مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی یا مبادله کن گرمایی وسیله ای است که در آن تبادل حرارت بین دو سیال یا منبع سرد و گرم صورت می گیرد و هدف از بکارگیری این تکنولوژی خنک کردن یا گرم کردن یک سیال به کمک سیال دیگر، دفع حرارت به محیط و یا خنک کردن و گرم کردن یک فضاست.
مبدل های گرمایی بخش مهمی از اغلب سیستم ها و تاسیسات حرارتی، برودتی، انررژی و حمل و نقل هستند.
معمولاً در مبدل های گرمایی محیط سرد و گرم در تماس مستقیم با یکدیگر نیستند و توسط یک جدار جامد از هم جدا شده اند. در عین حال نوع دیگری از وسایل تبادل گرما هستند که بین دو محیط تماس مستقیم برقرار می شود (برجهای خنک کن تماس مستقیم)
هرچند که در اغلب مبدل های گرمایی بین دو محیط تبادل گرما انجام می شود ولی وسایلی نیز وجود دارند که در آن انتقال جرم نیز صورت می گیرد.

مبنای دسته بندی مبدل های حرارتی:

• نوع تماس
• فشردگی سطح حرارتی
• تعداد جریان ها
• آرایش جریان
• ساختار
• مکانیزم انتقال حرارت

مبدل حرارتی از نوع تماسی:

1. مبدلهای حرارتی تماس مستقیم (Direct Contact)
   
2. مبدلهای حرارتی تماس غیر مستقیم (Indirect Contact)

مکانیزم انتقال حرارت:

• دائم یا غیردائم بودن جریان (Steady-Unsteady flows)
• تغییر یا عدم تغییر فاز سیال (Phase Change-Single Phase-Multiphase flows)
• نوع انتقال حرارت جابجایی یا تشعشع (Convective heat transfer and Radiant heat transfer)

دسته بندی بر اساس نوع تبادل حرارت دائمی یا غیردائم:

1. مبادله کن های حرارتی جریان دائم یا ریکوپراتور (Recuperator)
2. مبادله کن های حرارتی جریان تناوبی (غیر دائم) (Regenerator)

دسته بندی بر اساس مکانیزم تغییر فاز در تبادل حرارت:

1. مبدل های حرارتی جریان تک فاز: گاز یا مایعات در دو طرف سرد و گرم مبدل
2. مبدل های حرارتی جریان دو یا چند فاز

• به عنوان چگالنده: مانندکندانسورها
• به عنوان جوشنده: بویلرها Boiler، ریبویلرها Reboiler، تبخیر کننده Evaporator ها
•  مبدل های چند فازی: موارد بسیار نادر

دسته بندی بر اساس مکانیزم غالب انتقال حرارت:

1. مبدل های حرارتی تشعشعی: (Radiative heat transfer) انواع بویلرها، فایرهیترها، کوره ها، بخاری های دارای کوره، آبگرمکن های گازی و غیره
2. مبدل های با مکانیزم غالب انتقال حرارت جابجایی Convective heat transfer

نکته: در اغلب مبدل های حرارتی با انتقال حرارت تشعشع، انتقال حرارت جابجایی نیز وجود دارد ولی ممکن است سهم آن در مقایسه با تشعشع ناچیز باشد.

دسته بندی بر اساس ساختار (Structure):

• مبدل حرارتی لوله ای (Tubular)
• صفحه ای (Plate Heat exchangers)
• شبکه ای (Regenerative Beds)

مبدل های حرارتی لوله ای:

• مبدل های دولوله ای و سنجاقی (hairpin)
• مبدل های پوسته لوله ای (shell & Tube)
• مبدل های لوله ای فین دار (Fin based heat exchangers)

نوع hairpin:

ساده ترین نوع دارای یک لوله در داخل لوله دیگر است و لوله داخلی ممکن است در خارج، دارای پره های طولی باشد.

شکل زیر شماتیکی از نوع دابل برای hairpin ها میباشد.

مبادله کن حرارتی پوسته و لوله:

مبادله کن های حرارتی پوسته ولوله دارای متنوع ترین شکلها در بین مبادله کن ها میباشند. که از کاربرد آنها میتوان در صنایع فرآیندی (Process)، در نیروگاهای بخار و هسته ای به عنوان چگالنده، در گرمکن های آب تغذیه و در برخی سیستم های تهویه مطبوع وتبرید اشاره کرد.

قابلیت ها و برخی ویژگی های مبدل های حرارتی پوسته و لوله:

• استفاده از انرژی اقیانوس ها، انرژی گرمایی و زمین گرمایی
• نسبت های بزرگی از سطح انتقال گرما به حجم و وزن در مقایسه با سایر مبادله کن ها
• تمیزکاری آسان
• بالا بودن محدوده کاربرد
• قابل طراحی برای فشارهای بالا در طرف پوسته ( نسبت به محیط) و اختلاف فشار زیاد بین جریان های سیال های گرم و سرد

مبادله کن‌های حرارتی پوسته و لوله‌ای از لوله‌های دایروی قرار گرفته در یک پوسته استوانه‌ای ساخته میشوند که لوله‌ها در آن بصورت موازی با پوسته هستند.

