مبدل حرارتی

نام انگلیسی: Heat Exchanger

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال حرارت موثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده میگردد. از رایجترین مبدلهای حرارتی رادیاتور خودرو و رادیاتور شوفاژ است. مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله گرم کردن فضا، سرد سازی، تهویه مطبوع، خودرو، نفت و گاز و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار میگیرند. مکانیزم انتقال حرارت بصورت جابجایی و هدایت می باشد. یک مثال معمول از مبدل های حرارتی رادیاتور ماشین می باشد،که در آن آبی که با حرارت موتور ماشین داغ شده است ، حرارت آن از طریق رادیاتور به جریان هوا منتقل می کند. از انواع مبدل ها می توان به مواردی چون مبدل های لوله ای  (Tubular Heat Exchanger) که خود بر اساس شکل به مبدلهای لوله ای U شکل، مبدلهای دو لوله ای ساده و مبدل های دو لوله ای کویل دار تقسیم بندی می شوند)، مبدل های پوسته و لوله (Shell Tube Heat Exchanger)، مبدل های صفحه ای (Plate heat exchanger)، مبدل های پره دار (Fin Heat Exchangers)  اشاره کرد.

مبدل ها وسایلی هستند که در صنعت برای انتقال حرارت بین دو سیال بکار می روند. در ابتدا سعی می شود تا آنجا که ممکن است برای گرم کردن و سرد کردن جریان ها از خود سیال های موجود در فرایند استفاده شود . بعد از حداکثر کردن میزان بازیافت حرارت در شبکه مبدل حرارتی بار های گرمایشی و سرمایشی که از طریق بازیافت حرارت تامین نشده اند باید توسط سرویس های جانبی (Utility) تهیه شوند . مکانیزم انتقال حرارت بصورت جابجایی و هدایت می باشد. نحوه قرار گرفتن سیال ها در کنار یکدیگر می تواند به چندین صورت مختلف باشد:

– جریان همسو (co-current): دو سیال از یک طرف مبدل وارد شده و هر دو از طرف دیگر خارج می شوند. بعضی در مبدل نیز هردو در یک سو حرکت می کنند . نتیجتاً در مبدل نیز هر دو در یک سو حرکت می کنند.

– جریان ناهمسو (counter-current): هرکدام از سیال ها از جهات مخالف وارد و خارج می شوند (یکی از سیا لها از یک جهت و سیال دیگر از جهت دیگر وارد می شود) و دو سیال در مبدل به صورت ناهمسو جریان دارد.

– جریان متقاطع (cross-flow): یکی از سیال ها از یک جهت و سیال دیگر در جهت عمود بر آن جریان دارد. مشخص ترین نمونه آن رادیاتور ماشین می باشد که جریان آب از بالا به پایین در لوله ها و جریان هوا عمود بر آن می باشد.

– جریان چندگذر (multi pass): که در آنها جریان های دو سیال به صورت چندتایی در مبدل چیده شده اند.

این تقسیم بندی بر اساس سیال فرایندی مبدل شکل گرفته است. البته تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت گازها و مایعات در تعیین شکل مبدل نقش موثری دارد.

مایع/ مایع: در این نوع مبدل های حرارتی هر دو سیال مایع هستند و مکانیزم انتقال حرارت برای هر دو ، انتقال حرارت اجباری است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

گاز/ مایع: در این مبدل ها یک سیال مایع و سیال دیگر گاز است. معمولاً برای خنک نمودن سیال گرم توسط هوا استفاده می شود. جریان مایع با سرعت کافی داخل لوله پمپ می شود که این موجب بالا بودن ضریب انتقال حرارت طرف لوله ها می شود. هوا به صورت متقاطع بر روی لوله ها جریان می یابد. جریان هوا می تواند به صورت جابجایی اجباری یا آزاد باشد.

