مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی

مبدل هاي حرارتي تجهيزاتي صنعتي مي باشند كه به کمک آنها مي توان در اثر تماس غير مستقيم دو سيال، سيال ديگر را گرم يا سرد كرداز طرفي ديگر کاربرد اصول انتقال حرارت در طراحي تجهيزات براي مقاصد خاص  ، از اهميت بسيار زيادي و هدف از به کارگيري اصول انتقال حرارت در طراحي، تلاش براي رسيدن به هدف توسعه توليد براي سوددهي اقتصادي مي باشد. در حقيقت دانستن نوع مبدل براساس سيال هايي که از آن عبور مي کنند نقش مهمي در طراحي و محاسبات فني ومالي مبدل هاي حرارتي به دنبال خواهد داشت.

دسته بندي مبدل هاي حرارتي

مبدل هاي حرارتي اصولا براساس موارد ذيل دسته بندي مي باشند:

- بر مبناي پيوستگي يا تناوب جريان:

در اين نوع از مبدل هاي حرارتي ، جريان سيال داخل مجاري مبدل هاي حرارتي پيوسته يا متناوب  مي باشد و در  اين مبدل ها با جريان پيوسته مجاري سيال گرم و سرد از هم تفکيک شده اند، به طوري که سيال گرم در مجاري مخصوص خود و سيال سرد نيز در مجاري مربوط به خود جريان دارند. همچنين در آنها دو مجراي جريان توسط يک جداره لوله يا يک ورق از هم جدا شده اند.

-بر مبناي پديده انتقال:

تبادل انرژي بين دو سيال به صورت تماس مستقيم يا غيرمستقيم صورت مي گيرد: در نوع مستقيم، حرارت بين دو سيال که با هم تماس مستقيم دارند مبادله مي شود. معمولا يکي از اين دو سيال  گاز و ديگري مايع است که با فشار بخار خيلي پايين و پس از تبادل حرارت به سادگي قابل تفکيک هستند. در نوع غيرمستقيم، حرارت ابتدا به يک سطح جامد نفوذ ناپذير منتقل مي شود و سپس از آن به سيال سرد انتقال مي يابد.

- بر مبناي ساختمان مبدل هاي حرارتي:

در بسياري مواقع مبدل هاي حرارتي بر مبناي ساختمان تقسيم بندي مي شوند. مبدل هاي حرارتي از نظر ساختمان به چهار دسته تقسيم بندي مي شوند که عبارت اند از :

مبدل هاي حرارتي لوله اي (Pipe Heat Exchanger)

مبدل هاي حرارتي صفحه اي (Plate Heat Exchanger)

مبدل هاي حرارتي پره اي (Fin Heat Exchanger)

بازياب حرارتي (Heat Recovers)

- بر مبناي نوع جريان :

که شامل موارد زير مي شود :

جريان همسو (Co-Current)

جريان ناهمسو (Counter Current)

جريان متقاطع (Cross Current)

مبدل هاي حرارتي لوله اي

در اين مبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غير مستقيم مي باشد و مکانيزم انتقال حرارت جابه جايي مي باشد. اين مبدل ها به دو دسته عمده تقسيم بندي مي شوند:

1) دو لوله اي (Two Pipes) ، 2) پوسته و لوله (Shell & Tube)

- مبدل هاي حرارتي دو لوله اي:

ساده ترين نوع مبدل هاي حرارتي دو لوله اي هستند که يک سيال از درون لوله داخلي مي گذرد و سيال ديگر در فضاي بين دو لوله جريان دارد. مبدل هاي حرارتي دو لوله اي زماني کاربرد دارند که سطح تبادل کمي مورد لزوم باشد و در سرمايش و گرمايش هوا يا گازها کاربرد دارند:

نوعی از مبدل های حرارتی که در صنایع فرآیندهای شیمیایی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد از نوع پوسته-لوله می باشد. یک سیال در لوله ها جریان می یابد در حالی که سیال دیگر درون پوسته و از روی لوله ها عبور می کند. جهت اطمینان از این که سیال درون پوسته از روی لوله ها می گذرد و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری صورت می گیرد، موانعی در داخل پوسته قرار داده می شود.

