مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل های حرارتی (heat exchanger) از جمله تجهیزات بسیار مهم و کاربردی در صنایع گوناگون هستند که نقش بسزایی در انتقال حرارت ایفا می کنند. در ادامه به بررسی جزییات بیشتری پیرامون مبدل های حرارتی خواهیم پرداخت:

مبدل های حرارتی وسایلی هستند که قادرند انرژی حرارتی را از یک سیال به سیال دیگر منتقل کنند بدون آنکه دو سیال با هم ترکیب شوند. به بیان دقیق تر، مبدل های حرارتی ابزارهایی برای انتقال گرما از یک ماده به ماده دیگر از طریق یک دیواره جداکننده هستند. طراحی این تجهیزات به گونه ای است که با به حداقل رساندن افت فشار، بیشترین انتقال حرارت صورت گیرد.

کاربرد مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، پتروشیمی، صنایع غذایی، داروسازی، شیمیایی و حتی ساختمان سازی بسیار گسترده است. به عنوان مثال در نیروگاه‌ها از این مبدل‌ها برای تبدیل آب به بخار و سپس تبدیل بخار به آب استفاده می‌شود. همچنین در پالایشگاه‌ها و صنایع پتروشیمی، مبدل‌های حرارتی نقش مهمی در فرایند تقطیر دارند.

تقسیم بندی مبدل های حرارتی بر اساس نوع جریان

از نظر نوع جریان، مبدل‌های حرارتی می‌توانند به سه نوع تقسیم شوند:

– جریان همسو (Co-Current flow): در این نوع مبدل حرارتی، سیالات گرم و سرد از یک سمت وارد مبدل می‌شوند و به صورت هم جهت به سمت خروجی حرکت می‌کنند.

– جریان ناهمسو (Counter-Current flow): در این نوع مبدل حرارتی، سیالات از سمت‌های مخالف وارد مبدل می‌شوند، در جهات مخالف به سمت خروجی حرکت می‌کنند.

– جریان متقاطع (cross-flow): در این نوع مبدل حرارتی، سیالات تقریبا عمود بر هم از مبدل عبور می‌کنند.

برای افزایش کارایی مبدل‌های حرارتی، طراحی مبدل‌ها به گونه‌ای است که سطح انتقال حرارت بین دو سیال را بیشینه کند، در حالی که مقاومت جریان سیال از طریق مبدل را کمینه کند. عملکرد مبدل‌ها همچنین می‌تواند تحت تأثیر افزودن شیارها یا فین‌ها در یک یا هر دو جهت قرار گیرد، که باعث افزایش سطح انتقال حرارت شده و همچنین ممکن است جریان سیال را هدایت کند یا توربولانس ایجاد کند. اختلاف دمای بین دو سیال برای انتقال حرارت در سطح مبدل با موقعیت متغیر است، اما می‌توان یک دمای میانگین مناسب را تعریف کرد. در بیشتر سیستم‌های ساده، این دمای میانگین به نام “میانگین لگاریتمی اختلاف دما” (LMTD) شناخته می‌شود. گاهی اوقات اطلاعات مستقیم از LMTD در دسترس نیست و روش NTU استفاده می‌شود.

مثالی از مبدل حرارتی دو لوله‌ای (double pipe) در شکل زیر نشان داده شده است. در این مبدل، سیال گرم از لوله درونی و سیال سرد از لوله بیرونی عبور می‌کند. این مبدل می‌تواند به صورت جریان همسو یا جریان ناهمسو باشد. مزیت این نوع مبدل این است که طراحی و نگهداری آن کم هزینه است و برای صنایع کوچک مناسب است. اما عیب آن این است که کارایی آن پایین است و در مقیاس‌های بزرگ فضای زیادی را اشغال می‌کند.

انواع مبدل های حرارتی

در ادامه به بررسی برخی از انواع مبدل‌های حرارتی پرکاربرد می‌پردازیم.

مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger)

در این نوع مبدل حرارتی، سیالات گرم و سرد از بین ورق‌های موازی عبور می‌کنند. ورق‌ها معمولا از فولاد ضد زنگ ساخته شده و با یک الگوی شیاردار یا موج‌دار شکل داده شده‌اند تا افزایش سطح تماس و توربولانس را ایجاد کنند. صفحات با استفاده از گسکت‌ها یا جوشکاری به هم متصل می‌شوند و در یک قاب فشرده می‌شوند. مزیت این نوع مبدل این است که کارایی بالا، نگهداری آسان و امکان تغییر ظرفیت دارد. اما عیب آن این است که برای فشارها و دماهای بالا مناسب نیست و خطر نشت سیال وجود دارد.

مبدل حرارتی پوسته و لوله‌ (Shell-and-Tube Heat Exchanger)

در این نوع مبدل حرارتی، یک سیال از درون مجموعه لوله‌هایی عبور می‌کند که در یک پوسته قرار دارند و دو سیال دیگر از بین لوله‌ها و پوسته جریان دارند. لوله‌ها می‌توانند به صورت موازی یا مارپیچی باشند و با استفاده از تیوب‌شیت یا بفل‌ها تقسیم شوند. لوله‌ها با استفاده از تیوب‌شیت به هم متصل می‌شوند و در دو سر مبدل دو هدر وجود دارد که ورودی و خروجی سیالات را مشخص می‌کنند. مزیت این نوع مبدل این است که برای فشارها و دماهای بالا مناسب است و تنوع زیادی در طراحی و انتخاب مواد دارد. اما عیب آن این است که کارایی پایین‌تر، نگهداری سخت‌تر و هزینه بیشتری نسبت به مبدل‌های صفحه‌ای دارد.

مبدل حرارتی بازیابی (Regenerative Heat Exchanger)

در این نوع مبدل حرارتی، یک ماده جامد یا سیال به عنوان یک ذخیره‌کننده حرارت عمل می‌کند و به صورت دوره‌ای بین دو سیال داغ و سرد جابجا می‌شود. این مبدل حرارتی برای بازیابی حرارت از جریان‌های گازی که دارای ذرات جامد هستند مناسب است. مزیت این نوع مبدل این است که کارایی بالا، ساختار ساده و هزینه کم دارد. اما عیب آن این است که نیاز به یک مکانیزم جابجایی دارد و خطر آلودگی و سایش وجود دارد.

اجزا و قطعات مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی اجزا و قطعات مختلفی دارند که هر کدام نقش مهمی در انتقال حرارت بین دو سیال ایفا می کنند. در ادامه به بررسی تفصیلی این اجزاء خواهیم پرداخت:

پوسته

پوسته یا غلاف، بخش اصلی و بیرونی مبدل حرارتی است که کلیه اجزای داخلی مبدل را در بر می‌گیرد. پوسته‌ها معمولا از جنس فولاد کربنی ساخته شده و وظیفه حفاظت از اجزای داخلی در مقابل فشار، ضربه و خوردگی را برعهده دارند.

لوله‌ها

لوله‌ها مهم‌ترین بخش مبدل‌های حرارتی به‌شمار می‌آیند. سیال داخل این لوله‌ها جریان پیدا کرده و از طریق دیواره لوله، گرمای خود را به سیال دیگر منتقل می‌کند. لوله‌ها معمولاً از جنس مس، آلومینیوم، فولاد ضدزنگ و … ساخته می‌شوند.

سرلوله

سرلوله قطعاتی هستند که در دو انتهای لوله ها جوشکاری شده و محل ورود و خروج سیال را تشکیل می دهند. سرلوله ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند فشار سیال را تحمل کنند.

صفحات

صفحات فلزی موازی هستند که به منظور افزایش سطح تبادل حرارتی به کار می روند. این صفحات با فاصله از همدیگر در مبدل نصب می شوند.

بافل ها

بافل ها صفحاتی با شیارها و موج دار هستند که برای دستیابی به تبادل حرارت بیشتر بکار می روند. بافل ها با ایجاد جریان آشفته و افزایش سرعت سیال، انتقال حرارت را بهبود می بخشند.

درپوش ها

درپوش ها برای دسترسی به اجزاء داخلی مبدل بکار می روند و موقع بازرسی و تعمیرات برداشته می شوند.

اتصالات جانبی

شامل پیچ ها، مهره ها و واشرهایی است که اجزای مبدل را بهم متصل نگه می دارند.

