مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی
فرآیند تبادل بیشگرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی از هم جدا شده اند در بسیاری از کاربردهای 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 ساختمانها ، تهویه مطبوع ، تولید قدرت ، بازیابی گرمای هدر رفته و فرآوری شیمیایی می توان یافت . ما در فرآیندهای 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 .
شرکت حرارت دماگستر پویا یکی از شاخه های فعالیت خود را در زمینه ساخت مبدل های حرارتی آغاز کرده است که بر اساس استانداردهای تعیین شده می باشد و با توجه به نیاز مشتریان خود به طراحی و ساخت مبدل های حرارتی در سایزها و گونه های مختلف مبادرت می ورزند . در زیر به طور خلاصه به بررسی مبدل ها و روابط کلی انتقال حرارت در آنها می پردازیم .
انواع مبدل های گرمایی بر حسب عملکرد
مبدل های گرمایی معمولا 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 کنند .
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 ناهمسو (  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 :
Q= m_h*( C_p  )  h* ( T_h2- T_h1 )
Q= m_c*( C_p  )  C* ( T_c2- T_c1 )
Q= U* A_ex* ∆ T_m
0.0 T یا T_h1  دمای سیال گرم ورودی
T_h2  یا 0.0 T دمای سیال گرم خروجی
T_c1 یا 0.0 T دمای سیال سرد ورودی
T_c2یا 0.0 T 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 بار 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 معمولا 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 .
مبدل های 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 معمولا کوچک اند و جریان در آنها معمولا لایه ای است . اشکال دیگری از مبدل های حرارتی را در شکل ها 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 سریعا کاهش می باید 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 مقابل را در مبدل نشان می دهد از این قرارداد برای تمام انواع مبدل های گرمایی استفاده می شود .

طبق تعریف Q=UA∆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 ∆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 کاربرد ها این تغییرات خواص قابل توجهی نیستند و می توان با مقادیر متوسط h ، C_(ph ) ، C_(pc )  کار کرد . برای بدست آوردن U داریم :
1/A   U_pre= Σ  1/hA+ Σ R
1/U_exp   =  1/U_exp   + 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 می کنیم و در نهایت برای جریان همسو داریم :
ΔT_m=   (ΔT_(1 )-  ΔT_2  )/(In ( (ΔT_1)/(ΔT_2 )  ))
ΔT_1  =  T_h1- T_c1
ΔT_2  =   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 دلیل اختلاف دما ، در طول مبدل در هیچ جا به بزرگی ناحیه ورود مبدل با جریان همسو نیست . توجه کنید که دمای خروجی سیال سرد در اینجا می تواند یزرگتر از دمای خروجی سیال گرم باشد .
برای مبدل با جریان نا همسو اختلاف دما در نقاط انتهایی به صورت زیر تعریف می شود :
ΔT_m  =   (ΔT_1- ΔT_2)/(In ( (ΔT_1)/(ΔT_2 )  ))
ΔT_1  =  T_h1- T_c2
ΔT_2  =   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 و 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 . معمولا دیوارک هایی نصب می شوند تا با ایجاد تلاطم و ایجاد مولفه 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 .
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 اعداد زوجی از کذرهای 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 واحدهایی 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 تمیزکاری ، 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 .

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 می توان 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 ماشین کاری ، ریخته گری ، نورد و … و روشهای 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 نگهداری و سرویس
–    در دسترس بودن ماده از لحاظ منابع
–    و مسایل مربوط به اندازه تاسیسات و مدت زمان کارایی و نگهداری و سرویس
–    و …
مواد به طور معمول بر اساس تجربیات پیشین ، تست های خوردگی ، نوشته ها و هند بوک ها و پیشنهاد تولید کنندگان مواد انتخاب می گردند . میزان موفقیت در انتخاب مواد و پروسه ساخت ، در رفتار تاسیسات در عمل ، منعکس می گردد . برای دستیابی به ایمنی ، اطمینان کافی ، کارکرد دائمی 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 ، 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 – آلیاژ فولادی     4 – فولاد ضد زنگ       5 – آلومینیوم 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 زدایی در مبدل های یکی از پر هزینه ترین مسایل در تعمیر و نگهداری مبدل هاست که باعث اتلاف سرمایه و همچنین زمان می شود .به طور مثال هزینه های ناشی از ایجاد رسوب در صنایع کشور آمریکا سالانه به 5 میلیارد دلار می رسد که هزینه های هنگفتی را بر صنایع تحمیل می کند . ایجاد رسوب بر روی سطح انتقال حرارت باعث کاهش نرخ انتقال حرارت و همچنین افزایش افت فشار می گردد و لذا رسوب زدایی امری اجتناب ناپذیر است که باعث اتلاف زمان تولید و ایجاد هزینه فراوانی می گردد .
مبدل های حرارتی پوسته لوله شرکت :
مبدل های حرارتی پوسته لوله  U-TYPE دوپاس با کوئل مسی شرکت حرارت دماگستر ساخته شده بر اساس استاندارد ASME جهت انتقال حرارت بین دو سیال ( بخار به آب و یا آب به آب ) مورد استفاده قرار می گیرند . طراحی و ساخت مبدل ها با نرم افزارهای مهندسی مربوطه آنالیز ، طراحی و تست می گردد . همچنین قطر پوسته 6 اینچ تا 30 اینچ با سطوح حرارتی مختلف بر اساس درخواست مشتری ساخته می شود .
در مبدل های U-TYPE همواره سیال گرم شونده در لوله و سیال گرم کننده در پوسته قرار می گیرد . جنس پوسته بر اساس استاندارد از ورق فولادی و یا بنا به درخواست مشتری از جنس استنلس استیل و و لوله از مرغوبترین مس بدون درز جهت رسیدن به بالاترین ضریب تبادل حرارتی می باشد .

قطر لوله مسی استفاده شده در مبدل 4/3 اینچ می باشد و با ضخامت تعیین شده بر اساس فشار کاری و چیدمان مثلثی طراحی می گردند . همچنین در این نوع از مبدل ها اتصال لوله ها به شبکه به صورت والس می باشد و قابلیت تعویض و جایگزینی لوله ها در مبدل ها وجود دارد . طراحی این نوع مبدل ها با توه به درخواست مشتری از طریق نرم افزار صورت می گیرد که جهت طراحی بهینه مبدل حرارتی نیاز است تا مشخصاتی همچون دبی سیال گرم شونده ، درجه حرارت ورودی و خروجی سیال گرم شونده ،  دبی سیال گرم کننده و درجه حرارت ورودی و خروجی سیال گرم کننده و یا ظرفیت حرارتی قابل انتقال مبدل حرارتی اعلام گردد . جهت استفاده از مبدل های حرارتی با سیالی به غیر از آب نیاز است تا طراحی مبدل بر اساس این سیال صورت گیرد .