مبدل حرارتي

مبدل حرارتي يك سيستم فشار غير مستقيم است كه در آن دو محيط از كنار يكديگر عبور مي كنند و تا آنجا كه ممكن است با يك ديواره نازك از هم جدا شده اند ، بنابراين اگر اختلاف دما وجود داشته باشد ، بدون مخلوط شدن فرآيند ، به طور متقابل تبادل گرما مي كنند.

يك محيط از طريق محفظه پوسته و محيط دوم از طريق محفظه لوله عبور مي كند. جريان از طريق محفظه پوسته توسط بافل كنترل مي شود و اجازه مي دهد تا حد امكان جريان عرضي به لوله ها برسد. شكل و فاصله بافل ها با برنامه سازگار است. 

بسته به مصلحت ، سرعت و افت فشار ، جريان از طريق محفظه لوله توسط يك گذر يا چند پاس انجام مي شود.

به استثناي تلفات تابشي ، مقدار گرماي ورودي همان مقدار گرماي خروجي است.

با اين وجود، تبادل گرماي كارآمد تنها در صورت وجود اختلاف دما كافي امكان پذير است. هرچه اختلاف دما بيشتر باشد ، سطح انتقال حرارت مورد نياز نيز كوچكتر است. اين امر باعث مي شود طراحي دستگاه جمع و جور امكان پذير باشد.

مبدل حرارتي پوسته و لوله

• مبدل حرارتي پوسته و لوله ( WTS ) براي محيطهاي تك فاز (گاز / مايع) و همچنين چگالش مواد خالص

• كندانسورهاي ماده خالص با منطقه گرمايش بيش از حد ، منطقه چگالش و منطقه خنك كننده. ( KOND )

• اواپراتور / مواد خالص ( VERD )

• بخاري با جريان الكتريكي گرم شده

• برنامه اي براي تجزيه و تحليل ارتعاش بسته نرم افزاري لوله طبق پروفسور Gelbe (GV)

عملكرد مبدل حرارتي 

عملكرد كلي يك مبدل حرارتي انتقال گرما از يك سيال به سيال ديگر است. جز component اساسي يك مبدل حرارتي را مي توان به عنوان لوله اي مشاهده كرد كه يك مايع از آن عبور مي كند و مايع ديگري از خارج جريان دارد. بنابراين سه عمليات انتقال حرارت وجود دارد كه بايد توصيف شوند:

• انتقال حرارت همرفتي از مايع به ديواره داخلي لوله

• انتقال گرما رسانا از طريق ديواره لوله

• انتقال گرما همرفتي از ديواره لوله خارجي به مايع خارج.

عملكرد انتقال حرارت يك مبدل حرارتي حاصل اختلاف ميانگين دماي لگاريتمي ، سطح انتقال حرارت و ضريب انتقال حرارت است. دومي تا حد زيادي توسط مشخصه جريان رسانه ها ، يعني توسط ويژگي هاي طراحي تعيين مي شود.

از طرف ديگر ، تامين كننده مبدل هاي حرارتي بايد از نظر كاربرد خصوصيات ترموديناميكي محيط هاي ويژه در فشارها و درجه حرارت هاي مربوطه ، مهارت كاربرد گسترده اي داشته باشند. اين امر همچنين در مورد فاكتورهاي رسوب و سازگاري مواد نيز صدق مي كند.

محاسبه و طراحي مبدل هاي حرارتي FUNKE با برنامه هاي پيشرو در سراسر جهان (به عنوان مثال HTRI ، م Institute سسه تحقيقات انتقال حرارت ، ايالات متحده آمريكا) و با نرم افزار توسعه يافته داخلي ، كه قبلاً در سراسر جهان استفاده مي شود ، انجام مي شود.

