شوند و تشکیل مبدل صفحه‌ای را می‌دهند سوراخهای واقع در گوشه‌های این صفحات تشکیل تونلها و یا مجاری پیوسته‌ای را می‌دهند که سیال را از مبدا ورودی به صفحات هدایت می‌کند که در آنجا با توجه به شکل شیارهای صفحات بین آنها توزیع می‌شود. مجموعه این دسته از صفحات با وسائل مکانیکی و یا هیدرولیکی بهم فشرده می‌شوند. جویهای جریان سیال که در مابین صفحات و خروجی گوشه‌های آن تشکیل می‌شود به نحوی چیدمان شده است که جریانهای سرد و گرم انتقال حرارت بشکل یک در میان در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند بطوریکه همیشه دارای چیدمان مخالف جهت حرکت جریان می‌باشند. در طی عبور از مبدل حرارتی، سیال گرمتر بخشی از انرژی حرارتی خود را از طریق دیواره صفحه‌ای نازک به سیال سردتر در سمت دیگر منتفل می‌کند و در نهایت سیالها به حفره‌های لوله‌ای شکلی که در انتهای دیگر مجموعه صفحات وجود دارد سرازیر می‌شوند و از مبدل خارج می‌شود. این صفحات می‌توانند تا صد عدد در یک مبدل در کنار هم قرار گیرند و خدمات حرارتی خود را به صنعت ارائه دهند. مجموعه صفحات بین دو صفحه فلزی انتهائی بوسیله پیچ بهم وصل می‌شوند. صفحات و قطعات منفصل فریم از میله حامل بالائی آویزان هستند و در انتهای مبدل بوسیله میله راهنما نگهداری می‌شوند. میله حامل و میله راهنما به قطعه ثابت فریم پیچ و مهره می‌شود و بجز مبدل‌های کوچک بقیه به تکیه گاه انتهائی متصل می‌شوند هر چند این نمی‌تواند همیشه یک قاعده کلی باشد. مجموعه صفحات مانند دسته لوله‌ها در مبدل‌های پوسته‌ای و لوله‌ای است با این تفاوت مهم که دو سمت جریان گرم و سرد در یک مبدل حرارتی صفحه‌ای معمولاً دارای مشخصه‌های هیدرودینامیکی یکسانی می‌باشد. صفحه فلزی مبدل جزء اساسی این سیستم حرارتی محسوب می‌شود که اندازه بزرگترین صفحه از ۳/۴ متر ارتفاع و ۱/۱ متر عرض می باشد. نرخ انتقال حرارت برای یک صفحه در محدوده رنج ۰۱/۰تا ۶/۳ متر مربع قرار دارد که برای اجتناب از توزیع غیریکسان سیال درعرض صفحه، حداقل نسبت طول/عرض حدود ۸/۱ انتخاب می‌شود. ضخامت صفحات مبدل در محدوده رنج ۵/۰ تا ۲/۱ میلی‌متر که در فواصل ۵/۲ تا ۵ میلی‌متر از یکدیگر قرار گرفته‌اند تا قطر هیدرولیکی ۴ تا ۱۰ میلی‌متر را برای کانال عبور جریان ایجاد کند.

واشر بندی

با واشر بندی و عایقکاری دور لبه صفحه خارجی می‌توان از نشتی جریان از کانالهای صفحات به محیط بیرون جلوگیری نمود. صفحات می‌توانند از جنس استنلس استیل، تیتانیوم، تیتانیوم-پالادیوم و ... ساخته شوند که با توجه به ضریب هدایت گرمائی متفاوتی که دارا می‌باشند در طراحی مورد توجه واقع می‌شوند.