طراحی و تولید مبدل های حرارتی

مبدل‌های حرارتی ابزارهای مهمی برای انتقال گرما از یک مایع به مایع دیگر هستند. این مبدل‌ها در صنایع مختلف از جمله نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، صنایع شیمیایی و تأسیسات سرمایشی و گرمایشی کاربرد دارند.

در ادامه روش‌های مختلف طراحی و ساخت انواع مبدل‌های حرارتی به تفصیل شرح داده می‌شود:

انتخاب نوع مبدل حرارتی

    اولین گام در طراحی یک مبدل حرارتی انتخاب نوع آن است.هر کدام از این مبدل‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند و بسته به کاربرد و شرایط فرایند، یکی از آن‌ها انتخاب می‌شود.

    محاسبات حرارتی

      پس از انتخاب نوع مبدل، محاسبات حرارتی برای تعیین ابعاد و اندازه مبدل انجام می‌شود. این محاسبات شامل موارد زیر است:

      تعیین نرخ انتقال حرارت مورد نیاز

      محاسبه ضریب انتقال حرارت

      محاسبه سطح انتقال حرارت

      تعیین افت فشار

      با انجام این محاسبات، ابعاد و اندازه مناسب برای مبدل حرارتی تعیین می‌شود.

      انتخاب مواد

        مواد به کار رفته در ساخت مبدل‌های حرارتی باید متناسب با شرایط فرایند و سیال‌های عبوری از مبدل باشد. از جمله مهم‌ترین ملاحظات در انتخاب مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

        مقاومت شیمیایی و خوردگی در برابر سیال‌ها

        مقاومت مکانیکی و استحکام

        رسانایی گرمایی

        قیمت و در دسترس بودن

        فولادهای زنگ‌نزن و آلیاژهای مس معمولاً بیشترین کاربرد را در ساخت مبدل‌ها دارند.

        طراحی و ساخت

          در مرحله طراحی باید جزئیات مختلف مبدل از جمله اتصالات لوله‌کشی، جوشکاری‌ها، اتصال پمپ‌ها و شیرآلات، نصب عایق‌های حرارتی و … مشخص شود. سپس براساس نقشه‌های طراحی، مبدل حرارتی ساخته می‌شود.

          در ساخت مبدل‌ها از روش‌های مختلف جوشکاری و ماشین‌کاری استفاده می‌شود. همچنین رعایت استانداردهای ساخت تجهیزات فشاری و انجام آزمون‌های لازم برای تضمین کیفیت ضروری است.

          نصب و راه‌اندازی

            پس از ساخت مبدل حرارتی، آن را در محل مورد نظر نصب کرده و اقدام به راه‌اندازی می‌کنیم. در مرحله راه‌اندازی باید عملکرد مبدل از نظر انتقال حرارت، افت فشار و دمای ورودی و خروجی سیال‌ها بررسی و تنظیم شود.

            بازرسی و نگهداری

              پس از راه‌اندازی، عملکرد مبدل حرارتی به صورت دوره‌ای چک و بازرسی می‌شود. همچنین برنامه‌های نگهداری و سرویس منظم برای تمیز کردن سطوح، بازدید اتصالات و جلوگیری از خوردگی و رسوب‌گذاری اجرا می‌شود تا از عملکرد بهینه مبدل اطمینان حاصل شود.

              10 نکته مهم در رابطه با استفاده از مبدل های حرارتی

              همیشه در مورد مسائل مختلف نکات مهم و مفید فراوانی وجود دارد در این مورد هم نکات بسیار مهم و کلیدی در رابطه با انتخاب، نصب و بهره‌برداری از مبدل‌های حرارتی برای کاربران است. سعی شده به صورت بسیار تفصیلی و کامل به توضیح به هر نکته پرداخته شود:

              1_هنگام انتخاب مبدل حرارتی، دقت کنید که ظرفیت و توان حرارتی آن متناسب با نیاز فرایند شما باشد. ظرفیت بیش از حد موجب اتلاف انرژی و هزینه اضافی و ظرفیت کمتر از حد نیاز منجر به کارایی پایین می‌شود.

              2_مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله برای فرایندهایی با دما و فشار بالاتر مناسب‌تر هستند در حالی‌که مبدل‌های صفحه‌ در دما و فشار پایین‌تر کارایی بهتر و قیمت ارزان‌تری دارند.

