مبدل های حرارتی ، وسایلی هستند که جریان انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف را فراهم می کنند. مبدل های حرارتی در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده می شوند. این کاربردها شامل تولید برق، صنایع فرایندی، شیمیایی، غذایی، الکترونیک، مهندسی محیط زیست، بازیابی گرمای استفاده نشده، صنایع ساخت وتولید، تهویه مطبوع، تبرید و کاربرهای فضایی می باشد. مبدل های حرارتی می توانند برطبق معیارهای زیر طبقه بندی شوند:
مبدل های حرارتی از نقطه نظر انتقال گرما و یا بازیابی گرما
مبدل های حرارتی از نقطه نظر فرآیند انتقال: تماس مستقیم و یا غیر مستقیم سیال سرد و گرما
مبدل های حرارتی از نقطه نظر هندسه ساختار: لوله ها، صفحه ها و سطوح پره دار
مبدل های حرارتی از نقطه نظر مکانیزم انتقال گرما: یک فاز و دوفاز
مبدل های حرارتی از نقطه نظر آرایش جریانهای گرم و سرد، جریان های مخالف جهت و جریانهای متقاطع
دسته بندی مبدل های حرارتی
مبدل های لوله ای
این مبدل ها از لوله هایی با مقطع دایره ای ساخته شده اند. یک سیال در داخل لوله ها و سیال دیگر در خارج لوله جریان دارد. قطر، تعداد، طول، گام و آرایش لوله ها می تواند تغییر کند بنا براین،انعطاف پذیری قابل ملاحظه ای درطراحی آنها وجود دارد.
مبدل های حرارتی لوله ای می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند:
دو لوله ای
پوسته ای و لوله ای
نوع لوله ای حلزونی
1- مبدل های حرارتی دو لوله ای
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شوند مبدل های حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود.
مبدل های دو لوله ای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لوله ای دیگر با قطر بزرگتر قرار می گیرد تا جریان را به صورتی که در شکل (2) نشان داده شده است از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند. مبدل های حرارتی دو لوله ای می توانند با آرایش های گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند. استفاده عمده مبادله کن های دو لوله ای، برای گرمایش یا سرمایش محسوس سیالهای فرایندی است که در آنها سطوح انتقال گرمای کوچکی (تاm250) مورد نیاز می باشد. این شکل بندی، همچنین در حالتیکه یک یا هر دو سیال سرد و گرم، در فشار زیاد باشند، مناسب است.
مبادله کن گرمای دو لوله ای
2- مبدل های حرارتی پوسته ای و لوله ای
مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای ، از لوله های با مقطع دایره ای که در پوسته های استوانه ای بزرگ نصب شده اند، ساخته می شوند به طوری که محور لوله ها موازی با محور پوسته است. این مبدل های حرارتی به صورت وسیعی به عنوان خنک کن های روغن، چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاهها، و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاههای هسته ای و در کاربردهای صنایع فرایندی و شیمیایی استفاده می شوند. ساده ترین شکل از یک چگالنده نوع پوسته ای و لوله ای افقی به همراه اجزاء متعدد آن، در شکل (3) نشان داده شده است. یک سیال، از داخل لوله ها و سیال دیگر، در سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها و یا در طول آنها جریان می یابد.
مبادله کن گرمای پوسته ای و لوله ای به صورت یک چگالنده در سمت پوسته : پوسته E شکل TEMA با یک گذر لوله 5
در مبدل های حرارتیپوسته و لوله ای دارای دیوارک (صفحات هدایت کننده جریان) . جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو دیوارک مجاور جهت داده می شود و در حالی که از فاصله مابین دو دیوارک به فاصله بعدی منتقل می شود، موازی با لوله ها، جهت می یابد. بسته به کاربرد مبدل های حرارتی پوسته ولوله ای، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آنها وجود دارد.
. اهداف اصلی طراحی، در این مبدل های حرارتی، در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها، تمیز کردن آسانتر مجموعه، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبه ها، کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنهاست.
1-مبدلهای سر ثابت
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای با صفحه لوله های ثابت ، پوسته به صفحه لوله، جوش شده است و هیچگونه دسترسی به خارج از دسته لوله، برای تمیز کاری وجود ندارد. با انتخاب کم هزینه، دارای انبساط گرمایی محدود است که می تواند اندکی توسط فانوسی های انبساط ، افزایش یابد. در این نوع از مبدل های حرارتی، تمیز کردن لوله، ساده است لذا با تغییرات درجه حرارت جایی برای انبساط لوله و پوسته هر یک به طور جداگانه وجود ندارد. انبساط و انقباظ هر یک از دو جزء فوق به تنهایی ممکن است موجب شکستن یا خمیدگی لوله ها شود. لذا اختلاف درجه حرارت دو سیال که با هم تبادل حرارت می کنند نباید زیاد باشد.
