پروژه مبدل حرارتی

تعریف مبدل حرارتی

انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر بدون تماس مستقیم در صنعت

توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی ) Heat exchanger ( صورت می گیرد.

در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی

را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود . معمولا مبدل های

حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا

هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.

مثال:

هر موجود زنده ای به طریقی به یک یا چند مبدل حرارتی مجهز است . یکی از

مهمترین مبدل های حرارتی موجود در بدن بستانداران ششها می باشند که با اشب اع

هوای بازدم از بخار آب بدن را خنک می کند.

مبدل های حرارتی بر اساس :

1 _ پیوستگی یا تناوب جریان

2_ فرآیندانتقال

3_ فشردگی یا تناوب جریان

4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آنها

5 _ درجه حرارت کارکرد

6_ سازوکار انتقال حرارت

7_ تعداد سیال

8_ آرایش جریان

دسته بندی می شوند.

1 - نایرج بوانت ای یگتسویپ

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.ولی در

مبدل های حرارتی باجریان متناوب یا خازنی از ی ک مجموعه مجاری جریان برای

هردوسیال استفاده می شود.

2 -فرآیند 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.

4 -نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آنها

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 ان د از

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

2( مبدل های حرارتی صفحه ای ) Plate Heat Exchanger )

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

4( بازیاب حرارتی ) Heat Recovers )

4 - 1 - یا هلول یترارح یاه لدبم ( Pipe Heat Exchanger )

در این مبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غیر مستقیم می باشد و مکانیزم انتقال

حرارت جابه جایی می باشد.

مبدل های حرارتی لوله ای به چند دسته تقسیم می شوند:

1 - تک لوله ای

2 - دولوله ای

3 - لوله مار پیچ

4 - چند لوله ای

5 -پوسته و لوله

الف( مبدل حرارتی دو لوله ای

ساده ترین نوع م د بلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است

که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و

به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله

و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل

انتقال حرارت صورت می پذیرد.

لوله های هم محور ری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی

180 درجه برگشت داده می شود . در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز

عبور میکند

سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود.

از مزایای این نوع م د بل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و

طراحی آسان ، کنترل ساده جریانهای سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن

آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .

در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می

شود .

ب(مبدل های حرارتی لوله مارپیچ

این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا

وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه

ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا

مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .

معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است

زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .

از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :

معایب :

1 - به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمانبر است

2 - بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است

مزایا :

1 - راندمان بالا

2 - مونتاژ آسان

3 - مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض

4 - مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین

پ(مبدل های حرارتی پوسته و لوله

متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده

قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف

و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور

تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده

می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :لوله ،

صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده )بافل ها(

این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال

دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که

همان

بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب

گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .

در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار

می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده

است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده

اند . دو سر مبدل یعنی سر جلویی و

عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد

شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی

شده و در آنجا جمع آوری گردد.

سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر

بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به

بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل

استفاده می شود . بافل ها به دو منظو ر در مبدل ها مورد استفاده قرار می گیرند .

هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب

بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل

لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزا یش

راندمان کار می گردد .

مزایای مبدل های پوسته و لو ه ل

در حجم كم ایجاد سطح بزرگی برای ان ق تال حرارت می كنند.

طراحی مكانیكی خوبی دارند. -

روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند. -

قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند. -

به راحتی تمیز می شوند. -

2-4 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 واش رهای 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 .

الف( مبدلهای صفحه ای واشر

مبدلهای صفحه ای واشر دارتشکیل 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 گوشه ها 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 .

ب( 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 .

13پ( مبدل های لاملا

مبدل های گرمایی لاملا شامل مج موعه 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.

4 - 3 مبدلهای حرارتی پره ای

نوع مبدل های پره دار عمدتا برای کاربردها ی 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 فرایندی، 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

2( پره ساده سوراخ دار

3( پره دندانه ای یا کنگره ای

4( پره های جناغی یا موجی شکل

6 - ترارح لاقتنا راکوزاس

مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود

. مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ) سطح واسط ( به دو نوع معمولی و

فشرده تقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700

متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .

8 -آرایش جریان

الف- 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.

ب- 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 .

ج- 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.

د-جریان چند گذر:

آرایشی که در آن جریان های دو سیال به صورت چندتایی در مبدل چیده شده اند.

