مبدل حرارتی دستگاهی است که فرآیند تبادل حرارت بین دو سیال را که در دماهای مختلف هستند تسهیل می کند. این تجهیزات در سه مدل پوسته – لوله، صفحه ای و فین تیوب تولید می شوند. مبدل‌های حرارتی با انتقال حرارت از دماهای بالاتر به دمای پایین تر عمل می کند.
بنابراین اگر یک سیال گرم و یک سیال سرد توسط یک سطح رسانای گرما از هم جدا شوند، گرمای منتقل شده به رسانا به سیال سرد منتقل و باعث سرد شدن سیال گرم و گرم شدن سیال سرد خواهد شد. عملکرد آنها توسط ترمودینامیک کنترل می شود و سیال‌ها می تواند آب یا روغن و یا هوا باشند.
مبدل حرارتی چیست؟
دستگاهی است که انرژی گرمایی را بین دو یا چند سیال بدون مخلوط شدن آنها منتقل می‌کند. مبدل‌های حرارتی در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، پالایشگاه‌ها، تصفیه گازهای طبیعی، نیروگاه‌ها، یخچال‌ها، سیستم‌های تهویه مطبوع و بازیابی گرمای تلف شده در فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شوند.
انتقال گرما در مبدل حرارتی بر اساس اصل هدایت گرما انجام میشود. هدایت گرمایی، فرآیند انتقال گرما از یک جسم گرم به جسم سردتر بدون انتقال ماده بین آنهاست. در یک گرمایی، سیال گرم و سیال سرد با یکدیگر تماس مستقیم ندارند و از طریق یک دیواره جداکننده از هم جدا می شوند. گرما از سیال گرم به دیواره منتقل میشود، سپس از دیواره به سیال سرد منتقل میشود.
مکانیزم عملکرد مبدل‌های گرمایی
نحوه جریان سیال‌ها در مبدل‌های حرارتی میتواند به صورتهای مختلفی باشد. متداول ترین انواع جریان سیال ها عبارتند از:
- جریان متقابل: سیال گرم و سیال سرد در جهت های مخالف جریان می یابند. این نوع جریان کارآمدترین نوع جریان است، زیرا به سیالات امکان می دهد بیشترین اختلاف دما را ایجاد کنند.
- جریان موازی: سیال گرم و سیال سرد در یک جهت جریان می یابند. این نوع جریان کارآمدتر از جریان متقابل نیست، اما فشرده تر است.
- جریان عرضی: سیال گرم و سیال سرد به طور عمود بر یکدیگر جریان می یابند. این نوع جریان کارآمدتر از جریان موازی نیست، اما ساده تر است.
اصول طراحی مبدل‌های حرارتی
- تعیین مشخصات فرآیند و طراحی
- طراحی حرارتی و هیدرولیک
- طراحی مکانیکی
- محاسبات مربوط به هزینه و ساخت
- فاکتورهای سنجش و بهینه سازی سیستم
مشخصات و ویژگی‌های فرآیند را می توان یکی از مهمترین مراحل در طراحی مبدل حرارتی عنوان کرد. یک مهندس طراح مبدل حرارتی با همکاری مهندس طراح سیستم باید همه ویژگی ها و مشخصات هوشمندانه قابل بهره برداری از مبدل را بر اساس نیازهای مشتری، استانداردهای صنعتی و تجارب مهندس طراح مشخص نمایند.
پروسه طراحی شامل همه اطلاعات لازم برای بهینه سازی عملکرد مبدل گرمایی است تا بتوان از آن برای یک کاربری خاص استفاده کرد. این اطلاعات شامل موارد زیر است:
شرایط کار مبدل، نوع ساختار مبدل، آرایش جریان ها، جنس موادی که در ساخت مبدل استفاده میشود، توجه به محدودیتها و اتش برای مرتفع کردن فوری آنها یا ترسیم راه موازی، ایمنی، حفاظت و تلاش برای کاهش دیتای مورد نیاز برای طراحی. در حقیقت تمام موارد شامل پارامترهای فرآیندی، شرایط عملیاتی و محیطی است که قرار است مبدل حرارتی در آن به کار گرفته شود میبایست بهنگام طراحی مد نظر قرار گیرد.