در حالي كه طيف گسترده اي از مبدل هاي حرارتي در دسترس هستند ، مناسب بودن هر نوع (و طراحي آن) در انتقال گرما بين مايعات بستگي به مشخصات و الزامات كاربرد دارد. اين عوامل تا حد زيادي طراحي بهينه مبدل حرارتي مورد نظر را تعيين مي كنند و بر رتبه و محاسبات اندازه مربوطه تأثير مي گذارند.

برخي از عواملي كه متخصصان صنعت هنگام طراحي و انتخاب مبدل حرارتي بايد در نظر داشته باشند عبارتند از:

• نوع مايعات ، جريان سيال و خواص آنها

• خروجي هاي حرارتي مورد نظر

• محدوديت اندازه

• هزينه ها

نوع سيال ، جريان و خواص

نوع خاص مايعات مانند هوا ، آب ، روغن ، و غيره - و خصوصيات فيزيكي ، شيميايي و حرارتي آنها - از جمله فاز ، دما ، اسيديته يا قليايي ، فشار، سرعت جريان و غيره - در تعيين جريان كمك مي كند. پيكربندي و ساخت و ساز مناسب براي آن برنامه انتقال حرارت خاص است.

به عنوان مثال ، اگر مايعات خورنده ، درجه حرارت بالا يا مايعات با فشار زياد درگير باشند ، طراحي مبدل حرارتي بايد قادر به تحمل شرايط تنش بالا در طي فرآيند گرمايش يا سرمايش باشد. يكي از روش هاي تحقق اين الزامات با انتخاب مصالح ساختماني است كه داراي خواص مورد نظر مي باشند: مبدلهاي حرارتي گرافيتي داراي رسانايي حرارتي بالا و مقاومت در برابر خوردگي هستند ، مبدلهاي حرارتي سراميكي مي توانند درجه حرارت بالاتر از نقاط ذوب فلزات متداول و مبدلهاي حرارتي پلاستيك را كنترل كنند.جايگزين كم هزينه اي را ارائه مي دهد كه داراي درجه اي از مقاومت در برابر خوردگي و هدايت حرارتي است.

روش ديگر با انتخاب طرحي مناسب براي خواص سيال است: مبدلهاي حرارتي صفحه اي قادر به انتقال مايعات با فشار متوسط ​​تا متوسط ​​اما در سرعت بالاتر از انواع ديگر مبدلهاي حرارتي هستند و تبادل گرما دو فاز هنگام كار با مايعات ضروري است. يك تغيير فاز در كل فرآيند انتقال حرارت. ساير خصوصيات جريان سيال و سيال كه متخصصان صنعت ممكن است هنگام انتخاب مبدل حرارتي به خاطر داشته باشند عبارتند از ويسكوزيته سيال ، خصوصيات رسوب ، محتواي ذرات و وجود تركيبات محلول در آب.

خروجي هاي حرارتي

خروجي حرارتي مبدل حرارتي به ميزان گرماي منتقل شده بين مايعات و تغيير دماي مربوطه در پايان فرآيند انتقال حرارت اشاره دارد. انتقال گرما در مبدل حرارتي منجر به تغيير دما در هر دو مايعات مي شود ، دماي يك سيال به محض خارج شدن گرما كاهش مي يابد و با افزودن حرارت ، دماي مايعات ديگر افزايش مي يابد. خروجي حرارتي مطلوب و ميزان انتقال حرارت به تعيين نوع و طراحي بهينه مبدل حرارتي كمك مي كند زيرا برخي از طرح هاي مبدل حرارتي نرخ انتقال بخاري بيشتري را ارائه مي دهند و مي توانند درجه حرارت بالاتر از ساير طرح ها را تحمل كنند ، البته با هزينه بالاتر.

