در این قسمت ۴ مدل متداول از مبدلهای حرارتی براساس ساختار طراحی بررسی میشوند.
در مبدلهای حرارتی لولهای، دو لوله با اندازه متفاوت یکی با قطر کمتر و دیگری با قطر بیشتر وجود دارد. لوله کوچکتر درون لوله بزرگتر و هممرکز با آن جایگیری میشود. نحوه کار در این مبدلها به این صورت است که یکی از سیالات درون لوله کوچکتر و دیگری در فضای میانی دو لوله جاری میشود و دو سیال با هم تبادل حرارت میکنند. در این مبدلها که به مبدلهای لولهای دوبل (Double Pipe) نیز معروفاند، دیواره لوله داخلی سطح انتقال حرارت را تشکیل میدهد، که معمولا برای افزایش سطح روی لوله داخلی را فین گذاری میکنند.
در این مبدلها جریان دوسیال میتواند به صورت موازی (Parallel Flow) یا مخالف (Counter Flow) باشد. البته بیشترین راندمان مربوط به جریان مخالف است. در جریان مخالف دریجههای ورودی دوسیال در دوسمت متفاوت قرار گرفتهاست.
مبدلهای لوله ای از طراحی ساده و هزینه ساخت کمی برخوردار هستند و برای انتقال حرارت در سیالات پرفشار استفاده میشوند. اما نسبت به سایر رقبای خود ظرفیت انتقال حرارت و راندمان چندان بالایی ندارند. با این وجود برای دستیابی به ظرفیت انتقال حرارت بیشتر میتوان چند عدد از این مبدلها را به صورت متوالی با هم البته در راستای عمودی قرار داد. نحوه انتقال حرارت در این مدل به این صورت است که یا دمای حجم کمی از سیال را به میزان زیاد تغییر میدهد یا دمای حجم زیادی از سیال را به میزان کمی تغییر میدهد. معمولا از مبدلهای حرارتی لولهای در صنایع غذایی و تهویه مطبوع استفاده میکنند.
یکی از رایجترین انواع مبدلهای حرارتی، مبدل Shell and Tube است. در این مبدل که از یک پوسته استوانهای شکل بزرگ ساخته شده و تعدادی لوله که داخل پوسته قرار می گیرد . یکی از سیالات به درون این لولهها وارد شده و سیال دیگر وارد پوسته مبدل میشود. به این ترتیب از سطح لولهها فرآیند انتقال حرارت انجام میشود.
سیالات به کار رفته در این مبدل میتواند هم به صورت مایع و هم گاز باشد. اگر درون مبدل فقط سیال مایع یا سیال گازی در جریان باشد، به این مدل تک فازی میگویند. در سایر موارد مبدل دوفازی است، به طور مثال سیال درون کویل به صورت مایع وارد شده و با انتقال حرارت تبخیر و به گاز تبدیل میشود. معمولا جنس کویلها از مس است ولی در برخی موارد بسته به نوع کاربری میتوان از آلومینیوم، استیل، برنج و … استفاده کرد.
ساختار داخلی و نحوه اتصالات و چینش کویلها درون مبدلهای پوسته و لوله بسیار متنوع است. در این مبدلها لولهها یا به شکل مستقیم یا خم شده به شکل U مورد استفاده میگیرد. در کویلهای U شکل این روش به سبب خمکاری مقاومت لولهها در ناحیه خمشده کمتر میشود و امکان شکست وجود دارد. به همین دلیل معمولا از این مدل در ظرفیتهای پایین استفاده میشود. در مبدلهای شل اند تیوب، اجزای دیگری از جمله تیوب شیت (Tube Sheet)، بافل (Baffle)، پلنیوم (Plenum) وجود دارد که در مقاله مبدل حرارتی پوسته و لوله به آنها پرداخته شده است. در این مبدلها نیز، همانند مبدل لولهای جریان مخالف بیشترین میزان بازدهی را دارد.
یکی از کاربردهای مهم مبدلهای Shell and Tube، اواپراتور چیلرهای هوا خنک و اواپرتور و کندانسور چیلرهای آب خنک است. در مصارفی که قرار است بر روی حجم زیادی از سیال انتقال حرارت انجام شود، مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از بهترین انتخابهاست. به همین دلیل یکی از پر مصرفترین مبدلها در صنایعی از جمله پتروشیمی، فولاد، کاغذسازی، تولید دارو، نیروگاههای تولید برق و … این مبدلهاست.
