مبدل حرارتی (Heat Exchanger)

نام تجهیز : مبدل حرارتی (Heat Exchanger)

 

چکیده:

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال حرارت موثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می‌گردد. از رایج‌ترین مبدل‌های حرارتی رادیاتور خودرو و رادیاتور شوفاژ است. مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله گرم کردن فضا، سرد سازی، تهویه مطبوع، خودرو، نفت و گاز و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. مکانیزم انتقال حرارت بصورت جابجایی و هدایت می باشد. یک مثال معمول از مبدل های حرارتی رادیاتور ماشین می باشد،که در آن آبی که با حرارت موتور ماشین داغ شده است ، حرارت آن از طریق رادیاتور به جریان هوا منتقل می کند. از انواع مبدل ها می توان به مواردی چون مبدل های لوله ای (Tubular Heat Exchanger) (که خود این مبدل ها بر اساس شکل به مبدلهای لوله ای U شکل، مبدلهای دو لوله ای ساده و مبدل های دو لوله ای کویل دار تقسیم بندی می شوند.) ، مبدل های پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)، مبدل های صفحه ای (Plate heat exchanger)، مبدل های پره دار (Fin Heat Exchangers) اشاره کرد.

مقدمه:

مقدمه:

مبدل ها وسایلی هستند که در صنعت برای انتقال حرارت بین دو سیال بکار می روند. در ابتدا سعی می شود تا آنجا که ممکن است برای گرم کردن و سرد کردن جریان ها از خود سیال های موجود در فرایند استفاده شود . بعد از حداکثر کردن میزان بازیافت حرارت در شبکه مبدل حرارتی بار های گرمایشی و سرمایشی که از طریق بازیافت حرارت تامین نشده اند باید توسط سرویس های جانبی (Utility) تهیه شوند . مکانیزم انتقال حرارت بصورت جابجایی و هدایت می باشد.
نحوه قرار گرفتن سیال ها در کنار یکدیگر می تواند به چندین صورت مختلف باشد:

- جریان همسو (co-current) : دو سیال از یک طرف مبدل وارد شده و هر دو از طرف دیگر خارج می شوند. بعضی در مبدل نیز هردو در یک سو حرکت می کنند . نتیجتاً در مبدل نیز هر دو در یک سو حرکت می کنند. (شکل 1)
 

شکل 1 - جریا نهای همسو-  

جریان ناهمسو (counter-current): هرکدام از سیال ها از جهات مخالف وارد و خارج می شوند ( یکی از سیا لها از یک جهت و سیال دیگر از جهت دیگر وارد می شود) و دو سیال در مبدل به صورت ناهمسو جریان دارد.(شکل 2) 

  

شکل 2 - جریان های ناهمسو-  

جریان متقاطع (cross-flow): یکی از سیال ها از یک جهت و سیال دیگر در جهت عمود بر آن جریان دارد. مشخص ترین نمونه آن رادیاتور ماشین می باشد که جریان آب از بالا به پایین در لوله ها و جریان هوا عمود بر آن می باشد.(شکل 3 ) 

 

- جریان چندگذر (multi pass): که در آنها جریان های دو سیال به صورت چندتایی در مبدل چیده شده اند .(شکل 4)
 

شکل 4 - جریان های چند گذر 

تقسیم بندی مبدل ها

مبدل ها را می توان از جهات گوناگون تقسیم بندی کرد. ابتدا عناوین این تقسیم بندی ذکر می گردد و سپس در مورد هرکدام توضیحاتی ارائه می شود.
تقسیم بندی بر اساس خصوصیات سیال هایی که در مبدل ها جریان دارد:
این تقسیم بندی بر اساس سیال فرایندی مبدل شکل گرفته است. البته تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت گازها و مایعات در تعیین شکل مبدل نقش موثری دارد.

مایع/ مایع
در این نوع مبدل های حرارتی هر دو سیال مایع هستند و مکانیزم انتقال حرارت برای هر دو ، انتقال حرارت اجباری است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

گاز/ مایع
در این مبدل ها یک سیال مایع و سیال دیگر گاز است. معمولاً برای خنک نمودن سیال گرم توسط هوا استفاده می شود. جریان مایع با سرعت کافی داخل لوله پمپ می شود که این موجب بالا بودن ضریب انتقال حرارت طرف لوله ها می شود. هوا به صورت متقاطع بر روی لوله ها جریان می یابد. جریان هوا می تواند به صورت جابجایی اجباری یا آزاد باشد.

گاز/گاز
معمولاً کمتر اتفاق می افتد که در مبدل ها هر دو سیال گاز باشند مگر اینکه یکی از گازها در فشار بالا باشد .
گاز فشار بالا که دانسیته آن بیشتر است در داخل لوله ها جریان می یابد. البته ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی کوچک است و برای انتقال حرارت مناسب باید تدابیری اندیشید که در مباحث بعد در این مورد بحث می شود.

کندانسورها
در این مبدل های حرارتی جریان بخار یک سیال توسط مایع (مثلاً آب) و یا جریان گاز (مثلاً هوا) خنک و کندانس می شود. گاهی اوقات بخار خارج لوله است مثل کندانسورهای نیروگاه های حرارتی و گاهی اوقات بخار داخل لوله است مثل کندانسورهای فرئون.
منبع:پترونت