پارامترهای طراحی شامل تعیین نسبت جریان جرم سیال، دماهای ورودی و فشارها، شدت های جریان، ترکیب سیال، کیفیت بخار، بار حرارتی، افت فشار مجاز، نوسانات در دما و فشار ورودی، پارامترهایی مثل ظرفیت و اندازه مبدل گرمایی، وزن، خواص خورندگی و رسوب زایی سیالات درون صفحات و لوله‌ها، محدودیت های طراحی از (جمله هزینه، متریالی که باید استفاده شوند، آرایش و چیدمان جریان‌ها)، ایمنی، فرسایش، سطح دما و تاثیرات محیطی تاثیرگذار بر عملکرد مبدل حرارتی
شرایط آب و هوایی موثر در طراحی مبدل حرارتی: همه عوامل محیطی که بر عملکرد مبدل ها بهنگام تحت فشار قرار گرفتن موثر هستند.
نقشه محل نصب مبدل گرمایی تا جایی که قرار است از نتیجه عملکرد آن استفاده شود (میزان نزدیکی به ساختمان ها یا سایر تجهیزات حرارتی و برودتی) نیز میبایست بهنگام طراحی مبدل حرارتی بسیار دقیق مورد مطالعه قرار گیرد.
با مد نظر قرار دادن این پارامترها می‌توان نوع و ساختار مبدل حرارتی و آرایش نحوه جریان سیالات درون لوله‌ها و صفحات را انتخاب نمود. طراحی نوع ساختار مبدل‌های گرمایی بستگی به پارامترهای زیر دارد:
- بررسی نوع سیالات در دسترس و سیالات مورد نیاز
- دماها و فشارهای عملیاتی
- سازگاری سیال با مصالح به کار برده شده بمنظور عدم خوردگی و جرم گرفتن
- بررسی میزان نشتی مجاز سیستم و رویکرد بهنگام خروج از محدوه مجاز
- هزینه و تکنولوژی های قابل دسترس برای ساخت مبدل حرارتی
در طراحی مبدل حرارتی شل اند تیوب حتی اگر سیالات انتخاب شوند می بایست با توجه به پارامترهای زیاد دیگری تعیین نمود چه سیالی در سمت پوسته و چه سیالی در سمت لوله جریان می یابد.
همچنین در بخش مهمی از طراحی مبدل حرارتی شما باید جریان سیالات را آرایش بندی کنید تا بالاترین مبادله گرمایی بین آنها اتفاق بیفتد. برای این کار حتما با همکاران من در واحد فنی شرکت ناب ملل تماس بگیرید.
نوع پوسته، تعداد مجراها، هندسه تیغه ها، بافل ها، نوع و مقدار سطوح پره دار و بازیاب گرما مورادی هستند که میبایست توسط طراح مورد بررسی قرار گرفته و برای سازنده مبدل حرارتی مشخص شود.
معیارهای فراوانی برای انتخاب جنس سطوح تبادل حرارتی وجود دارد: دما و فشار کارکرد، تجربه و قوه تشخیص طراح، خوردگی، رسوبات و جرم گرفتگی، فرسایش، آلودگی سیال، هزینه، در دسترس پذیری سطوح گرمایی، قابلیت ساخت و تولید، ضروریات نگهداری، قابلیت اعتماد و ایمنی.
در مبدل پوسته و لوله سیال درون لوله به گونه ای انتخاب میشود که: رسوب کنندگی بیشتر، فشار بالاتر، خورندگی بیشتر، ویسکوزیته و ضریب انتقال حرارت کوچکتری داشته باشد.