ماده ضریب هدایت گرمائی

استنلس استیل(۳۱۶) ۱۶٫۵ تیتانیوم ۲۰ اینکونل ۶۰۰ ۱۶ اینکولوی ۸۲۵ ۱۲ هستلوی C -۲۷۶ ۶/ ۱۰ مونل ۴۰۰ ۶۶ نیکل ۲۰۰ ۶۶ کاپرونیل ۱۰/۹۰ ۵۲ کاپرونیل ۳۰/۷۰ ۳۵

انواع صفحات مبدل

در عمل محدوده نسبتا متنوع و زیادی از انواع صفحات مبدل وجود دارد اما به بررسی دو نوع نسبتا جدید از این صفحات می‌پردازیم که کاربرد وسیعتری دارند. این دو نوع بنامهای شورون(chevron ) و واشبرد (washboard) در دسترس هستند. البته با توجه به تغییرات زیاد انتقال حرارت و فشار در هر الگوی صفحات موجدار روشهای پیشگوئی انتقال حرارت و فشار بر اساس داده‌های تجربی همان الگوی مشخص استوار می‌باشد. در صفحات نوع واشبرد، صفحات مجاور بصورتی مونتاژ می‌شوند که کانال جریان سیال حرکتی آشفته و گردابی با سیال می‌دهد. این الگوی موجدار زاویه‌ای بنام دارد که از آن به زاویه شورون نام می‌بریم.

که این زاویه در صفحات مجاور هم معکوس می‌شوند بصورتیکه وقتی صفحات به یکدیگر محکم می‌شوند موجهای سطحی نقاط تماس زیادی برقرار می‌کنند که به همین دلیل صفحات مبدل می‌تواند از مواد بسیار نازک تا حدود ۶/۰ میلیمتر طراحی شوند. تغییرات زاویه حدود بین رنج ۶۵ و ۲۵ درجه می‌باشد که این زاویه تعیین کننده مشخصه‌های انتقال حرارت و افت فشار صفحه مبدل می‌باشد.

مزایای مبدل‌های صفحه ای تنوع در طراحی صفحات و چیدمان شیارها و سایز و زوایا

سطح انتقال حرارت با توجه به امکان در تغییر تعداد صفحات و شکل بندی آن براحتی قابل وصول است.
انتقال حرارت بهینه که بدلیل درهم بودن جریان و کوچکی قطر هیدرولیکی برای هر دو سیال عامل دارای ضریب انتقال حرارت بزرگ هستند.
باتوجه به فشردگی صفحات سطح انتفال حرات به حجم ارزشمند است.
اتلاف حرارت بسیار ناچیز دارد و نیاز به عایقکاری ندارد
در حالت خراب واشر لاستیکی دو سیال تحت هیچ شرایطی مخلوط نمی‌شوند.
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای بدلیل توربولانس جریان درصد بسیار کمی رسوب گذاری دارد.

مبدل‌های صفحه‌ای بصورت ویژه‌ای فشرده هستند و در نرخ انتقال حرارت حرارت مشابه فضای محدودتری در مقایسه با مبدل‌های لوله دارد ضمن اینکه حجم کم و وزن کمتر و به طبع آن هزینه‌های کمتر در ساخت و بهره برداری و نگهداری را به همراه دارد. البته این نوع مبدل مانند همه تجهیزات صنعتی دارای محدودیتهائی هستند.

محدودیتها

حداکثر فشار کارکرد ۲۵ بار و در موارد کاملا خاص حداکثر ۳۰ بار
حداکثر دما و با واشرهای مخصوص حداکثر
حداکثر دبی جریان
سطح انتقال حرارت
ضریب انتقال حرارت
واشرهای لاستیکی محدودیت در حداکثر دمای قابل دستیابی و فشار کارکرد و نوع سیال را برای طراحی این نوع مبدل‌ها ایجاد می‌کند. ضمنا هندسه پیچیده کانالهای جریان باعث افزایش ضریب اصطکاک در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای می‌شوند.

علت اصلی عدم پیشرفت استفاده از این نوع مبدل‌های در صنایع محدودیت ساخت صفحات بزرگ به جهت محدودیت در پرسکاری و ساخت صفحات می‌باشد. که عملاً مبدل‌های حرارتی با اندازه‌های بیشتر از قابل ساخت نیستند یعنی در واقع بصرفه هم نیستند. دبی‌های بزرگ جریان باعث افت فشارهای اضافی خواهد شد که از این منظر باعث محدودیت در ظرفیت گرمائی می‌شود که در مرتبه بالاتر طراحی واشرها به ترتیبی نیست که در فشارو دماهای بالاتر بتوان از این نوع مبدلها سود جست.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای را نمی‌توان برای کولینگ هوا استفاده کرد و حتی برای تبادل حرارت در کوپلهای هوا-هوا و یا گاز-گاز نیز مناسب نیستند ضمنا سیالاتی با لزجت بالا بویژه وقتی خنک کاری مورد نظر باشد با توجه به اثرات توزیع جریان در این نوع مبدلها ناکارآمد جلوه می‌کنند. ضمنا سرعتهای کم جریان سیال کمتر از، ضرایب کوچک انتقال حرارت و به تبع آن بازدهی غیر بهینه را در مبدلهای صفحه‌ای ایجاد می‌کند که به همین علت در سرعتهای کمتر از نمی توان از این نوع مبدلها سود جست.