              3_مواد بکار رفته در ساخت مبدل حرارتی باید با خورندگی و سایش‌پذیری کمتر انتخاب شوند. معمولا از فولاد زنگ‌نزن، تیتانیوم، نیکل و آلیاژهای آن‌ها استفاده می‌شود.

              4_هنگام نصب مبدل حرارتی، از قرار گرفتن صحیح آن‌ها نسبت به جهت جریان سیالات ورودی و خروجی اطمینان حاصل کنید. همچنین اتصالات باید کاملا آب‌بندی شوند.

              5_در بهره‌برداری از مبدل حرارتی، حتما فشار و دمای ورودی و خروجی سیالات را به طور مرتب کنترل کنید تا از عملکرد صحیح آن مطمئن شوید.

              6_برای جلوگیری از انسداد و کاهش راندمان مبدل به دلیل رسوب‌گذاری، عملیات تمیزکاری و شستشوی منظم ضروری است.

              7_استفاده از آب خالص و عاری از مواد معدنی برای سیستم‌های خنک‌کننده مبدل حرارتی بسیار حائز اهمیت است تا از خوردگی و رسوب‌گذاری جلوگیری شود.

              8_برای مبدل حرارتی که از آن به صورت پیوسته استفاده می‌شود، حتما باید یک مبدل ذخیره در نظر گرفته شود تا هنگام نگهداری و سرویس مبدل اصلی، فرایند متوقف نشود.

              9_نشتی حتی بسیار ناچیز از اتصالات مبدل حرارتی می‌تواند باعث بروز مشکلات عدیده‌ای از جمله افت فشار و کارایی، دفع آلاینده‌های زیست‌محیطی و … شود که باید بلافاصله رفع گردد.

              10_قبل از خرید مبدل حرارتی، حتما از مجوزهای لازم، گارانتی، خدمات پس از فروش و دانش فنی شرکت سازنده اطمینان حاصل کنید.

              برای محاسبه ظرفیت و خرید مبدل حرارتی با کارشناسان یارا مبدل تماس بگیرید

              مبدل های حرارتی API

              نکات مهم و کلیدی در انتخاب و خرید مبدل حرارتی

              هنگام خرید و تهیه مبدل حرارتی نیاز است نکات مهمی رعایت شود. این نکات مهم باعث می شود حین نصب مبدل در پروژه دچار مشکل نشوید و شرکتی را انتخاب کنید که با کیفیت ترین محصولات با کمترین نرخ در بازار به شما ارائه دهد. این نکات شامل موارد زیر است:

              ابعاد مبدل حرارتی:

              برخی مبدل ها فضای کمتری را استفاده می کنند که آنها را برای خرید مناسب می کند. آنها مقدار مشابهی از گرما را با اشغال فضای کمتری انتقال می دهند.

              انعطاف پذیری مبدل حرارتی :

              برخی مبدل های حرارتی با برند های خاص دارای انعطاف پذیری مناسبی هستند و می توانند با انواع مختلف مایعات کار کنند.

              ظرفیت :

               برخی مبدل های حرارتی ظرفیت انتقال حرارت خوبی دارند و در مقایسه با سایر گزینه های موجود که بازده بالاتر را تضمین می کنند، استفاده از انرژی کمتر است.

              نکات مهم در انتخاب انواع دستگاه مبدل حرارتی

              قبل از خرید مبدل حرارتی بایستی نکات مهمی را مد نظر داشته باشید که در ادامه به چند مورد از آن ها اشاره می کنیم:

              کاربرد مبدل حرارتی:

               یکی از نکات مهمی که هنگام خرید انواع مبدل حرارتی باید به آن توجه کرد، کاربرد مبدل است. هر نوع مبدلی (نوع پوسته و لوله یا صفحه ای یا هوا خنک) با جنس و ساختار خاص خود دارای مزایا و معایبی است که در صورت انتخاب صحیح به عنوان کاربردی خاص ، مزایای آن به حداکثر و معایب آن به حداقل خود خواهد رسید. برای دریافت مشاوره از کارشناسان یارا مبدل، در خصوص انواع مبدل حرارتی و کاربردهای آن می توانید از طریق شماره های درج شده در سایت با ما در ارتباط باشید.