گاز/گاز: معمولاً کمتر اتفاق می افتد که در مبدل ها هر دو سیال گاز باشند مگر اینکه یکی از گازها در فشار بالا باشد. گاز فشار بالا که دانسیته آن بیشتر است در داخل لوله ها جریان می یابد. البته ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی کوچک است و برای انتقال حرارت مناسب باید تدابیری اندیشید. کندانسورها در این مبدل های حرارتی جریان بخار یک سیال توسط مایع (مثلاً آب) و یا جریان گاز (مثلاً هوا) خنک و کندانس می شود. گاهی اوقات بخار خارج لوله است مثل کندانسورهای نیروگاه های حرارتی و گاهی اوقات بخار داخل لوله است مثل کندانسورهای فرئون.

نام انگلیسیFin Heat Exchangers :

هنگامی که اختلاف فاحشی بین ضریب انتقال حرارت داخل و خارج لوله وجود داشته باشد از پره استفاده می شود. به عنوان مثال در مبدل های گاز/مایع در طرف گاز از پره های بلند استفاده می شود و یا در مبدل های گاز/گاز به علت کم بودن ضریب انتقال حرارت در دو طرف به وسیله فین ها سطح انتقال حرارت و در ننتیجه میزان آن را افزایش می دهند. پره ها معمولاً دارای ضخامت ۰٫۰۳۳۵ in هستند. راندمان حرارتی آنها با افزایش مقاومت حرارتی کاهش پیدا می کند. اگرچه لوله های با پره داخلی وجود دارد ولی در مبدلهای لوله ای بیشتر از پره های بلند طولی استفاده می شود که در خارج لوله تعبیه شده اند. پره ها می توانند پیچششی و منقطع نیز باشند تا بدین وسیله سیال داخل حلقه بهتر مخلوط شود. اما در عمل مشاهده می شود که افت فشار را به مقدار زیادی افزایش می دهند و به این ترتیب اثر افزایش انتقال حرارت خنثی می شود.

نام انگلیسی: Tubular Heat Exchanger

این گونه از مبدل ها از دو لوله هم محور تشکیل شده اند. یکی از سیال ها در داخل لوله میانی و در امتداد طول آن جریان می یابد و سیال دیگر در داخل حلقه بین دو لوله جریان خواهد یافت. سایر اجزاء ساختمانی این مبدل ها عبارتند از:

– زانوی برگشت

– سر برگشت

– اتصالات T

برای ورودی و خروجی سیال ها هنگامی که اختلاف انبساط حرارتی بین لوله خارجی و داخلی وجود دارد در کاربرد نوع اتصالات می باید دقت کافی شود تا تنش حرارتی مینیمم گردد. مبدل های لوله ای را می توان بر اساس شکل تقسیم بندی نمود:

۱ – مبدل های لوله ای U شکل

۲ – مبدل های دو لوله ای ساده

۳ – مبدل های دو لوله ای کویل دار

هنگامی که ضریب انتقال حرارت سیال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از ۲:۱ باشد، مثلاً داخل لوله مایعات کم لزج مثل آب با ضریب انتقال حرارت بالا باشد و خارج آن از مایعات لزج استفاده شود معمولاً بجای استفاده از مبدل های پوسته و لوله از مبدل های لوله ای استفاده می شود. البته در این موارد از پره با طول بلند که باعث افزایش سطح می شود، در خارج لوله استفاده می شود. همچنین اگر سرویس های فشار بالا مورد نیاز باشد ، مبدل های لوله ای ترجیحاً استفاده می شود. در سرویس های کوچک نیز از این مبدل ها استفاده می شود. استفاده و کاربرد زیادی که مبدل های لوله ای دارند به خاطر مزایای زیر می باشد:

این سیستم ها دارای انعطاف پذیری زیادی هستند. در طول های مختلف و از انواع لوله های مختلف و از مواد مختلف ساخته می شوند و خیلی سریع از سوار کردن قطعات استاندارد پیش ساخته آماده می گردند . با انتخاب صحیح اتصالات به آسانی می توان قطعات آن را پیاده نمود تا درون و بیرون لوله ها تمیز شوند. محاسبات طراحی آنها به صورت دقیق و خوبی تدوین شده است. توزیع و پخش سیال را می توان در واحدهای مختلف کنترل نمود. این کار با انتخاب پمپ های جداگانه برای هر سری مبدل امکان پذیر است. معایب مبدل های لوله ای از معایب عمده این مبدل ها می توان موارد زیر را نام برد:

۱ – برای بار حرارتی بزرگ، سیستم مبدل های دولوله ای حجم زیادی را اشغال می کنند.