کاربردهای مبدل حرارتی
مبدل‌های گرمایی در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شود، از جمله:
- سیستم های تبرید و گرمایش: کندانسور و اواپراتور در سیستم های تبرید و گرمایش از مبدل حرارتی استفاده می کنند. کندانسور، گرمای مبرد را جذب و آن را به محیط خارج منتقل می‌کند. اواپراتور گرما را از محیط جذب و آن را به مبرد منتقل می‌کند. مبدل‌های حرارتی برای انتقال گرما از یک منبع گرما به یک محیط گرم یا از یک محیط سرد به یک منبع سرد استفاده می شوند. این امر باعث میشود که ساختمان ها، وسایل نقلیه و سایر تجهیزات در امر خنک کاری یا گرمایش راحت تر باشند.
در یک سیستم تهویه مطبوع مرکزی، مبدل حرارتی کندانسور معمولاً در خارج از ساختمان قرار می گیرد. هوای گرم از داخل ساختمان از طریق کویل های گرمایشی عبور می‌کند و گرمای خود را به مبرد منتقل می‌کند. مبرد گرم شده سپس به کندانسور منتقل میشود و گرمای خود را به هوای خارج منتقل می‌کند. این کار باعث خنک شدن هوای داخل ساختمان میشود.
در یک یخچال، مبدل گرمایی کندانسور در پشت یخچال قرار می گیرد. هوای گرم از اتاق به داخل یخچال می آید و گرمای خود را به مبرد منتقل می‌کند. مبرد گرم شده سپس به کندانسور منتقل میشود و گرمای خود را به هوای اتاق منتقل می‌کند. این کار باعث سرد شدن هوای داخل یخچال میشود. - صنایع غذایی و نوشیدنی: مبدل حرارتی برای گرم کردن، سرد کردن، جوشاندن و تبخیر مواد غذایی و نوشیدنی ها استفاده می شود. به عنوان مثال، از آنها برای گرم کردن آب برای تولید بخار مورد استفاده در فرهای نانوایی استفاده می شود.
در یک کارخانه تولید دلستر، این تجهیزات برای برای تولید آب جوش، آب جوش برای جوشاندن مالت و مالت جوشانده شده برای تولید دلستر استفاده میشود. - صنایع نفت، گاز و شیمیایی: مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن، سرد کردن، جوشاندن و تبخیر مواد شیمیایی استفاده می شوند. به عنوان مثال، این مبدلها برای گرم کردن نفت خام در پالایشگاه‌ها استفاده می شوند. مبدل حرارتی باعث گرم یا سرد کردن مواد خام، محصولات نیمه تمام و محصولات نهایی و بهبود کیفیت محصولات و افزایش بهره وری فرآیند میشود. برای کنترل دمای مواد غذایی و دارویی در طول فرآیند تولید و بهبود ایمنی آنها استفاده میشود.
در یک پالایشگاه نفت، نفت خام ابتدا در مبدل گرمایی گرم میشود تا دمای آن به حدود 700 درجه فارنهایت (371 درجه سانتیگراد) برسد. سپس نفت خام به برج تقطیر پالایشگاه منتقل میشود، جایی که به اجزای سازنده خود تجزیه میشود. - نیروگاه‌ها: مبدل حرارتی برای تولید بخار مورد استفاده در توربین های بخار استفاده می شود. بخار تولید شده توسط مبدل، نیروی توربین ها را تأمین می‌کند که انرژی مورد نیاز برای تولید برق را تولید می‌کند.
در یک نیروگاه بخار، آب ابتدا در مبدل حرارتی گرم میشود تا به بخار تبدیل شود. سپس بخار به توربین های بخار منتقل میشود، جایی که انرژی خود را برای چرخاندن توربین ها استفاده می‌کند. توربین ها سپس انرژی خود را برای تولید برق استفاده می کنند. - در صنایع ذوب فلز: برای گرم کردن فلزات قبل از ذوب و بهبود کیفیت فلزات ذوب شده استفاده میشود.