مبدلهای حرارتی صفحه‌ای برای انجام کندانس خیلی مناسب نیستند که این مورد بخصوص در مورد بخارها در خلا نسبی صدق می‌کند زیرا فاصله‌های باریک صفحات و توربولانس ایجاد شده باعث بوجود آمدن افت فشارهای قابل ملاحظه‌ای در سمت بخار می‌شود. هرچند با توجه به پیشرفتهای حاصل شده در حال حاضر مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای با طراحی‌های ویژه را می توان در سیستم‌های تبخیر و کندانس نیز استفاده کرد. مسیرها و چیدمان جریان

واژه مسیر یا گذرگاه (passage) در مبدل‌های حرارتی صفحه ای به دسته‌ای از کانالها گفته می‌شود که در آنها جهت جریان یکسان باشد. شکل ذیل چیدمان تک مسیری را که بنام چیدمان "U"و "Z" اطلاق می‌شود را مشاهده می‌کنید که هر چهار دهنه ورودی و خروجی در صفحه سر همگرا هستند (fixed-head plate) که این خاصیت امکان دمونتاژ مبدل را برای تعمیر و نگهداری بدون ایجاد مشکل در سیستم لوله کشی خارجی آن را فراهم می‌کند ضمنا در این نوع چیدمان توزیع جریان توربولانس تر از چیدمان نوعZ می‌باشد.

چیدمان چند مسیره شامل مسیرهای متصل شده بشکل سری هستند که در شکل زیر چیدمان شکل بندی با دو مسیر و سه یا چهارکانال نمایش می‌دهند که باختصار آنرا و یا می نامند. این سیستم بجز صفحه مرکزی که در آن جریان هم جهت روان است دارای جریان مخالف جهت می‌باشد.

شکل زیر سیستم جریان دو مسیر –یک مسیر (شکل بندی نوع ۱/۲) را نشان می دهد که در آن یک سیال در مسیر خط چین و سیال دیگر در دو مسیر خط توپر جریان دارد. در این نوع چیدمان نیمی از مبدل دارای جریان مخالف و نصف دیگر دارای جریان هم جهت می‌باشد که از آن به عنوان سیستم نامتقارن نام برده می‌شود و اگر یکی از سیالهای مورد استفاده دارای دبی حجمی بزرگتر از دیگری و یا افت فشار مجاز کوچکتر از جریان دیگر باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چیدمانهای چند مسیره همیشه باید ورودی و خروجی مبدل در هر دو سر ثابت و متحرک وجود داشته باشد .معمولا تعداد مسیرها، تعدادکانالها (مسبر جریان در دوصفحه مجاور )به ازای هر مسیر، برای دو سیال یکسان و بصورت متقارن باشد.

توزیع غیرمتقارن در هر سیستم با کانالهای متصل بهم منجمله مبدل‌های صفحه‌ای می تواند مشکل آفرین باشد که مسئله باید در طراحی این نوع سیستمهای حرارتی بسیارمورد توجه قرار گیرد.

سطوح کاربرد و استفاده مبدل‌های حرارتی صفحه ای

مبدل‌های حرارتی صفحه ای با داشتن مشخصات خاص بطور گسترده ای در صنایع غذائی مورد استفاده قرار می گیرند که به دلیل همین خاصیت یعنی تعمیر و نگهداری آسان و تمیز کاری بسیار راحتر دامنه نفوذ خود را حتی تا صنعت خودرو سازی نیز گسترش داده است . کاربردهای عمومی مبدل‌های حرارتی صفحه ای اصولا در شرایط فازی مایع – مایع و جریانهای توربولانس می باشد. از موارد بسیار مهم استفاده از این نوع سیستم‌های حرارتی می توان به سیستم‌های خنک کن مرکزی که از آب دریا بعنوان چاه گرمائی استفاده می‌کند، اشاره کرد وهمچنین وقتی بحث موادخورنده مطرح است برگ برنده مبدل‌های حرارتی صفحه ای در استفاده بدون محدودیت از مواد با تحمل خوردگی بالا در ساخت صفحات مبدل می‌باشد که می توان به عنوان نمونه از تیتانیوم در آن نام برد .