محدوديت اندازه

پس از انتخاب نوع مطلوب مبدل حرارتي ، يك اشتباه معمول در خريد يك مورد كه براي فضاي فيزيكي داده شده بسيار بزرگ است. اغلب اوقات ، خريد دستگاه تبادل گرما در اندازه اي كه فضاي بيشتري را براي گسترش يا اضافه كردن آن فراهم مي كند ، محتاط تر است و نه انتخاب دستگاهي كه فضا را به طور كامل در بر بگيرد. براي برنامه هاي كاربردي با فضاي محدود مانند هواپيماها يا اتومبيل ها ، مبدل هاي حرارتي جمع و جور كارايي انتقال حرارت بالا را در راه حل هاي كوچكتر و سبك تر ارائه مي دهند. مشخصه اي از سطح انتقال حرارت زياد به نسبت حجم ، چندين نوع از اين دستگاههاي تبادل گرما در دسترس هستند ، از جمله مبدلهاي حرارتي صفحه جمع و جور. به طور معمول، اين دستگاه ها از ويژگي هاي نسبت ≥700 متر 2 / متر 3 براي برنامه هاي كاربردي گاز به گاز و ≥400 متر 2 / متر 3 براي برنامه هاي كاربردي مايع به گاز.

هزينه ها

هزينه مبدل حرارتي نه تنها قيمت اوليه تجهيزات بلكه هزينه هاي نصب ، بهره برداري و نگهداري از طول عمر دستگاه را نيز شامل مي شود. اگرچه لازم است مبدل حرارتي را انتخاب كنيد كه به طور مؤثر الزامات برنامه ها را برآورده كند ، همچنين لازم است كه هزينه هاي كلي مبدل حرارتي انتخاب شده را در نظر داشته باشيد تا بهتر تشخيص دهيد كه آيا دستگاه ارزش سرمايه گذاري دارد يا خير. به عنوان مثال ، مبدل حرارتي در ابتدا گران اما با دوام تر ممكن است منجر به هزينه هاي نگهداري كمتر و در نتيجه هزينه هاي كل كمتر در طي دوره هاي چند ساله شود ، در حالي كه مبدل حرارتي ارزان تر ممكن است در ابتدا ارزانتر باشد اما در همان مدت زمان به چندين تعمير و تعويض نياز دارد. 

مبدل حرارتي پوسته و لوله(به انگليسي: Shell and tube heat exchanger) نوعي مبدل حرارتي است كه كاربرد وسيعي در صنايع شيميايي مانند واحدهاي تقطير نفت خام دارد.

همان‌طور كه از نام آن پيداست اين مبدل از يك مخزن استوانه‌اي شكل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادي لوله در داخل آن تشكيل شده است. مايع در داخل لوله‌ها حركت كرده و بخار داغ بر روي لوله‌ها و درون پوسته جريان پيدا مي كند.

تعداد زياد اين لوله‌ها و سطح تماس بالايي كه ايجاد مي‌كند، موجب انتقال حرارت بخار به مايع داخل لوله شده و مايع را به جوش مي‌آورد.

انواع مبدل‌ها

مبدل‌هاي حرارتي بر اساس شكل، كابرد، محل نصب و بسياري پارامترهاي ديگر طراحي مي‌شوند. در نتيجه مي‌توان آن‌ها را بر اساس اين ويژگي‌ها در دسته‌بندي‌هاي مختلف قرار داد. در نمودارهاي زير دسته‌بندي انواع مبدل‌ها بر اساس آرايش جريان در داخل مبدل و ساختار كلي مبدل و جايگاه مبدل پوسته و لوله در هر دسته‌بندي قابل مشاهده است:

بر اساس ساختار

• Tubular 

1. پوسته و لوله
2. double-pipe
3. spiral tube
4. pipecoils

• plate type

1. plate
2. spiral
3. lamella
4. platecoils

• extended-surface

1. plate-fin
2. tube-fin    

• regenerative

1. rotary
2. fixed-matrix

در مبدل هاي پوسته و لوله، تعداد يك يا دسته اي از لوله هاي فلزي (تيوب) در داخل يك لوله ي بزرگتر (شل يا پوسته)قرار مي گيرند، تيوب ها يا از يك طرف پوسته و يا از دو سر آن توسط صفحه اي گرد و حفره دار جمع آوري مي شوند كه اين صفحه در حقيقت عمل هدر يا جمع آوري سيال داخل تيوب ها را انجام ميدهد كه به آن تيوپ شيت نيز گفته ميشود.