- این تجهیزات می توانند برای کاهش آلودگی هوا استفاده شوند. مثلا در یک نیروگاه، مبدل حرارتی می تواند برای بازیافت گرمای اتلافی از توربین‌های بخار و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای استفاده شود.
- این دستگاه‌ها می توانند برای بهبود بهره وری انرژی استفاده شوند. به عنوان مثال، در یک سیستم گرمایش مرکزی، مبدل‌های حرارتی می توانند با کاهش اتلاف گرما، کارایی سیستم را بهبود بخشند.
- مبدل حرارتی می توانند برای افزایش ایمنی استفاده شود. به عنوان مثال، در یک کارخانه تولید مواد شیمیایی، این مبدلها می توانند برای جلوگیری از مخلوط شدن مواد شیمیایی خطرناک استفاده شوند.
قیمت مبدل حرارتی
قیمت مبدل‌های حرارتی تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد، از جمله:
- نوع مبدل: این مبدلها در انواع مختلفی وجود دارند و هر مدل دارای هزینه‌های ساخت و مواد متفاوتی است.
- ظرفیت حرارتی: اندازه مبدلها بر مقدار مواد مورد نیاز برای ساخت آن تأثیر می گذارد. مبدل حرارتی دارای ظرفیت حرارتی بالاتر گران تر از مدلهای کوچکتر است.
- مواد مورد استفاده در ساخت: مواد مورد استفاده در ساخت بر هزینه آن تأثیر می گذارد. مواد مقاوم تر، گران تر از مواد کمتر مقاوم هستند.
- شرایط عملیاتی: شرایط عملیاتی مبدل گرمایی، مانند دمای کاری و فشار کاری، بر قیمت آن تأثیر می گذارد.
- نوع کاربرد: مبدل‌های حرارتی برای کاربردهای مختلف طراحی می شود. قیمت مبدل برای کاربردهای خاص ممکن است گران تر از مدلهای عمومی تر باشد.
- تعداد مورد نیاز: خرید تعداد زیادی از این تجهیزات ممکن است تخفیف در قیمت را به همراه داشته باشد.
برای مشاوره رایگان و کسب اطلاعات کامل درباره قیمت و خرید انواع مبدل‌های حرارتی شامل منبع کویل دار و سایر مبدل‌های گرمایی با کارشناسان مجموعه صنعتی ناب ملل تماس بگیرید.
انواع مبدل حرارتی
مبدل‌های حرارتی مصارف عمده ای در صنعت دارند که به انواع مختلفی موجود می باشند:
- مبدل گرمایی پوسته و لوله: پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی است که در ان یک لوله بزرگ یا پوسته کلی لوله کوچک را احاطه می نماید. درون لوله‌های کوچک یک سیال مایع با دمای کم جریان دارد و بین پوسته و اطراف لوله‌های کوچک با سیال گازی بسیار گرم احاطه شده است. این مبدل‌های گرمایی به انواع U شکل و لوله مستقیم یک پاس و دو پاس تقسیم بندی می‌شوند.
- مبدل گرمایی صفحه ای: در مبدل‌های حرارتی پلیتی، صفحات نزدیک بهم بصورت یک در میان سیال‌های سرد و گرم را درون خود به جریان در می آورند و تبادل حرارت در سطح بسیار زیاد اتفاق می‌افتد. بزرگترین ایراد این مبدلها عدم تحمل فشار زیاد می‌باشد.
- مبدل حرارتی هوا خنک: در این مدل یک لوله با کلی پره اطراف آن، دمای سیال در حال عبور از درون لوله اصلی و همرفت شده به پره‌ها را بواسطه وزش شدید هوا می گیرند و هوای داغ یا سرد به سمت انجام فرایند مورد نظر جریان می‌یابد.
- مبدل گرمایی دو لوله‌ای: ساده ترین نوع مبدل گرمایی است که در آن یک لوله با قطر کوچک درون لوله ای دیگر با قطر بزرگتر و به صورت هم مرکز قرار می‌گیرند و انتقال حرارت از طریق جداره لوله کوچکتر بین دو سیال انجام می شود.