خوردگی

وقتیکه از مواد با خورندگی بالا استفاده می کنیم مبدل‌های حرارتی صفحه ای بهتر گزینه است حتی اگر این مبدل را با صفحات گران قیمت بسازیم در مقایسه با مبدل‌های دیگر بصرفه ترند ضمنا با توجه به نازکی صفحات این نوع مبدل‌ها عملاً نیازی به گرفتن اضافه ضخامت در زمان طراحی نسبت به انواع دیگر بسیار ناچیز می‌باشد البته با توجه به وجود جریان آشفته در صفحات این نوع مبدل‌ها وقتی که مواد شیمیائی با خورندگی بالا در این صفحات جریان دارد باید از مواد با کیفیت تر برای ساخت صفحات استفاده کنیم که البته با لحاظ تمام این شرایط ارجحیت استفاده ازاین نوع مبدل‌ها اثبات شده است .

انتخاب مواد برای ساخت صفحات مبدل با توجه به تجربه‌های سازندگان در جدول صفحه قبل خلاصه که در سفارش این نوع مبدل‌ها می تواند به کارشناسان تعمیر و نگهداری و یا طراحان کمک شایانی نماید .

افزایش غلظت مواد خورنده در یک لایه رسوبی سطحی که با اثر دمائی دیواره فلزی که زیر رسوب قرار دارد خوردگی موضعی را افزایش می دهد که می تواند باعث تخریب قابل ملاحظه گردد که در مبدل‌های صفحه ای این مشکل کمتر دیده می‌شود چون تمایل به رسوب گذاری با توجه به جریان همیشه آشفته گذرهای جریان در این نوع صفحات کمتر از مبدل‌های نوع دیگر می‌باشد .مشکل تشکیل رسوب مبحث مهمی را در طراحی مبدل‌های حرارتی به خود اختصاص می دهد اما بیشتر این اطلاعات بصورت تجربی در اختیار سازندگان قرار دارد اما با توجه به دلائل زیر عدم تمایل به تشکیل رسوب در مبدل‌های حرارتی بسیار کمتر از مبدل‌های نوع لوله ای می‌باشد .

جریان توربولانس باعث عدم ماند مواد معلق می شود.نمودارتغییرات سرعت در مقطع صفحه با توجه به عدم وجود ناحیه سرعت پائین یکنواخت می باشد .با توجه به سطح صاف صفحات مبدل امکان صیقلی کردن آنها وجود دارد.دپوی مواد خورده شده با توجه به نرخ بسیار پائین رسوب گذاری عملا ناچیز بشمار می آید .با توجه به سادگی تمیز کاری مبدل های صفحه ای عملا زمان مورد نیاز برای تشکیل رسوب ارضاء نمیشود.

محاسبات انتقال حرارت و افت فشار

با توجه به اشکال مختلف طراحی مبدل‌های حرارتی طراحی این نوع مبدل‌ها بسیار تخصصی است .طراحی این نوع مبدلها بر خلاف مبدل‌های پوسته ای به طور کاملا" انحصاری در اختیار سازندگان آن می‌باشد .هرچند سعی فراوانی برای بهینه سازی دقت روابط انتقال حرارت و افت فشاردرمبدل‌های حرارتی صفحه ای شده است اما اکثر این روابط نمی توانند بطور عمومی بکار روند ودارای قابلیت پیش بینی زیادی باشند .متاسفانه روشهای طراحی که ارائه شده است اکثرا"تقریبی هستند و برای تعیین اولیه اندازه نامی واحدهای صفحه ای برای یک وظیفه گرمائی مشخص مناسب می باشند .