مبدل های حرارتی صفحه ای

این مبدل ها از صفحات نازک که کانال های جریان را تشکیل می دهد ساخته شده اند. جریان های سیال توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف یا موج دارند از هم جدا می شود. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز، مایع یا جریانهای دو فاز استفاده می شوند. این مبدل ها به سه دسته زیر تقسیم می شوند :

1) صفحه های واشردار (Gasket Plate) ، 2) صفحه های حلزونی (Spiral Plate) 3) لاملا (Lamella)

- مبدل های صفحه ای واشردار :

این مبدل های حرارتی شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار می باشد که سیال های گرم و سرد را از هم جدا می سازد. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که بایستی گرما بین آنها مبادله شود، یکی در میان در فضای بین صفحات جریان می یابند.

- مبدل های حرارتی صفحه ای حلزونی :

مبدل های حرارتی صفحه ای حلزونی با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی و جوش دادن به لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شوند.

- مبدل های لاملا :

مبدل های گرمایی لاملا شامل مجموعه کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که به طور موازی جوشکاری شده اند و یا به شکل لاملا (لوله های تخت یا کانال های مستطیلی) می باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند

مبدل های حرارتی پره ای

نوع مبدل های حرارتی پره دار عمدتا برای کاربردهای گاز- گاز استفاده می شود. در اکثر کاربرد ها کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به دلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن، مبدل های فشرده گرما همچنین به صورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، تبرید و سیستم های تهویه مطبوع استفاده می گردند. مبدل های صفحه ای پره دار برای استفاده در توربین گازی، نیروگاه های هسته ای و مهندسی پیشرانه و تبرید و گرمایش و تهویه سیستم های بازیابی گرمای اضافه و صنایع شیمیایی و سرمایش کاربرد دارند. این مبدل ها به چهار دسته زیر تقسیم می شوند :

1) پره ساده (Plain Fin) ، 2) پره ساده سوراخ دار (Plain Perforated Fin) 3) پره دندانه ای یا کنگره ای (Serrated Fin) ، 4) پره های جناغی یا موجی شکل (Herring Bake Fin)

مبدل های حرارتی براساس جریان

- جریان همسو (هم جهت) :

در این نوع مبدل ها سیال سرد و گرم هر دو در یک جهت حرکت می کنند و در حین عبور از مبدل تبادل حرارتی انجام می دهند.

- جریان ناهمسو (مخالف جهت) :

در این نوع مبدل سیال سرد در یک جهت و سیال گرم در جهت عکس آن وارد مبدل می شود و بدین ترتیب تبادل حرارتی صورت می پذیرد. در شرایط یکسان برای یک مبدل با جریان ناهمسو میزان انتقال حرارت بیشتر خواهد بود.

- جریان متقاطع :

چنانچه یک سیال در لوله و سیال دیگر به صورت عمود بر لوله ها جریان داشته باشد، نوع جریان متقاطع خواهد بود. مبدل های حرارتی با جریان متقاطع در گرمایش و سرمایش هوا یا گازها کاربرد وسیعی دارند.

دسته بندی مبدل حرارتی-قسمت اول

1) بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان:

جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب است. در مبدل های حرارتی با جریان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. دو مجرای جریان توسط یک جداره لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.

2) بر مبنای پدیده انتقال:

تبادل انرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیرمستقیم صورت می گیرد:

در نوع مستقیم، حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکی از این دو سیال گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی قابل تفکیک هستند.

در نوع غیرمستقیم، حرارت ابتدا به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.

3) بر مبنای ساختمان مبدل:

در بسیاری مواقع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختمان تقسیم بندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از :

1) مبدل های حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)

) مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)

3) مبدل های حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)

4) بازیاب حرارتی (Heat Recovers)

4) بر مبنای نوع جریان :

که شامل موارد زیر می شود :

1) جریان همسو (Co-Current)

2) جریان ناهمسو (Counter Current)

3) جریان متقاطع (Cross Current)

«مبدل های حرارتی لوله ای»

در این مبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غیر مستقیم می باشد و مکانیزم انتقال حرارت جابه جایی می باشد. این مبدل ها به دو دسته عمده تقسیم بندی می شوند:

1) دو لوله ای (Two Pipes) ، 2) پوسته و لوله (Shell & Tube)

- مبدل های حرارتی دو لوله ای:

ساده ترین نوع مبدل های حرارتی دو لوله ای هستند که یک سیال از درون لوله داخلی می گذرد و سیال دیگر در فضای بین دو لوله جریان دارد.

مبدل های حرارتی دو لوله ای زمانی کاربرد دارند که سطح تبادل کمی مورد لزوم باشد و در سرمایش و گرمایش هوا یا گازها کاربرد دارند.