مبدل حرارتی پوسته و لوله
این نوع مبدل از یک پوسته و تعدادی لوله تشکیل شده است که به شل اند تیوب معروف هستند. در این مبدل، یک سیال در داخل دسته لوله‌ها جریان دارد و سیال دیگر در پوسته جریان می یابد تا گرمای حاصل بر اثر اختلاف دمای موجود بین دو سیال انتقال پیدا کند. این نوع مبدلها قابلیت تحمل فشار کاری بالا را دارند.
ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله به شکلی است که تعدادی تیوب در داخل مخزنی به نام “شل” قرار دارد و برای ایجاد جریانی متلاطم در داخل پوسته از بافل استفاده میشود تا عمل بازده انتقال حرارت بیشتر شود.
اجزای مبدل حرارتی شل اند تیوب
- لوله: عضو اصلی که انتقال دهنده حرارت بین دو سیال است لوله‌ها می باشند که به صورت دسته لوله‌های U شکل در داخل پوسته قرار می گیرند. اندازه لوله‌ها از 1/4 تا 2و1/2 اینچ می باشد. در مبدل‌های معمولی قطر لوله‌ها از 1 تا 3/4 اینچ و در مبدل‌های فشرده قطر لوله‌ها از 1/2 تا 5/8 و همچنین طول لوله‌ها از 5 تا 7 متر می باشد.
- پوسته: یا همان “شل” که دسته لوله‌ها را در بر می گیرد. قطر استاندارد این پوسته‌ها از 150 تا 1520 میلیمتر است. برای بدست آوردن ضخامت پوسته باید فشار کاری داخل پوسته مشخص شود تا با انجام محاسبات لازم ضخامت مورد نظر بدست آید.
- صفحات لوله گیر: همانطور از نامشان پیداست لوله‌های داخل مبدل حرارتی را در برمیگیرد و باعث ثابت ماندن این لوله‌ها میشود.
- بافل: بافل ها نقش مهمی در انتقال حرارت بین دو سیال دارند. بافل‌ها با ایجاد جریانی متلاطم باعث افزایش انتقال حرارت بین دو سیال می شوند.
محصول پر فروش مرتبط با سیستم های تهویه مطبوع: برج خنک کننده
مبدل حرارتی صفحه ای
این نوع مبدلها از تعدادی صفحه کنار هم که دارای فاصله کم می باشند تشکیل شده اند. مزیت‌هایی که این نوع مبدلها نسبت به مدلهای دیگر دارند عبارتند از:
- انتقال حرارت بهتر
- جای کمتری را اشغال می‌کند
- تعمیر و نگهداری آسانتر نسبت به سایر مبدلها
- امکان تغییر دادن سطوح انتقال حرارت با اضافه یا کم کردن صفحات
صفحات درون این مبدل به طور کامل آب‌بند و دارای 4 عدد بوشن هستند. وظیفه بوشن‌ها عبارتند از:
- دریافت آب سرد شهری
- خروج آب شهری که در اثر انتقال حرارت گرم شده است
- ورود آب گرم حاصل از دیگ
- و خروج آبی که بر اثر انتقال حرارت گرمای خود را از دست داده است.
به هر کدام از این صفحه‌ها که ضخامت کمی هم دارند یک در میان آب سرد و گرم وصل میشود تا با ایجاد جریان همرفتی بین صفحات، آب ورودی شهری گرم شده و آب گرم حاصل شود. مبدل حرارتی صفحه ای در فشار کاری 25 بار و دمای 200 درجه سانتیگراد قادر به کارکرد مناسب می باشد و انواع آن عبارتند از مبدل صفحه‌ای جوشی و واشر دار.