مبدلهای حرارتی

فرایند تبادل گرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی از هم جدا شده اند در بسیاری از کاربرد های مهندسی روی می دهد . وسیله ای را که برای این تبادل به کار می رود مبدل گرمایی می گویند ، و موارد کاربرد آن را در سیستم های گرمایش ساختمان ها ، تهویه مطبوع ، تولید قدرت ، بازیابی گرمای هدر رفته ، و فرآوری شیمیایی می توان یافت . ما درفرآیندهای شیمیایی و فیزیکی نیاز به گرم کردن و یا سرد کردن سیالاتی داریم که مورد استفاده قرار می گیرند. برای تبادل گرمای دو سیال بدون آنکه با هم آمیخته شوند ، نیاز به سطح انتقال حرارت داریم. امروزه در سراسر دنیا کارخانه های فراوانی یافت می شوند که در زمینه ساخت مبدلهای حرارتی فعالیت می کنند . آنها بر اساس نیاز مشتری خود و بر اساس استانداردهای تعیین شده به طراحی و ساخت مبدلهای حرارتی در سایزها و گونه های مختلف مبادرت می ورزند. در زیر به طور خلاصه به بررسی مبدلها و روابط کلی انتقال حرارت در آنها می پردازیم.

انواع مبدل های گرمایی بر حسب عملکرد

مبدل های گرمایی معمولاَ بر حسب آرایش جریان و نوع ساخت رده بندی می شوند . ساده ترین مبدل گرمایی مبدلی است که در آن سیالات گـرم و سـرد در جهت های یکسان یا مخالف در یک ساختـار لوله ای هم مرکز (tubular) حرکت می کند .

نمونه ای از مبدل لوله ای هم مرکز

انواع جریان در مبدلها

در آرایش جریان همسو ( parallel-flow یا concurrent flow) سیالات گرم و سرد از انتهای یکسان وارد می شوند ، در جهت یکسان جریان می یابند ، و از انتهای یکسان خارج می شوند .در آرایش جریان نا همسو (counter-flow) سیالات از دو سر متقابل وارد می شوند ، در جهت های مخالف جریان می یابند ، و از دو سر متقابل دیگر خارج می شوند.برای موازنه گرما خواهیم داشت:

$\dot{Q} = \dot{m}_h*(C_p)_h*(T_{h2}-T_{h1})$
$\dot{Q} = \dot{m}_c*(C_p)_c*(T_{c2}-T_{c1})$
$\dot{Q} = U*A_{ex}*\Delta {T_m}$

T_0.0 یا T_h1 دمای سیال گرم ورودی
T_h2 یا T_0.0 دمای سیال گرم خروجی
T_c1 یا T_0.0 دمای سیال سرد ورودی
T_c2 یا T_0.0 دمای سیال سرد خروجی

سیالات ممکن است دارای جریان عرضی ( عمود بر هم ) نیز باشند ، این نوع جریان عموما در مبدل های گرمایی لوله ای پره دار بکار می رود.
یکی از انواع مهم مبدل های گرمایی دارای سطح تبادل گرمای بزرگی در حجم واحد است و به آن مبدل گرمایی فشرده می گویند. این مبدل ها دارای صفحات یا لوله های پره دار ، با آرایش بسیار فشرده هستند و معمولاَ وقتی به کار می روند که حداقل یکی از سیالات گاز ، و لذا دارای یک ضریب جابجایی کوچک باشد ، لوله ها ممکن است تخت یا دایره ای باشند . مبدلهای گرمایی با صفحات موازی ممکن است پره دار یا کنگره ای باشد و از آنها در حالت تک پاس یا چند پاس استفاده کرد. مجراهای جریان در مبدل های گرمایی فشرده معمولاَ کوچک اند و جریان در آنها معمولاَ لایه ای است .اشکال دیگری از مبدهای حرارتی را در شکلها ملاحظه می کنید.

مبدل گرمایی با جریان همسو

در شکل توزیع دمای سیال گرم و سرد در مبدل گرمایی با جریان همسو ( مبدل tubular ) نشان داده شده است . اختلاف دمای ابتدا بزرگ است اما با افزایش x سریعاَ کاهش می یابد و به طور مجانبی به صفر نزدیک می شود باید توجه داشت که در چنین مبدلی دمای خروجی سیال سرد هیچ وقت از دمای خروجی گرم بیشتر نمی شود . در شکل اندیس های 1 و 2 دو سر متقابل را در مبدل نشان می دهد از این قرارداد برای تمام انواع مبدل های گرمایی استفاده می شود .