۲ – قیمت آنها برای واحد سطح انتقال حرارت نسبتاً زیاد است.

نام انگلیسی: Shell Tube Heat Exchanger

هنگامی که سطح انتقال حرارت لازم برای مبدل های دو لوله ای زیاد شود (بیشتر از ۵۰m2 باشد)، بهتر است از مبدل های پوسته و لوله استفاده شود. مبدل های پوسته و لوله به طور وسیعی در فرایند های انتقال حرارت برای کاربردهای مایع/مایع و همچنین در کندانسورها و مولدهای بخار استفاده می شوند . این مبدل ها برای انتقال حرارت مشخصی سطح کمتری به نسبت مبدل های لوله ای اشغال می کنند.

مزایای این گونه مبدل ها عبارتند از:

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

۲ – طراحی مکانیکی خوبی دارند.

۳ – روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.

۴ – قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.

۵ – به راحتی تجهیز می شوند.

۶ – روش طراحی خوب و تثبیت شده ای دارند.

قسمتهای اصلی این مبدل ها عبارتند از:

– لوله ها (Tubes)

– پوسته (Shell)

– بافل ها (Baffles)

– هد جلویی (Front Head)

– هد پشتی (Rear Head)

– صفحات تیوب ها (Tube Sheets)

– نازل ها (Nozzels)

پوسته: پوسته ها که در واقع در بر گیرنده لوله ها هستند از نظر اندازه، مواد سازنده و ضخامت محدوده وسیعی دارند. قیمت پوسته ها بیشتر از لوله ها می باشد. بنابراین معمولاً سعی می شود از حداقل پوسته استفاده شود.

لوله ها: لوله عنصر اصلی مبدل های پوسته و لوله هستند که در واقع سطح انتقال حرارت لازم را برای سیالاتی که در داخل و خارج آن جریان دارند را فراهم می سازند. لوله ها معمولا از فلزات مختلف به روش اکستروژن و بدون درز ساخته می شوند. جنس آنها معمولاً ا ز فولاد کم کربن، فولاد زنگ نزن، مس و …می باشد. لوله ها ممکن است به صورت مربعی۹۰ درجه یا در وضعیت چرخانده کنار هم قرار گیرند . در این حالت تمیز کردن خارج لوله ها راحت تر است. طرح مثلثی روش دیگری است که به علت زیاد بودن آشفتگی سیال، ضریب انتقال حرارت و افت فشار طرف پوسته را افزایش می دهد؛ و نیز مقدار بیشتری از لوله را می توان در قطر مشخصی از پوسته قرار داد. قطر لوله ها بین ۱۶mm  تا ۵۰ mm می باشد. ولی معمولاً از ۱۶mm  تا ۲۵mm استفاده می شود.

طول لوله ها نیز از ۱٫۸ متر تا ۷٫۳ متر انتخاب می شود. ضخامت لوله ها نیز با توجه به قطر آنها از ۱٫۲mm تا ۳٫۲ mm انتخاب می شود. گرچه هدف، افزایش انتقال حرارت به وسیله افزایش سرعت سیال ها در داخل لوله ها می باشد ولی این سرعت باید در حد مجاز باشد چون هرچقدر سرعت بیشتر شود،افت فشار افزایش می یابد وهمچنین نوسانات بیشتر می شود و باعث ایجاد شکستگی در اتصالات و زانویی ها می شود.

بافل ها: بافل ها معمولاً در قسمت پوسته مبدل استفاده می شوند برای اینکه لوله ها را در جای خود نگه دارند و جریان سیال داخل پوسته را به صورت چرخشی تبدیل کنند تا سرعت سیال و ضریب انتقال حرارت افزایش یابد و معمولاً به صورت های Segmental baffle, Disk-and-doughnut baffle, Orifice baffle می باشند.

