مبدل حرارتی چیست ؟

گروه فنی مهندسی آدر صنعت به بررسی تحلیل های دینامیک محاسباتی سیالاتی در محیط انسیس فلوئنتمی پردازد. در این قسمت به بررسی مبدل حرارتی می پردازد. مبدل حرارتی دستگاهی است که در انواع و طرح های مختلف تولید شده و حرارت را در اثر اختلاف دمای ایجاد شده بین دو سیال ، از یک سیال (گاز یا مایع) به سیال دیگر منتقل می کند. مبدل حرارتی روغن ، حرارت روغن داغ را به آب یا هوا منتقل می کند و یا مبدل حرارتی استخر ، گرمای آب داغ بویلر را به آب استخر منتقل می کند.

از جمله مهمترین ، پر کاربردترین و پر فروش ترین مبدل های حرارتی می توان به نوع پوسته و لوله ، نوع هوا خنک (درای کولر) و نوع صفحه ای اشاره کرد.گروه فنی مهندسی آدر صنعت با توجه به حساس بودن تحلیل های دینامیک محاسباتی عددی مبدل های حرارتی بر خود لازم دانست با انتشار آموزش تحلیل مبدل حرارتی صفحه ای با انسیس فلوئنت تحلیل CFD مبدل حرارتی جهت بررسی کانتورهای دما و سرعت و فشار سیال آب را درون مبدل حرارتی بررسی گردید.

همچنین در این راستا جهت بررسی مبدل حرارتی rib & groove در انسیس جهت برررسی توزیع تنش و دمای سیال آموزش شبیه سازی و تابع نویسی مبدل حرارتی rib groove در انسیس فلوئنت در سایت تخصصی گروه فنی مهندسی آدر صنعت انتشار یافت. از طرفی به دلیل تحلیل گذرای سیال به جهت بررسی رفتار سیال با زمان آموزش تحلیل transient مبدل حرارتی با آرایش مربعی در انسیس فلوئنت و تحلیل Transient مبدل حرارتی در انسیس فلوئنت به جهت بررسی میزان راندمان و عملکرد آرایش مبدل به جهت توزیع دما و سرعت و فشار انتشار یافت.

نحوه عملکرد مبدل حرارتی

یک سیال از درون دسته ای از لوله ها که همگی به یک ورودی و خروجی متصل هستند، عبور می کند و سیال دیگر با دمای متفاوت درون پوسته ای که لوله ها را احاطه کرده، جاری می شود. بدین ترتیب گرما در اثر اختلاف دمای بین دو سیال و از طریق دیواره لوله ها، از سیال گرم به سیال سرد منتقل می شود. بدین ترتیب بدون تماس مستقیم، بین دو سیال عمل انتقال گرما صورت می گیرد. از این نوع مبدل در صنایع مختلف و برای سیالات گوناگون به طور گسترده استفاده می شود.

جهت بررسی و تحلیل چگونگی جریان در میکرو کانال ها می توان مقاله بهینه سازی چند هدفی جریان با جابه جایی طبیعی در میکرو کانال ها را مشاهده نمود.

طرز کار مبدل حرارتی صفحه ای:

تعداد زیادی صفحه با ضخامت کم و به صورت پشت سر هم قرار گرفته و بین آنها فضای خالی ایجاد می شود صفحات نسبت به هم آبند هستند. یک لوله جریان سیال گرم و یک لوله جریان سیال سرد به صورت یکی در میان به صفحات متصل می شود، طوری که یکی در میان در فضای خالی بین صفحات، سیال سرد و گرم جاری می شود. بدین ترتیب سطح انتقال حرارت افزایش و انتقال حرارت از دیواره صفحات بین سیالات صورت می پذیرد

طرز کار مبدل حرارتی هوا خنک

رادیاتور اتومبیل مثال خوبی از یک مبدل حرارتی هوا خنک است. همانطور که می دانید درون رادیاتور، آب داغ در جریان است که توسط هوای دمیده شده فن ، خنک می شود. طرز کار مبدل حرارتی هوا خنک به این شکل است که هوا با سرعت زیاد از اطراف لوله های فین دار (لوله های پره دار) عبور کرده و سیال جاری در لوله ها، گرمای خود را به هوای محیط می دهد.

علت استفاده از فین (پره) در اطراف لوله ها، افزایش سطح انتقال حرارت است. به مجموعه لوله ها و فین ها در کل کویل گفته می شود این مبدل ها در طرح ها و انواع مختلف و مخصوصا سه نوع V شکل ، افقی و عمودی طراحی و تولید می شوند و به طور گسترده در بازار به فروش می رسند که طرز کار همه آنها مشابه یکدیگر است.

انواع مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی به دو دسته تماس مستقیم و تماس غیرمستقیم تقسیم می شوند.

مبدل های تماس غیر مستقیم:

• مبدل های حرارتی صفحه ای (واشردار، جوشی، لحیمی، نیمه جوشی)
• مبدل های حرارتی لوله ای (پوسته لوله، دو لوله ای، Hairpin، Coil wound)
• مبدل های اسپیرال
• مبدل های هواخنک

از جمله مبدل های تماس مستقیم  می توان به برج های خنک کن، دی سوپرهیترها و … اشاره نمود.