نمودار دما در طول مبدل برای جریان همسو و ناهمسو

طبق تعریف $\dot{Q}= UA \Delta T_m$ که در آن U ضریب انتقال حرارت کلی مبدل و A سطح تبادل حرارت در مبدل است.همچنین با کاربرد موازنه انرژی برای عناصر دیفرانسیلی از سیالات گرم و سرد شکل ${\Delta T_m}$ را می توان تعیین کرد البته اثبات آن در اینجا بیان نمی شود . هر عنصر دارای طول dx و مساحت سطح انتقال گرمای dA است . برای موازنه های انرژی و تحلیل پیرو آن ، فرض های زیر را در نظر می گیریم :
1- مبدل گرمایی از اطراف خود عایق شده است ،و در این حالت تبادل گرما فقط بین سیالات گرم و سرد است .
2- رسانش محوری در امتداد لوله ها ناچیز است .
3- تغییرات انرژی پتانسیل و جنبشی ناچیز است .
4- گرماهای ویژه سیالات ثابت اند .
5- ضریب کلی انتقال گرما ثابت است .
البته گرماهای ویژه بر اثر تغییرات دما تغییر می کنند ، و ضریب کلی انتقال گرما بر اثر تغییرات خواص سیال و شرایط جریان ممکن است تغییر کند . ولی ، در بسیاری از کاربردها این تغییرات خواص قابل توجهی نیستند و می توان با مقادیر متوسط c_pc ,، c_ph ,h و U کار کرد. برای بدست آوردن U داریم.

$\frac {1} {A}U_{pre} = \Sigma \frac{1} {hA} + \Sigma R$

$\frac{1}{U_{exp}}$ = $\frac{1}{U_{pre}}+R_f$

R = مقاومت گرمایی دیواره لوله ها
h = ضریب انتقال حرارت سیال ( سیال گرم و سیال سرد) که از روابط تئوری و تجربی بدست می آید. بسته به این که تغییر فاز داشته باشیم یا نداشته باشیم و هندسه انتقال حرارت . روابطی برای محاسبه آن در کتابهای انتقال حرارت موجود است.
$U_{exp}$ =ضریب انتقال حرارت کلی برای مبدل با محاسبه تاثیر رسوبات
$U_{pre}$ =ضریب انتقال حرارت بر مبنای تمیز بودن(بدون رسوب) مبدل
$R_f$ =مقاومت گرمایی لوله ها بر اثر رسوب
که معمولا از R ( مقاومت گرمایی لوله ها) صرف نظر میکنیم . در نهایت برای جریان همسو داریم.

$\Delta {T_m}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln \left( \frac{\Delta T_1}{\Delta T_2}\right) }$
$\Delta T_1 = T_{h1} - T_{c1}$
$\Delta T_1 = T_{h2} - T_{c2}$

مبدل گرمایی با جریان ناهمسو ]

بر خلاف مبدل با جریان همسو ، در مبدل با جریان ناهمسو انتقال گرما بین قسمت های گرم دو سیال در یک سر ، و همچنین بین قسمت های سرد دو سیال در سر دیگر روی می دهد . به همین دلیل اختلاف دما ، در طول مبدل در هیچ جا به بزرگی ناحیه ورودی مبدل با جریان همسو نیست . توجه کنید که دمای خروجی سیال سرد در اینجا می تواند بزرگ تر از دمای خروجی سیال گرم باشد .
برای مبدل با جریان ناهمسو اختلاف دما در نقاط انتهایی به صورت زیر تعریف می شود :

$\Delta {T_m}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln \left( \frac{\Delta T_1}{\Delta T_2} \right) }$

$\Delta T_1=T_{h1}-T_{c2}$
$\Delta T_1=T_{h2}-T_{c1}$

باید دانست که ، برای دماهای ورودی و خروجی یکسان ، اختلاف دمای میانگین لگاریتمی در جریان ناهمسو از اختلاف دمای میانگین لگاریتمی در جریان همسو بیشتر است . لذا ، با فرض مقدار U یکسان ، مساحت سطح لازم برای ایجاد آهنگ انتقال گرمای معین q در جریان ناهمسو کمتر از مساحت لازم در جریان همسو است . همچنین در جریان ناهمسو $T_{c2}$ می تواند بیشتر $T_{h2}$ از باشد ولی برای جریان همسو این طور نیست .
البته روشهای دیگری نیز برای تحلیل مبدل ها به کار می رود که در اینجا بیان نمی شود . از جمله روش NTU و روشهای تجربی .