بافل ها دو مشخصه اصلی دارند: برش بافل (Baffle Cut)، فاصله بافل ها ( Baffle Spacing Lb)

فاصله بافل ها فاصله دو بافل متوالی می باشد که معمولاً بین ۲۰% تا ۱۰۰% قطر پوسته انتخاب می شود و مقدار بهینه آن بین ۳۰% تا ۵۰% قطر پوسته می باشد. هرچقدر Lb کمتر باشد سرعت و افت فشار در پوسته بیشتر می شود. برش بافل ارتفاع بریده شده از بافل نسبت به قطر می باشد که معمولاً به صورت درصد بیان می شود و معمولاً ۲۵ % می باشد. هرچقدر Baffle Cut کمتر یا طول بریده شده کمتر شود سرعت و ضریب انتقال حرارت و افت فشار بیشتر می شود. بافل ها را می توان به دو دسته بافل های طولی Longitudinal Baffles و بافل های متقاطع یا مورب Transvers Baffles  نیز تقسیم بندی کرد که معمولاً به صورت زاویه دار با لوله ها قرار می گیرند و باعث ایجاد جریان ناآرام در اطراف پوسته می شوند. بافل های طولی برای کنترل مسیر جریان داخل پوسته استفاده می شوند.

صفحه تیوب: یکی از اجزای مهم مبدل ها که اصلی ترین سد بین تیوب ها و پوسته است و طراحی مناسب آنها برای اطمینان از کارایی سیستم لازم است، صفحه تیوب ها هستند. نحوه اتصال آنها به تیوب ها و پوسته هم می تواند به صورت جوش داده شده و هم به وسیله پیچ باشد.

گذرهای پوسته و لوله : ساده ترین مدل جریان برای لوله ها به این صورت است که سیال از یک طرف وارد شود و از طرف دیگر خارج گردد. این مدل تک گذر لوله است. برای بهتر نمودن انتقال حرارت سرعت بالاتری باید ایجاد نمود . این عمل به وسیله افزایش تعداد گذر لوله ها امکان پذیر است. از طرف دیگر با افزایش تعداد گذرهای لوله و افزایش سرعت سیال ، افت فشار زیاد می شود. در واقع انتقال حرارت باید در سرعت های بالا ایجاد شود و این افت فشار سیستم را زیاد می کند. در نتیجه تعداد گذرها، با توجه به دو فاکتور سرعت و افت فشار مشخص می شود. تعداد گذرهای لوله معمولاً از یک تا هشت می باشد. در موردگذرهای پوسته نیز معمولا از یک یا دو گذر استفاده می شود .حالت های مختلف گذرهای پوسته در استاندارد بین المللی TEMA با علامتهای E,F,G,H,J,K,X شناخته می شوند.

نازل ها : نازل ها برای انتقال سیال به بیرون و یا داخل مبدل استفاده می شوند.

اگر مواد مانند آهن بکار رفته شده در مبدل ها حرارت ببینند ممکن است دچار انبساط حرارتی گردند . به عنوان مثال در یک مبدل پوسته و لوله افزایش درجه حرارت باعث افزایش اندازه لوله ها و پوسته می شود . از آنجایی که این افزایش ها ممکن است با هم فرق کنند، تنظیم های مختلفی برای کاهش این اثرات حرارتی وجود دارد. این استرس های حرارتی با استفاده از لوله های U شکل نیز قابل جلوگیری می باشند. استفاده از مبدل ها با کلگی های ثابت برای زمانی که لوله ها کوتاه هستند یا اختلاف دما بین لوله و پوسته ماکزیمم ۳۰ درجه سلسیوس می باشد، استفاده می شود. در اکثر موارد از مبدل ها با کلگی های متحرک Floating-Head استفاده می شود.

تصمیم گیری برای قرار دادن سیال در داخل پوسته و لوله و اینکه کدامیک از آنها در داخل لوله قرار داده شود و کدامیک داخل پوسته، به چند عامل بستگی دارد:

۱ – فشارها: سیال با فشار بالا در قسمت لوله قرار می گیرد، زیرا صخامت نسبی لوله (نسبت به قطر) بیشتر است.