اگر شكل تيوب بصورت U باشد هر دو سر تيوب ها در يك طرف پوسته قرار گرفته و از يك صفحه ي جمع كننده استفاده ميشود و اگر مستقيم باشد از يك طرف پوسته ورودي و از انتهاي آن خروجي در نظر گرفته مي شود.

پوسته مبدل حرارتي در واقع لوله اي است با طول مشخص كه تيوب ها در آنجا داده مي شود و خود نيز داري ورودي و خروجي بوده كه معمولاً به صورت عرضي روي آن قرار دارد. بدين ترتيب دو سيال قرار گرفته در داخل مجموعه اختلاطي با هم ندارند و صرفا از طريق ديواره تيوب هاي فلزي (مس، آلومينيوم، استيل، تيتانيوم و …) تبادل حرارت ميكنند.

مبدل پوسته لوله به شكل هاي گوناگون در صنعت توليد مي شود كه كلي ترين آنها در 3 شكل U تيوب، تيوب مستقيم و اسپيرال قرار مي گيرد.

مبدل حرارتي مدل اسپيرال اين تفاوت را دارد كه تيوب هاي آن در داخل پوسته به شكل مارپيچي دور هم پيچيده شده و بدين ترتيب سطح تماس بيشتر و راندمان بالاتري نسبت به حالت معمول دارند.

منبع : مبدل حرارتي پوسته و لوله از سايت ويكي پديا

به زبان ساده مبدل حرارتي وسيله اي است كه گرما را از يك رسانه به ديگري منتقل مي كند.
 يك كولر روغن هيدروليك يا نمونه آن گرما را از روغن داغ با استفاده از آب سرد يا هوا حذف مي كند. روش ديگر مبدل حرارتي در استخر شنا براي گرم كردن آب استخر از آب گرم از ديگ بخار يا مدار آب گرم خورشيدي استفاده مي كند. انتقال گرما توسط مواد تبادل كننده در حال حركت بي آنكه اختلاط يا تماس مستقيمي بين آنها صورت گيرد انجام مي شود.
مبدل حرارتي پوسته و لوله ، مايعات را از طريق لوله و لوله عبور مي كند ، جايي كه به عنوان مبدل حرارتي با هوا خنك مي شود و هوا را از طريق هسته باله ها خنك مي كند تا يك مايع خنك شود.

شما مي توانيد مبدلهاي حرارتي را در انواع مكان ها مشاهده كنيد ، معمولاً براي گرم كردن يا خنك كردن ساختمانها يا كمك به موتورها و ماشينها براي كارآمدتر كار كردن. يخچال و فريزر و دستگاه هاي تهويه مطبوع ، براي مثال، مبدل هاي استفاده از حرارت در راه مخالف از سيستم هاي حرارت مركزي: آنها گرما را از يك محفظه و يا اتاق كه در آن مي خواست نه و پمپ آن دور در يك سيال به يك جاي ديگر كه در آن مي توان آن را ريخته بيرون از راه مايع خنك كننده كاملاً درون شبكه اي از لوله ها بسته مي شود ، بنابراين در واقع با هوا تماس نمي گيرد: انرژي گرما را از هواي داخل مي گيرد و آن را در هواي بيرون رها مي كند ، اما هرگز مستقيماً با آن هوا مخلوط نمي شود.

انواع مبدل حرارتي

مبدل حرارتي انواع مختلفي وجود دارد كه با توجه به كاربرد آنها تقسيم بندي مي شوند.