انواع مبادله کن های پوسته و لوله

انواع مبادله کن های حرارتی پوسته و لوله که رایج ترین آنها درشکل زیر آورده شده است. همچنین انواع متعدد سرهای جلویی و عقبی مختلف، توسط انجمن سازندگان مبادله کن های حرارتی (TEMA) استاندارد شده اند. که در شکل زیر نشان داده شده است.

در شکل مورد نظر قسمت های مختلف مبادله کن حرارتی پوسته و لوله شامل:

• (انواع سرهای ثابت انتهای جلویی)
• (انواع پوسته ها)
• (انواع سرهای انتهای عقبی)

میباشد.

نوع E بدلیل سادگی و ارزانی، رایجترین نوع پوسته میباشد که پوسته تک گذر نامیده میشود. سیال در این پوسته از یک انتهای پوسته وارد و از انتهای دیگر خارج می شود. یعنی در سمت پوسته یک گذر وجود دارد.

دسته لوله ها (Tube Bundles):

مهمترین انواع دسته لوله ها در شکل های زیر نشان داده شده اند. که به U-Tube معروف هستند.

مبدل های لوله ای فین دار (پره دار):

این نوع مبادله کن های حرارتی در قسمت بیرونی جدار خود ساختار پره ای و فین دارند.

مبدلهای لوله ای فین دار بر اساس مکانیزم خود به دو نوع مکشی هوا و جریان اجباری هوا از روی پره ها (forced draught type  و induced draught) خواهد بود.

 مبدل های حرارتی صفحه ای:

• مبدلهای صفحه ای واشردار
• مبدلهای صفحه ای فین دار
• صفحه ای مارپیچ (Spiral)

صفحات به صورت عمودی آویزان شده و در یک پرس یا قالب محکم می شوند. واشرها جریان ها را بین صفحات جایگزین هدایت می کنند و از نشت خارجی جلوگیری میکند. صفحات ساخته شده از فولاد ضد زنگ یا مواد با کیفیت بالاتر میباشند. صفحات شیار شیار (Corrugated) برای نگه داشتن و افزایش انتقال حرارت بکارگرفته میشوند.

مبدل های صفحه ای فین دار

این نوع مبدلهای حرارتی از گذرگاه های “ساندویچ” شکلی استفاده می کنند و دارای پره برای افزایش کارایی واحد میباشند.
طرح ها شامل جریان عرضی و جریان غیر همجهت است که کوپل شده با پیکربندی های مختلف پره مانند پره های مستقیم، پره های افست و باله های مواج میباشد.

مبدل های حرارتی مارپیچ (Spiral):

• مبدل های حرارتی مارپیچی را می توان در بیشتر کاربردهای صنعت فرآیند شیمیایی استفاده کرد.
•  در بسیاری از کاربردهای که با مشکل رسوب و پلاگین همراه است. یک طرح استاندارد پوسته و لوله ممکن است به درد این مسایل نخورد.
• در حالی که مبدلهای حرارتی مارپیچی اغلب هزینه اولیه بالاتری دارند، اما به دلیل پایین آمدن میزان رسوب ممکن است هزینه کمتری در چرخه زندگی و سهولت در نگهداری ایجاد کند

یک مبدل حرارتی مارپیچی تشکیل شده است از دو صفحه صاف و طولانی پیچیده شده است که در اطراف یک سنبه یا لوله مرکزی، دو مارپیچ متحدالمرکز کانال ها ایجاد میکند.

در یک مبدل حرارتی مارپیچی، سیال گرم به مرکز واحد جریان می یابد و به سمت صفحات خارجی بصورت مارپیچ خارج می شود. سیال سرد وارد حاشیه و گذر مارپیچ می شود  و در مرکز خارج میشود.

دسته بندی بر اساس آرایش جریان:

single pass که مبدل های تک گذره یا تک مسیره میباشند. و سیال در یک مسیر جریان خواهد داشت.

multi-pass که مبدل های چند گذره یا چند مسیره میباشند. شکل زیر از نوع پوسته و لوله برای آرایش جریان های یک گذر و چند گذر میباشد.

دسته بندی بر اساس تعدد جریانها:

1. مبدلهای حرارتی دو جریانی : Two-Stream یک جریان گرم و یک جریان سرد
   مبدلهای حرارتی چند جریانی multiple flows

دسته بندی بر اساس فشردگی سطح:

1. مبدلهای حرارتی فشرده : Compact Heat Exchangers نسبت سطح به حجم بزرگتر از 700 در سیستم SI
   
2. مبدلهای غیر فشرده

در مجله های بعدی بصورت ویژه به روابط موجود برای مباحث انتقال حرارت، فشار و پارامترهای طراحی و  همچنین مکانیزم های کارکرد مبدل های حرارتی خواهیم پرداخت.