۲- درجه حرارت: افزایش درجه حرارت باعث کاهش تنش مجاز مواد بکار رفته می گردد و در نتیجه ضخامت لازم برای دیواره ظرف نیز افزایش می یابد. این تاثیر عیناً شبیه فشار است. سیال با درجه حرارت زیاد بایستی در لوله جای داده شود.

۳ -خورندگی سیال ها: برای سیال های با خورندگی زیاد به مواد و آلیاژها ی گرانقیمت نیاز است . اگر فقط یکی از سیال ها خورنده باشد آن وقت گذاردن آن در داخل لوله باعث می شود که پوسته گرانقیمت از آلیاژ مرغوب نیاز نباشد. اما اگر سیال خورنده در پوسته قرار بگیرد آنگاه هم برای پوسته و هم برای لوله بایستی از موادی که در مقابل خوردگی مقاوم هستند استفاده شود.

۴ -تمیزی سیال ها : در بعضی از فرایندهای انتقال حرارت شرایط لازم جهت تمیزی سیال ها و آلوده نشدن آنها سخت تر از حالت های عادی است و ممکن است به آلیاژهای گرنقیمت نیاز باشد . در اینگونه مواقع بهتر است که سیال ها در داخل لوله قرار داده شوند.

۵ -خطر نشت: در بیشتر مبدل های حرارتی احتمال نشت سیال لوله ها از سیال پوسته کمتر است.

۶ -ویسکوزیته سیال ها: برای اینکه انتقال حرارت ماکزیمم شود، جریان هر دو سیال می بایستی ناآرام باشد. در صورتی که سیال لزج در داخل لوله باشد احتمال دارد جریان آن آرام شود پس بهتر است داخل پوسته قرار داده شود.

هنگامی که یک مبدل حرارتی در سرویس قرار می گیرد در شروع کار سطوح انتقال حرارت آن تمیز است ولی با گذشت زمان در بعضی از سرویس ها مانند سیستم های قدرت فرایندهای شیمیایی، به تدریج توانایی انتقال حرارت آنها کم می شود. این وضعیت به علت جمع شدن موادی روی سطوح انتقال حرارت (همان لوله ها) که موجب افزایش مقاومت حرارتی در برابر انتقال حرارت می گردد به وجود می آید. یک فرایند صنعتی را در نظر بگیرید که شامل چندین دستگاه اصلی می باشد. در صورتی که تمام فرایند بخواهد به خاطر اینکه یکی از ابزار انتقال حرارت که توانایی خود را در فرایند انتقال حرارت از دست داده از کار بیفتد این حادثه از نظر اقتصادی ناخوشایند است. در استاندارد  TEMAضریب رسوب داده شده است تا به طراح کمک کند مبدل پوسته و لوله را طوری طراحی کند که بتواند برای مدتی به طرز رضایت بخشی کار کند. تا اینکه دوباره مبدل از مدار خارج شود و تمیز گردد. عواملی که باعث ایجاد رسوب می شوند اغلب عبارتند از:

۱ -وجود ذرات معلق در سیال

۲ -کاهش حلالیت نمک ها با افزایش دما (مثل نمک های منیزم)

۳ – خوردگی: بعنی تبدیل یک لایه از فلز (آهن) اکسید آن (اکسید آهن) وکه باعث کاهش ضریب رسانش می شود.

۴ -پدیده های بیولوژیکی (زیست محیطی): در آب رودخانه ها جلبک ها و موجودات زنده وجود دارند که با صافی جدا نمی شوند و داخل مبدل شروع به تکثیر می کنند.

۵ -به وجود آمدن کک: در کور ه های نفت مقداری از نفت می شکند و تبدیل به کک می گردد و روی دیواره رسوب می کند.

مبدل ها باید به طور متناوب تمیز شوند و لوله ها تعویض شوند . داخل لوله ها به راحتی با استفاده از مواد تمیز کننده مانند بعضی مواد اسیدی و jet آب تمیز می شوند. ولی تمیز کردن خارج لوله ها احتیاج به باز کردن لوله ها و کلاف لوله ها (Tube Bundle) از مبدل دارد.

