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 میگویند ، و موارد کاربرد آن را در سیستم های گرمایش ساختمان ها ، تهویه مطبوع ، تولید قدرت ، بازیابی گرمای هدر رفته ، و فراوری شیمیایی می توان یافت .ما درفرآیندهای شیمیایی و فیزیکی نیاز به گرم کردن و یا سرد کرئن 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
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 گرم و سرد در جهت های یکسان یا مخالف در یک ساختار لوله ای هم مرکز (tubular) حرکت می کند .
نمونه ای از مبدل لوله ای هم مرکز
در آرایش جریان همسو ( parallel-flow یا concurrent flow) در شکل زیر 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) در شکل 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.
انواع جریان در مبدلها
T0.0 یا Th1 دمای سیال گرم ورودی
Th2 یا T0.0 دمای سیال گرم خروجی
Tc1 یا T0.0 دمای سیال سرد ورودی
Tc2 یا T0.0 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 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 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 cpc ,، cph ,h و U کار کرد. برای بدسن آوردن U داریم.
=
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.
=ضریب انتقال حرارت کلی برای مبدل با محاسبه تاثیر رسوبات
=ضریب انتقال حرارت بر مبنای تمیز بودن(بدون رسوب) مبدل
=مقاومت گرمایی لوله ها بر اثر رسوب
که معمولا از R ( مقاومت گرمایی لوله ها) صرف نظر میکنیم . در نهایت برای جریان همسو داریم.
مبدل گرمایی با جریان ناهمسو
توزیع دمای سیالات گرم و سرد در مبدل گرمایی با جریان ناهمسو در شکل زیر نشان داده شده اند . 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 :
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 می تواند بیشتر از باشد ولی برای جریان همسو این طور نیست .
البته روشهای دیگری نیز برای تحلیل مبدل ها بکار می رود که در اینجا بیان نمیشود . از جمله روش NTU و روشهای تجربی .
مبدل های حرارتی پوسته و لوله (shell & tube heat exchangers)
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 آیجاد 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
مبدل پوسته لوله
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای بفل(صفحات هدایت کننده جریان) ، جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بفل مجاور جهت داده می شود و در حالیکه از فاصله ما بین دو بفل 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. بفل 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 سیالتی 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 بعلاوه 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 ثانویهایجاد می شود که تنتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش میدهد این نوع مبدل های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعا گرن قیمت تمام می شوند .سطح انتقال حرارت برای این مبدل ها درمحدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشارکارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ سانتیگراد محدوده می شود . 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 دارد .
شمایلی از مبدل حلزونی یا مارپیچ
انتخاب مواد برای ساخت مبدل های حرارتی
طیف گسترده ای از مواد در ساخت مبدل های حرارتی استفاده میگردد. 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 سیال های 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 ، ریخته گری، 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 بصورت 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 :