مبدل حرارتی یک تجهیز بسیار پر کاربرد در صنعت است که در آن دو سیال با دما های متفاوت باهم تبادل حرارت می کنند تا یکی از آن ها به دمای پایین تر و یا به دمای بالاتر برسد. به عبارتی یکی گرم تر و دیگری سرد تر شود.
در بسیاری از فرایند ها، گلوگاه فرایند (Bottle Neck) یک مبدل حرارتی است، یعنی اگر برای مبدل مشکلی بوجود بیاید،کل فرایند دچار مشکل می شود. پس طراحی درست و شناخت عملکرد مبدل ها امری بسیار ضروری است.
سیستم کلی کارکرد مبدل حرارتی
مبدل‌های حرارتی انواع مختلفی دارند . این مبدل ها میتوانند به صورت مستقیم یا غیر مستقیم برای انتقال حرارت سیالات مختلف به کار رود. معمولا مبدل های حرارتی به صورت غیر مستقیم با استفاده از تجهیزات پوسته و لوله یا تجهیزات مکانیکی فلزی صورت میگیرد. دلیل استفاده از موارد فلزی برای انتقال حرارت بهتر و همچنین مقاومت بیشتر در مقابل خوردگی و فشار و صدمات مکانیکی است . مکانیزم انتقال حرارت آن ها در همه مبدل های حرارتی تقریبا شبیه به هم است انواع مبدل حرارتی به ترتیب زیر است:
در ادامه به معرفی انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله میپردازیم.
مبدل حرارتی نوع پوسته و لوله Shell & Tube
مبدل حرارتی پوسته و لوله به صورت کلی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:
دسته لوله یا Tubesheet & Bundle به مجموعه بفل ها ، تیوب ها ، پیچ های نگه دارنده و صفحه لوله ها گفته میشود. این گروه در داخل پوسته قرار میگیرد و با کلگی ها بسته میشود.
پوسته در واقع نگهدارنده دسته لوله است که کلگی به آن متصل میشود. معمولا یکی از سیال ها در داخل پوسته قرار داده میشود.
کلگی ها در واقع به قسمت هایی که سمت ابتدا یا انتهای مبدل را میبندند گفته میشود. به طور کلی طبق استاندارد TEMA انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله به صورت یکی از انواع زیر ساخته میشود.
تما TEMA مخفف انجمن سازندگان مبدل های حرارتی لوله ای است. استاندارد TEMA مجموعه ای از استانداردها است که، توسط سازندگان پیشتاز در صنعت ساخت مبدل های حرارتی، برای تعریف مدل ها، ماشین کاری و تلورانس های مونتاژ این دستگاه ها بوجود آمده است. مزیت انتخاب سازندگانی که براساس استاندارد تما مبدل می سازند این است که مصرف کننده می تواند مطمئن باشد که دستگاهی براساس ویژگی ها و معیار های مشخص دریافت و نصب می کند.
استاندارد TEMA دارای سه کلاس کلی است:
1) کلاس C سرویس های معمول و کلی
2) کلاس B سرویس های شیمیایی
3) کلاس R سرویس های پالایشی
از نظر حیطه کاری کلاس B و R بسیار به هم شبیه هستند. از نظر استاندارد کلاس R دارای بند های سختگیرانه تر و کلاس C راحت ترین است.
مبدل دو لوله ای (Double-pipe Heat Exchanger)
این مبدل شامل یک لوله است که به صورت هم مرکز در داخل لوله ای با قطر بزرگتر قرار می گیرد، معمولا این تجهیز به صورت U شکل طراحی و ساخته می شود.
این نوع مبدل ها برای سطوح انتقال حرارت کوچک مثلا تا 50 متر مربع به کار می روند و هم چنین برای جریان سیال های گرم و سرد در فشار های بالا مناسب است.
مبدل حرارتی حلزونی یا مارپیچ (Spiral-Tube Heat Exchanger)
این مبدل ها دارای کویل هایی هستند که به صورت حلزونی پیچیده شده اند و در یک پوسته قرار گرفته اند که بیشتر در سیستم های تبریدی استفاده می شود.
مبدل های صفحه ای
مبدل های حرارتی صفحه و قاب از قرار گرفتن یک سری صفحات فلزی در کنار یکدیگر در داخل یک قاب فلزی ساخته می شوند. این صفحات در داخل قاب توسط میله های بلند بهم فشرده می شوند. طول این میله ها در شیارهای (Gasket) فاصله بین دو درپوش را طی می کنند و توسط مهره به درپوش محکم می گردند. واشر اطراف هر صفحه قرار داده می شود تا جریان سیال را در مجرای باریکی بین صفحات هدایت نماید و همچنین از نشت آن ها به بیرون جلوگیری کند. در گوشه های هر صفحه مجرایی جهت ورود و خروج سیال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعیکه صفحات روی هم فشرده می شوند این محل های سوراخ شده در یک خط مستقیم قرار می گیرند و بدین وسیله هدرهای توزیع سیال در طول مبدل را به وجود می آورند.
صفحات می توانند از هر فلزی با ابعاد معین ساخته شوند آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالب های مخصوص روی صفحات چاپ گردد. هنگامی که این صفحات در محل خود در کنار یکدیگر قرار می گیرند شیارهای موجود روی صفحات متوالی تشکیل یک سری کانال های باریک جریان را می دهند. و سیال ها از طریق مجرای خیلی باریک و ظریف بین صفحات متوالی عبور می نمایند. در مبدل های مختلف آرایش جریان می توانند متفاوت باشند. یکی از این آرایش ها به صورت موازی مختلف الجهت می باشد. در این نوع ارایش جریان های هر کدام از سیال ها فقط یک بار ارتفاع صفحات را طی می کنند در حالیکه در آرایش های چندگذر یک سیال ممکن است ۲ بار و یا بیشتر ارتفاع مبدل را طی نماید.
امتیازات و کاربردهای مبدل های حرارتی :
یکی از امتیازات مهم و اساسی مبدل های حرارتی صفحه و قاب این است که سطح انتقال حرارت مبدل به آسانی از هم جدا می شوند. بعد از برداشتن مهره ها و میله های نگه دارنده و جداسازی صفحه متحرک انتهایی صفحات با لغزیدن روی صفحه باریکی برای معاینه از هم جدا می شوند. این امتیاز که صفحات به آسانی تمیز شوند و یا تعویض گردند باعث شده کاربرد این مبدل ها در صنایع غذایی و لبنیات توسعه یابد. اما از دیگر امتیازات مهمی که این مبدل ها نسبت به مبدل های پوسته و لوله دارند این است که در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بار حرارتی معینی حدودا بین یک سوم تا یک چهارم انتقال حرارت لازم دارند. علتش را می توان به صورت زیر خلاصه نمود. توربولانس زیاد به علت حرکت سیال در مجاری باریک و ناهموار سبب افزایش ضریب انتقال حرارت می گردد. فاصله نزدیک به هم صفحات مانند این است که از لوله های با قطر کوچک استفاده شده است که این ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد. توربولانس زیاد سبب تقلیل سرعت کثیف شدن می شود. کاهش سطح انتقال حرارت باعث کاهش حجم و وزن می شود.