مبدل های حرارتی صفحه و قاب از قرار گرفتن یک سری صفحات فلزی در کنار یکدیگر در داخل یک قاب فلزی ساخته می شوند. این صفحات در داخل قاب توسط میله های بلند بهم فشرده می شوند. طول این میله ها در شیارهای (Gasket)  فاصله بین دو درپوش را طی می کنند و توسط مهره به درپوش محکم می گردند. واشر اطراف هر صفحه قرار داده می شود تا جریان سیال را در مجرای باریکی بین صفحات هدایت نماید و همچنین از نشت آنها به بیرون جلوگیری کند. در گوشه های هر صفحه مجرایی جهت ورود و خروج سیال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعیکه صفحات روی هم فشرده می شوند این محل های سوراخ شده در یک خط مستقیم قرار می گیرند و بدین وسیله هدرهای توزیع سیال در طول مبدل را به وجود می آورند. صفحات می توانند از هر فلزی با ابعاد معین ساخته شوند آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالبهای مخصوص روی صفحات چاپ گردد. هنگامی که این صفحات در محل خود در کنار یکدیگر قرار می گیرند شیارهای موجود روی صفحات متوالی تشکیل یک سری کانال های باریک جریان را می دهند. و سیال ها از طریق مجرای خیلی باریک و ظریف بین صفحات متوالی عبور می نمایند. در مبدل های مختلف آرایش جریان می توانند متفاوت باشند. یکی از این آرایشها به صورت موازی مختلف الجهت می باشد. در این نوع ارایش جریان های هر کدام از سیالها فقط یک بار ارتفاع صفحات را طی می کنند در حالیکه در آرایشهای چندگذر یک سیال ممکن است ۲ بار و یا بیشتر ارتفاع مبدل را طی نماید.

یکی از امتیازات مهم و اساسی مبدل های حرارتی صفحه و قاب این است که سطح انتقال حرارت مبدل به آسانی از هم جدا می شوند. بعد از برداشتن مهره ها و میله های نگه دارنده و جداسازی صفحه متحرک انتهایی صفحات با لغزیدن روی صفحه باریکی برای معاینه از هم جدا می شوند. این امتیاز که صفحات به آسانی تمیز شوند و یا تعویض گردند باعث شده کاربرد این مبدل ها در صنایع غذایی و لبنیات توسعه یابد . اما از دیگر امتیازات مهمی که این مبدل ها نسبت به مبدل های پوسته و لوله دارند این است که در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بار حرارتی معینی حدوداً بین یک سوم تا یک چهارم انتقال حرارت لازم دارند. علتش را می توان به صورت زیر خلاصه نمود. توربولانس زیاد به علت حرکت سیال در مجاری باریک و ناهموار سبب افزایش ضریب انتقال حرارت می گردد. فاصله نزدیک به هم صفحات مانند این است که از لوله های با قطر کوچک استفاده شده است که این ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد. توربولانس زیاد سبب تقلیل سرعت کثیف شدن می شود . کاهش سطح انتقال حرارت باعث کاهش حجم و وزن می شود.

با وجود تمام محاسن ذکر شده یک عیب مهم در مورد این مبدل ها وجود دارد و آن این است که سطوحی که باید توسط واشر آب بندی شود زیاد است. اغلب از مواد لاستیکی برای این کار استفاده می شود اما ماکزیمم فشار و درجه حرارت کاربردی نباید از ۲٫۷ Mpas و ۴۰۰ k تجاوز نماید . از واشرهای فیبری و پمبه نسوز کمپرس شده نیز می توان استفاده نمود که برای آن حداکثر درجه حرارت ۶۰۰ k و ۱٫۸ Mpas می باشد . یکی از مشکلاتی که معمولاً در هنگام کار این مبدل ها بوجود می آورند عدم آببندی کامل و صحیح واشر ها است . اولاً به خاطر اینکه عمر مفید گازکت ها کم است و ثانیاً نباید دوباره مورد استفاده قرار گیرند که معمولاً به این نکته توجه نمی شود.