              فضای در دسترس:

              یکی دیگر از نکات مهم  در خرید مبدل حرارتی، در نظر گرفتن فضای در دسترس است. حتما فضایی که قرار است در آن مبدل را جاسازی و نصب کنید را به دقت اندازه گیری نمایید. به طوری که علاوه بر نصب راحت ، دسترسی کافی برای پاکسازی و تعمیرات در آینده نیز وجود داشته باشد.

              جنس مبدل حرارتی:

               جنس مورد استفاده در ساخت مبدل تعیین کننده میزان تحمل آن در دما و فشارهای بالا و نیز کارکرد آن در محیط خورنده است که باید توسط افراد متخصص در این حوزه انجام شود. محاسبه ، طراحی و ساخت انواع مبدل حرارتی در یارا مبدلتوسط نیروهای مجرب انجام می شود.

              چگونه بهترین مبدل حرارتی را انتخاب کنیم؟

              انتخاب مبدل های حرارتی برای بیشترین نیازهای خنک کننده الکتریکی به روشی عادی برای شرکت های طیف وسیعی از صنایع تبدیل شده است. در بیشتر موارد ، طراحی مبدل های حرارتی به شرکت ها کمک بسیاری می کند تا هزینه های سربار مربوط به خنک کننده الکتریکی ، از جمله هزینه های انرژی و نگهداری را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. با این حال ، نیازهای مدیریت حرارتی الکتریکی طی دهه ها به طور قابل توجهی تکامل یافته و طراحی مبدل های حرارتی درست در کنار آنها برای رفع نیازهای خنک کننده الکتریکی پیشرفته تر انجام شده است. با توجه به توانایی آنها در انطباق با اکثر نیازهای مدیریت حرارتی ، انتخاب مبدل حرارتی مناسب برای هر کاربرد ممکن است اغلب آسانتر از حد انتظار باشد.

              طراحی برنامه را به طور کامل تجزیه و تحلیل کنید:

              اولین قدم برای انتخاب مبدل حرارتی مناسب برای برنامه ای که قبلاً طراحی شده است ، تجزیه و تحلیل دقیق طراحی آن از چند زاویه است . این شامل تخصص از چندین زمینه مختلف ، از جمله مدیریت حرارتی ، مهندسی برق ، طراحی و ساخت و موارد دیگر است. مبدل حرارتی نه تنها باید از پارامترهای عملیاتی منحصر به فرد برنامه برخوردار باشد ، بلکه باید به راحتی در فضای فیزیکی اختصاص یافته برای آن قرار گیرد و بازده خنک کننده مطلوب را در آن فضا ارائه دهد. نتایج این تجزیه و تحلیل به شما کمک خواهد کرد تا مشخص کنید چه نوع مبدل های حرارتی و روشهای خنک سازی متناسب با نیازهای برنامه است. با توجه به موارد زیر می توانید به سادگی مبدل حرارتی مناسب تهیه کنید:

              نوع مبدل حرارتی

              فاز دوسیال

              وضعیت دو سیال از نظر دما

              فشار و دمای پروژه

              خورندگی سیال

              توجه به این موارد می تواند پارامتر های تاثیر گذاری در امر خرید مبدل حرارتی باشد.

              استفاده از انواع مبدل حرارتی سبب صرفه جویی در مصرف انرژی شده و هزینه ها را تا حد زیادی کاهش می دهد. این دستگاه ها نیز مانند هر دستگاه دیگری معایب و مزایای خود را دارند. استفاده ی آسان و قیمت مقرون به صرفه در مقابل کارایی مفید آنها، معایب این مبدل ها را کم رنگ می کند.

              در پایان ضمن تشکر از حسن توجه شما عزیزان، امیدواریم با ارائه پیشنهادات و نظرات ارزشمندتان ما را در غنای بیشتر مطالب و توسعه دانش فنی این حوزه یاری فرمایید.

              با آرزوی موفقیت روزافزون برای یکایک شما همراهان گرانقدر در صورت نیاز به اطلاعات بیشتر و ارتباط با متخصصین یاران قطعه طوس (یارا مبدل) تماس حاصل فرمایید.

              2 نظر

              ارسال نظر

              آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.