استانداردهای طراحی و ساخت مبدل حرارتی صفحه ای عبارتند از:
- API 662 ارائه شده توسط انجمن نفت آمریکا
- ASME SEC VIII استاندارد ساخت مخازن تحت فشار
اجزای مبدل گرمایی صفحه ای
- چارچوب ثابت
- چارچوب متحرک
- سطح تبادل حرارتی
- واشر جهت آبندی
- پیچ های محکم کننده
- ریل های راهنمای بالا و پایین
- پایه نگهدارنده
مبدل حرارتی هواخنک (فین تیوب)
مبدل گرمایی هواخنک یا فین تیوب یا پره ای همانطور که از نامش پیداست برای انتقال حرارت بیشتر از پره‌ها استفاده میشود. درون مبدل حرارتی هوا خنک سیال سرد هوا است و در کاربردهایی که دسترسی به آب برای خنک کردن سیال گرم وجود ندارد، استفاده میشود.
یک نوع از مبدل فین تیوب یا پره ای، رادیاتور ماشین می باشد که طرز کار این نوع مبدلها به صورتی است که آب داغ یا سرد در داخل لوله‌هایی که در اطراف آن فین یا پره وجود دارد جریان می یابد و هوا که به عنوان سیال دوم می باشد توسط فن ها به داخل این پره‌ها نفوذ کرد تا آب داغ یا خنک، داخل لوله‌ها را گرم یا سرد کند.
در مبدل حرارتی هوا خنک، سیال گرم از طریق لوله‌ها یا کانال ها جریان می یابد، هوا از اطراف لوله‌ها یا کانال ها جریان می یابد و گرمای سیال گرم را جذب می‌کند. سیال سرد سپس از طریق یک فن یا دمنده به گردش در می آید و گرمای خود را به هوا منتقل می‌کند.
مبدل حرارتی هوا خنک دارای مزایای متعددی نسبت به سایر انواع دیگر است. این مزایا عبارتند از:
- نیاز به آب برای خنک کردن سیال گرم وجود ندارد.
- هزینه نگهداری پایینی دارد.
- نصب و راه اندازی آسانی دارد.
انواع مبدل گرمایی هواخنک
- صفحه ای هواخنک: این نوع مبدلها برای کاربرد گاز – گاز مورد استفاده قرار می گیرد.
- لوله ای هواخنک: این نوع مبدلها برای کاربرد مایع – گاز مورد استفاده قرار می گیرد.
مبدل حرارتی دو لوله‌ای
مبدل گرمایی دو لوله‌ای نوع خاصی از مبدل‌های گرمایی است که در آن دو سیال گرم و سرد در دو کانال مارپیچی جریان می یابند. این نوع مبدل به دلیل طراحی ساده و فشرده خود، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارد.
این مدل مبدلها از دو صفحه تشکیل شده است که به صورت مارپیچی به هم متصل شده اند. سیال گرم از یک کانال مارپیچی جریان می یابد و سیال سرد از کانال مارپیچی دیگر جریان می یابد. سیال های گرم و سرد با یکدیگر تماس مستقیم ندارند، بلکه از طریق دیواره کانال های مارپیچی از هم جدا می شوند.
مبدل حرارتی اسپیرال دارای مزایای متعددی نسبت به سایر انواع مبدلها است. این مزایا عبارتند از:
- طراحی ساده و فشرده
- راندمان بالا
- مقاومت بالا در برابر خوردگی و انسداد
- هزینه تولید پایین
انواع مبدل‌های گرمایی دو لوله‌ای
مبدل حرارتی اسپیرال در دو نوع اصلی وجود دارد:
- تک پوسته: در این مدل، هر دو سیال گرم و سرد در یک پوسته جریان می یابند.
- دو پوسته: در مبدل‌های اسپیرال دو پوسته، هر یک از سیال های گرم و سرد در یک پوسته جداگانه جریان می یابند.
مبدل گرمایی لوله‌ای تک پوسته ساده تر و ارزان تر از دو پوسته است. با این حال، مدلهای دو پوسته دارای راندمان بالاتری است.
نقد و بررسی‌ها
هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.