کاربرد مبدل حرارتی در صنعت

با توجه به افزایش جهانی قیمت سوخت، استفاده بهینه از انرژی موجود الزامی انکار ناپذیر برای رقابت در دنیای امروز می باشد. یکی از تجهیزات کلیدی به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی، مبدل‌های حرارتی با کارایی بالا می باشد. این تجهیزات با استفاده حداکثری از انرژی موجود باعث کاهش مصرف سوخت در خنک کننده ها و گرم کننده ها نظیر چیلر و بویلر می شوند. در این میان، مبدل حرارتی صفحه ای یک راه حل نوین با کارایی به مراتب بهتر از مبدل های سنتی پوسته-لوله می باشد.

برخی از صنایعی که دارای کاربرد گسترده مبدل حرارتی می باشند عبارتند از:

• صنایع فولاد
• تاسیسات و تهویه مطبوع
• سیستم های تولید همزمان برق و حرارت
• صنایع نفت و گاز و پتروشیمی
• صنایع غذایی
• نیروگاه های تولید برق

15 جز اصلی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

پوسته (Shell)

درپوش بسته (Shell Cover)

لوله ها (Tubes)

مجرا (Channel)

درپوش مجرا (Channel Cover)

صفحه لوله (Tube Sheet)

بافل ها (Baffles)

نازل ها (Nozzles)

میله های فاصله انداز بافل ها (Tie Rods)

صفحات تقسیم کننده گذرها (Pass Partition Plate)

صفحه برخورد (Impingement)

بافل های طولی (Longitudinal Baffles)

آب بندهای بین پوسته و لوله (Sealing Strips)

نگهدارنده ها (Supports)

فونداسیون (Foundation)

5 پارامتر از اساسی ترین نکات نحوه قرارگیری سیالات در مبدل های حرارتی عبارتند از:

میزان سمی بودن سیال

در شبیه سازی مبدل حرارتی اگر سیال سمی باشد، بهتر است در قسمت لوله قرار بگیرد. دلیل این موضوع هم این است که در صورت نشتی، سیال به بیرون راه پیدا نمی کند و درون پوسته جمع آوری می شود.

میزان رسوب زا بودن سیال

اگر سیال رسوب زا باشد باید آن را در لوله (Tube) قرار بدهیم. دلیل آن هم این است که در این صورت فقط سطح داخلی لوله دچار رسوب می شود

دو فازی بودن سیال

اگر سیال گاز یا دوفازی باشد بهتر است در قسمت پوسته قرار گیرد

میزان خورندگی سیال

اگر سیال خورنده باشد باز هم باید آن را در قسمت لوله (Tube) قرار داد. دلیل این موضوع هم این است که در این صورت فقط یک طرف مبدل (لوله) دچار خوردگی می شود

فشار عملیاتی سیال

اگر فشار یک سیال خیلی بیشتر از سیال دیگر باشد، باید آن را در قسمت لوله (Tube) قرار داد. دلیل این موضوع هم به مباحث مربوط به افت فشار و ضخامت لوله برمی گردد، اگر سیال پرفشار درون لوله باشد نتیجه این خواهد شد که باید ضخامت لوله بیشتر شود، اما اگر سیال پرفشار درون پوسته باشد نتیجه این خواهد شد که باید ضخامت پوسته بیشتر شود، که این مورد در مقایسه با افزایش ضخامت لوله هزینه بسیار بیشتری دارد. در نتیجه برای کاهش هزینه ها در طراحی سیال پرفشار را در لوله وارد می کنیم.

پارامتر های مهم در انتخاب مبدل

عوامل متعددی در انتخاب، طراحی و ساخت مبدل ها نقش دارند که مهم ترین آن ها 5 مورد هستند:

دمای خروجی مبدل

جریان خروجی از مبدل حرارتی، ورودی به یک تجهیز دیگر است به عنوان مثال اگر تجهیز بعدی راکتور باشد، اگر مبدل نتواند دمای لازم را فراهم کنید به دلیل تاثیر گذاری دما بر نرخ انجام واکنش، محصول مان غیر یکنواخت خواهد شد و ممکن است کیفیت لازمه را نداشته باشد

شرایط هیدرولیکی

منظور از شرایط هیدرولیکی، افت فشار مبدل است که آن هم تابع هندسه و ابعاد مبدل می باشد.

مساحت سطح انتقال حرارت

سطح مبدل از دو منظر برای ما اهمیت دارد، اول اینکه اگر هرچقدر سطح مبدل بیشتر باشد، انتقال حرارت نیز بیشتر است اما از طرفی سطح انتقال حرارت نقش مهمی در جانمایی تجهیز دارد. در بسیاری از موارد به دلیل محدودیت فضا باید هندسه مبدل کوچکتر باشد و در صورت نیاز با تنظیم پارامتر های دیگر به دمای خروجی مورد نظر رسید و اگر این امکان وجود نداشته باشد باید نوع مبدل را عوض کرد.

کاربرد مبدل

کاربرد مبدل در انتخاب آن بسیار مهم است، به عنوان مثال برای سیالات سمی یا آتش زا باشد.ترجیح بر این است که از مبدل های پوسته لوله یا دو لوله ای استفاده شود تا در صورت نشت سیال سمی به بیرون مبدل نریزد البته با این فرض که این سیالات را در سمت لوله قرار داده باشیم.

هزینه

هزینه در واقع در بین همه موارد بالا، در بیشتر مواقع تعیین کننده تر است. همواره تلاش بر این است که با کم هزینه ترین مبدل، بهترین نتیجه حاصل شود.