نام تجهیز : مبدل حرارتی (Heat Exchanger)

چكیده:

مبدل حرارتی دستگاهی است كه برای انتقال حرارت موثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می‌گردد. از رایج‌ترین مبدل‌های حرارتی رادیاتور خودرو و رادیاتور شوفاژ است. مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله گرم كردن فضا، سرد سازی، تهویه مطبوع، خودرو، نفت و گاز و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. مكانیزم انتقال حرارت بصورت جابجایی و هدایت می باشد. یك مثال معمول از مبدل های حرارتی رادیاتور ماشین می باشد،كه در آن آبی كه با حرارت موتور ماشین داغ شده است ، حرارت آن از طریق رادیاتور به جریان هوا منتقل می كند. از انواع مبدل ها می توان به مواردی چون مبدل های لوله ای (Tubular Heat Exchanger) (كه خود این مبدل ها بر اساس شكل به مبدلهای لوله ای U شكل، مبدلهای دو لوله ای ساده و مبدل های دو لوله ای كویل دار تقسیم بندی می شوند.) ، مبدل های پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)، مبدل های صفحه ای (Plate heat exchanger)، مبدل های پره دار (Fin Heat Exchangers) اشاره كرد.

مقدمه:

مبدل ها وسایلی هستند كه در صنعت برای انتقال حرارت بین دو سیال بكار می روند. در ابتدا سعی می شود تا آنجا كه ممكن است برای گرم كردن و سرد كردن جریان ها از خود سیال های موجود در فرایند استفاده شود . بعد از حداكثر كردن میزان بازیافت حرارت در شبكه مبدل حرارتی بار های گرمایشی و سرمایشی كه از طریق بازیافت حرارت تامین نشده اند باید توسط سرویس های جانبی (Utility) تهیه شوند . مكانیزم انتقال حرارت بصورت جابجایی و هدایت می باشد.
نحوه قرار گرفتن سیال ها در كنار یكدیگر می تواند به چندین صورت مختلف باشد:

 - جریان همسو (co-current) : دو سیال از یك طرف مبدل وارد شده و هر دو از طرف دیگر خارج می شوند. بعضی در مبدل نیز هردو در یك سو حركت می كنند . نتیجتاً در مبدل نیز هر دو در یك سو حركت می كنند. (شكل 1)

 
شكل 1 - جریا نهای همسو

- جریان ناهمسو (counter-current): هركدام از سیال ها از جهات مخالف وارد و خارج می شوند ( یكی از سیا لها از یك جهت و سیال دیگر از جهت دیگر وارد می شود) و دو سیال در مبدل به صورت ناهمسو جریان دارد.(شكل 2)

 
شكل 2 - جریان های ناهمسو

- جریان متقاطع (cross-flow): یكی از سیال ها از یك جهت و سیال دیگر در جهت عمود بر آن جریان دارد. مشخص ترین نمونه آن رادیاتور ماشین می باشد كه جریان آب از بالا به پایین در لوله ها و جریان هوا عمود بر آن می باشد.(شكل 3 )
 

شكل 3 - جریان های متقاطع

- جریان چندگذر (multi pass): كه در آنها جریان های دو سیال به صورت چندتایی در مبدل چیده شده اند  .(شكل 4)

 
شكل 4 - جریان های چند گذر

تقسیم بندی مبدل ها

مبدل ها را می توان از جهات گوناگون تقسیم بندی كرد. ابتدا عناوین این تقسیم بندی ذكر می گردد و سپس در مورد هركدام توضیحاتی ارائه می شود.
تقسیم بندی بر اساس خصوصیات سیال هایی كه در مبدل ها جریان دارد:
این تقسیم بندی بر اساس سیال فرایندی مبدل شكل گرفته است. البته تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت گازها و مایعات در تعیین شكل مبدل نقش موثری دارد.

مایع/ مایع
در این نوع مبدل های حرارتی هر دو سیال مایع هستند و مكانیزم انتقال حرارت برای هر دو ، انتقال حرارت اجباری است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

گاز/ مایع
در این مبدل ها یك سیال مایع و سیال دیگر گاز است. معمولاً برای خنك نمودن سیال گرم توسط هوا استفاده می شود. جریان مایع با سرعت كافی داخل لوله پمپ می شود كه 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
معمولاً كمتر اتفاق می افتد كه در مبدل ها هر دو سیال گاز باشند مگر اینكه یكی از گازها در فشار بالا باشد .
گاز فشار بالا كه دانسیته آن بیشتر است در داخل لوله ها جریان می یابد. البته ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی كوچك است و برای انتقال حرارت مناسب باید تدابیری اندیشید كه در مباحث بعد در این مورد بحث می شود.

كندانسورها
در این مبدل های حرارتی جریان بخار یك سیال توسط مایع (مثلاً آب) و یا جریان گاز (مثلاً هوا) خنك و كندانس می شود. گاهی اوقات بخار خارج لوله است مثل كندانسورهای نیروگاه های حرارتی و گاهی اوقات بخار داخل لوله است مثل كندانسورهای فرئون.