انواع مبدل های حرارتی بر حسب ساختمان

مبدل های حرارتی پوسته و لوله (shell & tube heat exchangers)

مبدل پوسته لوله

نوع متداول دیگر مبدل گرمایی پوسته_ لوله ای است بر حسب تعداد پاس های پوسته و لوله ، این مبدل ها انواع مختلفی دارند و ساده ترین آنها که دارای یک پاس پوسته و یک پاس لوله است در شکل نشان داده شده است . معمولاَ دیوارک هایی نصب می شوند تا با ایجاد تلاطم و ایجاد مؤلفه سرعت عرضی در جریان ضریب جابجایی سیال در سمت پوسته افزایش یابد . مبدل های گرمایی دیوارک دار معمولا با یک پاس پوسته و دو پاس لوله و دو پاس پوسته و چهار پاس لوله تولید می شوند.

مبدل پوسته لوله تک پاس با جریان همسو

مبدل پوسته لوله دو پاس با جریان ناهمسو

در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای بافل(صفحات هدایت کننده جریان) ، جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالیکه از فاصله ما بین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود ، موازی با لوله ها ، جهت می یابد.

اهداف اصلی طراحی ، در این مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمایی 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.

در مبدل های پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت ، پوسته ، به صفحه لوله ، جوش شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج از دسته لوله ، برای تمیزکاری وجود ندارد . این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است .

مبدل های پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است ، زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند، نمی توانند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.

چندین طرح ایجاد شده اند که به صفحه لوله امکان می دهند تا شناور باشد(یعنی بتواند با انبساط گرمایی ، حرکت کند ). نوعی کلاسیک از طراحی سر شناور در شکل نشان داده شده است که بیرون کشیدن دسته لوله ها را از پوسته با حداقل جداسازی قطعات، ممکن می سازد. به این نوع مبدل ها برای واحد هایی با تشکیل زیاد رسوب ، نیاز می باشد. هزینه این مبدل ها زیاد است.

آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و سمت لوله ، بسته به وظیفه گرمایی ( ظرفیت گرمایی) ، افت فشار ، سطح فشار ، تشکیل رسوب ، شیوه های ساخت و هزینه بری ، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری ،استفاده می شوند. بافل ها در مبدل های پوسته و لوله برای افزایش ضریب انتقال گرما در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده می گردند.

مزایای مبدل های پوسته و لوله را می شود به شرح زیر نام برد :

1- در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.

2- طراحی مکانیکی خوبی دارند.

3- روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.

4- قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.

5- به راحتی تمیز می شوند.

مبدل های حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای اساسا با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات ، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدل ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدل های لوله ای ) پیشی بگیرد . به دلیل تنوع بسیار زیاد محدوده های طراحی این نوع مبدل ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملا شرکت های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمی کنند .

مبدل های صفحه ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا می کنند .صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی چیدمان شده اند که دو سیال عامل بصورت یک در میان میان صفحات جریان دارند .طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد می کند که مجموعه از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه ای مناسب را بدهند . .مبدل های حرارتی صفحه ای معمولا در جریان سیالاتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می شوند .از آنجا که کانالهای جریان کاملا کوچک هستند جریان قوی گردابه ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می گردد به علاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می شود . واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می نمایند. شکل جریان عموما به نحوی انتخاب می شوند که جریان سیالها خلاف جهت یکدیگر باشند .

شمایلی از مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل های صفحه ای حلزونی یا مارپیچ

صفحه ای حلزونی با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند ، شکل داده می شود . در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این نوع مبدل های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعا گران قیمت تمام می شوند .سطح انتقال حرارت برای این مبدل ها درمحدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشارکارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد می باشد . این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود ، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می شود . چون این مبدل ها توانایی زیادی در خود تمیز کنی و کم کردن رسوب گیری دارند .