برای غلبه به این مشکل معمولا از اتصالات انبساطی روی پوسته مبدلها استفاده می شود. وقتی پوسته و لوله سرد شوند اتصالات کاهش می یابد. به دلایل مشکلاتی که در بازرسی و تمیز کردن مبدلهای حرارتی سر ثابت وجود دارد و عموما در جایی استفاده می شوند که احتمالا کثیف شدن پوسته محدود باشد.
مبادله کن گرمای پوسته ای و لوله ای با دو گذر لوله و یک گذر پوسته با دیوارگ
2-مبدلهای حرارتی با لوله های U شکل (U-tuble exchenger)
مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند، نمی تواند با وسایلی مکانیکی تمیز شود. این نوع مبدلهای حرارتی شامل فقط یک کانال و یک صفحه لوله می باشد از این رو ورودی و خروجی لوله ها از طریق یک کانال که به دو قسمت تقسیم شده است صورت می گیرد . همانطور که از نام این این مبدل پیدا است لوله ها به شکل حرف لاتین U ساخته می شود . با باز کردن پیچ و مهره کانال از پوسته جدا می شود و صفحه لوله و دسته لوله ها را می توان از پوسته خارج نمود بطوری که امکان تمیز و بازرسی قسمت داخلی لوله ها می باشد. از طرفی نمی توان جریانهای حاوی مواد جامد را به خاطر ساییدگی در خم موجود در لوله ها استفاده کرد. این نوع مبدلهای حرارتی برای سیالاتی به کار می روند که اختلاف درجه حرارت زیادی داشته باشند زیرا انتهای U شکل لوله ها امکان انقباض و انبساط را تا حد زیادی به وجود می آورند.
یک مبادله ی کن گرمای پوسته ای و لوله ای با لوله های u شکل و یک گذر پوسته با دیوارگ
3-مبدلهای سر شناور:
در این نوع مبدلها یکی از صفحه لوله ها بین کانال و پوسته پیچ و مهره شده است و در وضعیت ثابتی قرار می گیرد: اما صفحه لوله دیگر در داخل پوسته به صورت شناور در آمده، امکان انقباض و انبساط برای هر یک از دو جزء حامل سیال یعنی لوله و پوسته وجود دارداز این رو اختلاف درجه حرارت دو سیال که با هم تبادل حرارت می کنند هر چند که زیاد باشد اشکالی ایجاد نخواهد کرد.
بعداز باز کردن صفحه ثابت، دسته لوله و سر شناور را می توان مانند واحد یکپارچه بیرون کشید بدین طریق امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله ها میسر می باشد. ایراد این مبدلها فاصله نسبتا زیاد بین پوسته ولوله می باشد. این فاصله برای تطبیق دادن صفحه شناور لوله ها باپوسته می باشد. چون در این فضا نمی توان لوله ای به کار برد، این فضا بلا استفاده می ماند وبازده این مبدلها کاهش می یابد.
یک مبادله کن گرمای پوسته ای و لوله ای شبیه مبادله کن در شکل
آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و سمت لوله، بسته به وظیفه گرمایی (ظرفیت گرمایی) ، افت فشار، سطح فشار، تشکیل رسوب، شیوه های ساخت و هزینه بری، کنترل خوردگی و مسائل تمیزکاری، استفاده می شوند. دیوارک ها در مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای برای افزایش ضریب انتقال گرما در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها، استفاده می گردند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای، برحسب نیاز، برای هر ظرفیت و شرایط کارکرد، طراحی می شوند. این مشخصه مبادله کن های پوسته و لوله ای، متفاوت با بسیاری از انواع دیگر مبادله کن ها می باشد.
3- مبدل های حرارتی لوله ای حلزونی (Spiral-tube heatexchangers)
این مبدل های حرارتی شامل کویل هایی هستند که به صورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند و یا به صورت چگالنده های هم مرکز و تبخیر کننده های هم مرکز هستند که در سیستم های تبرید استفاده می شوند. ضریب انتقال گرما، در لوله حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم، بیشتر است. این مبدل های حرارتی، برای انبساط گرمایی و سیال های تمیز مناسب هستند، زیرا تمیز کردن آنها تقریباً غیر ممکن است.
نموداری که مسیرهای جریان در یک مبادله کن گرمای صفحه ای واشر دار را نشان میدهد
از مزایا و معایب این نوع از مبدلها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
معایب:
1-به دلیل کوچک بودن لوله حلزونی تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است.