تقسیم بندی مبدل های حرارتی براساس نوع سیال جاری درآنها

1 - مایع/ مایع

در این نوع مبدل های حرارتی هر دو سیال مایع هستند و مکانیزم انتقال حرارت

برای هر دو ، انتقال حرارت اجباری است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت

بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

2 -گاز/ مایع

در این مبدل ها یک سیال مایع و سیال دیگر گاز است. معمولاً برای خنک نمودن

سیال گرم توسط هوا استفاده می شود. جریان مایع با سرعت کافی داخل لوله پمپ

می شود که این موجب بالا بودن ضریب انتقال حرارت طرف لوله ها می شود. هوا

به صورت متقاطع بر روی لوله ها جریان می یابد. جریان هوا می تواند به صورت

جابجایی اجباری یا آزاد باشد.

گاز/گاز -3 معمولاً کمتر اتفاق می افتد که در مبدل ها هر دو سیال گاز باشند مگر اینکه یکی از

گازها در فشار بالا باشد .

گاز فشار بالا که دانسیته آن بیشتر است در داخل لوله ها جریان می یابد. البته

ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی کوچک است و برای انتقال حرارت

مناسب باید تدابیری اندیشید که در مباحث بعد در این مورد بحث می شود

کندانسورها -4 در این مبدل های حرارتی جریان بخار یک سیال توسط مایع )مثلاً آب( و یا جریان

گاز )مثلاً هوا( خنک و کندانس می شود. گاهی اوقات بخار خارج لوله است مثل

کندانسورهای نیروگاه های حرارتی و گاهی اوقات بخار داخل لوله است مثل

کندانسورهای فرئون.

مبدل های حرارتی سرد کننده : خنک کننده (Cooler) : در این نوع مبدل درجه حرارت بدون اینکه حالت سیال عوض شود کاهش می یابد .

به عبارت دیگر قسمتی از گرمای محسوس سیال گرفته می شود . اگر عمل سرد

کردن توسط آب صورت گیرد به آن کولر آبی (Water Cooler) می گویند و

دارای ساختمان معمولی مبدل های حرارتی پوسته و لوله می باشد . چگالنده (Condenser) : وظیفه این مبدل تبدیل بخار به مایع است و بر این اساس لازم است که گرمای نهان

تبخیر یک بخار را جذب تا به مایع تبدیل شود . این مبدل می تواند ساختمان یکی از

انواع خنک کننده های آبی یا هوایی را داشته باشد و معمولا" به طور افقی نصب می

شوند . سرد کننده (Chiller) : می دانیم هر مایعی که بخواهیم تبخیر شود احتیاج به انرژی حرارتی دارد و اگر این

انرژی را از محیط بگیرد به ناچار محیط سرد خواهد شد ، در صنایع نفت برای

تولید سرما از مایعات نفتی مثل پروپان و بوتان که در شرایط متعارفی بخارند

استفاده می شود .

سرد کننده دارای ساختمان پوسته و لوله بوده و در قسمت فوقانی پوسته دارای

فضایی جهت تبخیر پروپان می باشد.

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 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 و تلید و ساخت با استفاده از روشهای استاندارد تولید مانند ماشین کاری ،

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 نگه داری برویم. در عمل

یک بار ، تاسیسات برای یک بازده معین باید چک گردد.

رسوب در مبدل ها

سوب زدائی در مبدلهای حرارتی یکی از پرهزینه ترین مسائل در تعمیر و نگهداری

مبدلهاست که باعث اتلاف سرمایه و همچنین زمان می شود . بطور مثال هزینه های

ناشی از ایجاد رسوب در صنایع کشور آمریکا سالانه به ٥ میلیارد دلار می رسد که

هزینه هنگفتی را بر صنایع تحمیل می کند . ایجاد رسوب بر روی سطوح انتقال

حرارت باعث کاهش نرخ انتقال حرارت و همچنین افزایش افت فشار می گردد و لذا

رسوب زدائی امری اجتناب ناپذیراست که باعث اتلاف زمان تولید و ایجاد هزینه

فراوانی می گردد.

)نمونه ای از رسوب در مبدل(

کاربرد مبدل های حرارتی در صنعت

از مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاههای برق , پالایشگاها ,

صنایع پتروشیمی , صنایع غذایی ودارویی , صنایع ذوب فلزو ...به صورت گسترده

استفاده می شود .از جمله دستگاه هایی که در آنها از مبدل حرارتی استفاده می شود

می توان دیگ بخار , برج خنک کن , رادیاتور , کوره و... را نام برد.

منابع :

کتاب :

انتقال حرارت ، نویسنده : جک فیلیپ هولمن ، ترجمه : مهندس ملک زاده و

مهندس کاشانی حصار

وب سایت :

1 . www.sciencedirect.com

2 . www.wikipedia.com

3 . www.iran-eng.co

پروژه مبدل حرارتی

مطالب مشابه :

اعلام نمرات

اعلام نمرات دانشگاه آزاد کردکوی

اعلام نمرات

اعلام نمرات

اعلام نمرات

پروژه مبدل حرارتی

اعلام نمرات حسابداری دولتی ( دانشگاه آزاد کردکوی )