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 آنها مشکل و زمان بر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها 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

شمایلی از مبدل حلزونی یا مارپیچ

مبدل های حرارتی هوا خنک

کولر های هوایی، مبدل هایی هستند که در آنها سیال فرآیندی با جریان هوا خنک می‌شود. در این مبدل ها بخارات گرم درون مجموعه ای از لوله ها که به صورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود. جداره خارجی لوله ها به پره مجهز شده است تا سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک افزایش یابد.

این مبدل ها از نظر شکل جریان، از نوع متقاطع می باشند که جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله ها به وسیله یک فن تامین می شود . اگر این فن بالای لوله ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله ها قرار گیرد به آن دمشی گویند . نوع مکشی به علت ایجاد توزیع یکنواخت جریان هوا بازدهی بیشتری دارد. در نوع مکشی اگر موتور گرداننده نیز به همراه فن در بالای لوله ها قرار گیرد به علت قرار گرفتن در معرض هوای گرم زودتر مستهلک می شود. برای رفع این مشکل می توان نیرو را با استفاده از شفت به فن انتقال داد و موتور را در محل مناسب تری قرار داد.

انتخاب مواد برای ساخت مبدل های حرارتی

طیف گسترده ای از مواد در ساخت مبدل های حرارتی استفاده می گردد. این مواد ممکن است فلزی یا غیر فلزی ( مانند گرافیت ، شیشه ، سرامیک و پلاستیک) باشند. به طور ساده ، فاکتورهای زیر را می‏توان در مورد انتخاب مواد برای مبدل های حرارتی و لوله ها مطرح کرد :
- سازگاری ماده با سیال‏های فرآیند و سایر مواد تشکیل دهنده مبدل ( مانند خوردگی و واکنش با موادی مانند هیدروژن )
- سهولت تولید و ساخت با استفاده از روشهای استاندارد تولید مانند ماشین‏کاری ، ریخته‏گری، نورد و... و روش های جوشکاری
- تحمل شرایط عملیاتی مانند دما و فشار (مواردی مانند استحکام، استحکام خستگی، شکست ترد، سختی، خزش، مقاومت در برابر دما، و ...)
- مسایل مربوط به قیمت و ایمنی از جمله قیمت ساخت، ایمنی و خسارات ناشی از شکست ، هزینه های نگه داری و سرویس
- در دسترس بودن ماده از لحاظ منابع ،
- و مسایل مربوط به اندازه تاسیسات ،و مدت زمان کارآیی و نگه داری و سرویس
- و ...
مواد به طور معمول بر اساس تجربیات پیشین ، تست های خوردگی ، نوشته ها و هندبوک ها و پیشنهاد تولید کنندگان مواد انتخاب می گردند. میزان موفقیت در انتخاب مواد و پروسه ساخت ، در رفتار تاسیسات در عمل ، منعکس میگردد . برای دستیابی به ایمنی و اطمینان کافی ، و کارکرد دایمی و مزایای اقتصادی ، بهتر است انتخاب مواد را به صورت مرحله به مرحله انجام داده و از مرحله طراحی شروع کنیم. و سپس به ترتیب به سراغ ساخت و تولید ، نصب و نگه‏داری برویم. در عمل یک بار ، تاسیسات برای یک بازده معین باید چک گردد. مواد متداول در طراحی مبدل های حرارتی :
1-چدن 2- فولاد کربن دار 3- آلیاژهای فولاد
4- فولاد ضد زنگ 5- آلومینیم و آلیاژهای آن 6- مس و آلیاژهای آن
7- نیکل 8- تیتانیوم 9- زیرکونیم
10- تانتالیوم 11-گرافیت 12- شیشه
13- تفلون 14-سرامیک

رسوب در مبدل ها

رسوب زدائی در مبدلهای حرارتی یکی از پرهزینه ترین مسائل در تعمیر و نگهداری مبدلهاست که باعث اتلاف سرمایه و همچنین زمان می شود . بطور مثال هزینه های ناشی از ایجاد رسوب در صنایع کشور آمریکا سالانه به ٥ میلیارد دلار می رسد که هزینه هنگفتی را بر صنایع تحمیل می کند. ایجاد رسوب بر روی سطوح انتقال حرارت باعث کاهش نرخ انتقال حرارت و همچنین افزایش افت فشار می گردد و لذا رسوب زدائی امری اجتناب ناپذیراست که باعث اتلاف زمان تولید و ایجاد هزینه فراوانی می گردد.