در مبدلهای صفحهای به جای استفاده از چند لوله، تعدادی صفحه که به صورت متوالی پشت سرهم و با فاصله اندک از همدیگر قرار گرفته اند وجود دارد. طراحی و ساخت مبدلهای حرارتی صفحهای به گونهای است که دوسیال از میان صفحات عبور کرده و با هم مخلوط نمیشوند. به زبان سادهتر دو سیال به صورت یک در میان، بین صفحات در جریان هستند. صفحات نیز، یک درمیان نسبت به هم آببندی شدهاند.
سطح این صفحات صاف یا به صورت موجدار هستند و معمولا به جهت مقاومت در برابر خوردگی و تحمل دمای بالا از جنس فولاد ضد زنگ هستند. از آنجایی که سیال بین صفحات حرکت میکنند، سطح بیشتری برای انتقال حرارت دارند و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری نیز انجام میشود. به همین دلیل برای ایجاد یک میزان مشخص انتقال حرارت، مبدلهای صفحهای از سایر مبدلها اندازه کوچکتری دارند.
از آنجایی که فاصله بین هر دو صفحه کم است، سیال جریانی آشفته و گردابهای خواهد داشت. این ویژگی سبب میشود ضریب انتقال حرارت جریان افزایش یافته و بازده دستگاه بیشتر شود. از طرفی به سبب بزرگ بودن تنش برشی در گوشه صفحات، میزان رسوب در این مبدلها بسیار کمتر میشود. این ویژگیهای مثبت مبدل صفحهای، باعث شده امروزه مبدلهای صفحهای به میزان گستردهای در صنایع مختلف بهکار گرفته شوند. البته این مدل نسبت به مبدلهای پوسته و لوله، فشارهای کمتری را تحمل میکند.
مبدلهای صفحهای براساس ساختار به ۳ دسته تقسیم میشوند که عبارتند از:
در این مبدلها بین صفحات واشرهایی از جنس پلاستیک قرار میگیرند به طوری که دورتادور لبه صفحه چسبیده میشود و امکان نشتی و اختلاط سیالات وجود ندارد. در این مبدلهای واشردار چنانچه قصد تغییر ظرفیت انتقال حرارت را داشته باشیم، میتوان تعداد صفحات فلزی را افزایش یا کاهش داد. این مدل مبدلها برای سیالات با حجم زیاد و با فشار کم یا متوسط مناسب است.
در این نوع، صفحات موج دار به کمک یک ماده پرکننده و فرآیند لحیمکاری به همدیگر متصل میشوند. مبدل حرارتی صفحهای لحیم کاری شده برای انتقال حرارت در سیالات پرفشار کاربرد دارد.
در این مدل صفحات مختلف در کنار یکدیگر قرار گرفته و به هم جوش میشوند. ظرفیت سرمایشی و گرمایشی این مبدلها ثابت است و دیگر امکان اضافه و کم کردن صفحات وجود ندارد. مبدل حرارتی صفحه ای جوشکاری شده قابلیت انتقال حرارت در دما وفشار بالا را دارد و به همین در صنایع بزرگ به طور گسترده استفاده میشود.
در این مبدلها که تبادل حرارت میان هوا و یک سیال دیگر صورت میگیرد، تعدادی کویل و یک یا چند عدد فن قرار دارد. سیال گرمتر در درون کویلها جاری میشود و هوا به وسیله فن در اطراف کویلها به گردش در میآید. برای افزایش سطح تماس هوا با کویلها و در نتیجه افزایش میزان انتقال حرارت، معمولا کویلها را به پرههایی مجهز میکنند. ذرات هوا با برخورد به سطح گرم شده کویل و پره، حرارت را از سیال گرفته و باعث خنککاری سیال میشود. مبدلهای هوا خنک خود در سه دسته عمودی، افقی و V شکل تقسیمبندی میشوند.
همانطور که در ابتدای متن گفته شد، مبدل حرارتی وسیلهای برای تبادل حرارت بین دو یا چند سیال با دمای مختلف است. این تبادل حرارت گاهی برای ایجاد گرمایش است و گاهی ایجاد سرمایش؛ گاهی برای مصارف صنعتی است و گاهی برای تهویه مطبوع.
از جمله کاربردهای صنعتی مبدلهای حرارتی میتوان به صنایع غذایی، صنایع شیمیایی، صنایع تولیدی، نیروگاههای تولید برقریال پالایشگاه نفت و گاز، داروسازی، صنایع کاغذسازی و … اشاره کرد.
جهت سفارش انواع مبدل های حرارتی می توانید با کارشناسان زاگرا صنعت در تماس باشید