مبدل حرارتي پوسته و لوله يا Shell و Tube

مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله از تعداد زيادي لوله كوچك تشكيل شده است كه درون يك پوسته استوانه اي قرار گرفته اند. لوله ها با استفاده از بسته نرم افزاري لوله يا "پشته لوله" درون سيلندر قرار مي گيرند كه مي تواند داراي صفحات لوله ثابت (به طور دائم بر روي بدنه ثابت باشد) باشد ، يا در مورد Heat Exchange يك پشته لوله شناور كه امكان گسترش بسته هاي لوله را دارد.
مبدل حرارتي پوسته و لوله ، مايعات را از طريق لوله و لوله عبور مي كند ، جايي كه به عنوان مبدل حرارتي با هوا خنك مي شود و هوا را از طريق هسته باله ها خنك مي كند تا يك مايع خنك شود.

مبدل حرارتي صفحه

مبدلهاي حرارتي Plate همانند مبدلهاي حرارتي يك پوسته و لوله كار مي كنند و به جاي لوله ها از يك سري صفحات پشته استفاده مي كنند. مبدلهاي حرارتي بشقاب معمولاً بسته به كاربرد و مايعات مورد استفاده ، باريك يا واشر هستند. ساخت و ساز فولاد ضد زنگ جمع و جور آنها را به يك انتخاب ايده آل براي استفاده با مبرد يا در فرآوري مواد غذايي و آشاميدني تبديل كرده است.

مبدل حرارتي خنك كننده هوا

در انواع مبدلهاي حرارتي خنك كننده هوا  لوله‎هاي عبوري سيالات وسط فين ‎هاي انتقال حرارت احاطه ‎شده‎اند كه  معمولاً در رادياتور ماشين، رادياتور فن كويل‎ ها، كندان سور يخچال ‌‏ها و كويل‎ هاي حرارتي كه منبع آب دائمي در دسترس نيست استفاده مي شود. 

دماي ورودي و خروجي

عبور درجه حرارت اصطلاحي است كه براي توصيف سناريو استفاده مي شود كه دماي هر دو مدار در مبدل حرارتي مايع سرد شده شروع به عبور از آن مي كند. اين مي تواند يك عامل مهم در طراحي مبدل هاي حرارتي باشد زيرا با عبور درجه حرارت، بازده يك كولر به ميزان قابل توجهي كاهش مي يابد. در بسياري موارد مبدل حرارتي صفحه بهترين گزينه براي برنامه هايي است كه نمي توان از عبور درجه حرارت جلوگيري كرد.

جدول فوق نشان مي دهد كه دماي خروجي آب خنك كننده كمي بالاتر از دماي خروجي روغن است. يكي از راه هاي ساده براي مقابله با اين و افزايش راندمان كولر روغن ، افزايش سرعت جريان مايع خنك كننده است. در اين مثال خاص افزايش سرعت جريان آب به 25 ليتر در دقيقه باعث مي شود دماي خروجي آب به 43 درجه سانتيگراد كاهش يابد.

مبدلهاي حرارتي دستگاههايي هستند كه براي انتقال گرما بين دو يا چند مايعات (يعني مايعات ، بخارها يا گازها) با دماهاي مختلف طراحي شده اند. بسته به نوع مبدل حرارتي مورد استفاده ، فرايند انتقال حرارت مي تواند از گاز به گاز ، مايع به گاز يا مايع به مايع باشد.و از طريق جداكننده جامد رخ مي دهد ، كه از مخلوط كردن مايعات يا تماس مستقيم مايعات جلوگيري مي كند. ساير مشخصات طراحي از جمله مصالح ساختماني و اجزاي سازنده ، مكانيسم هاي انتقال حرارت و تنظيمات جريان نيز به طبقه بندي و طبقه بندي انواع مبدلهاي حرارتي موجود كمك مي كند. با استفاده از صنايع مختلف ، مجموعه متنوعي از اين وسايل تبادل گرما براي استفاده در هر دو روش گرمايش و سرمايش طراحي و ساخته مي شوند.

بهترين مواد براي ساخت مبدل حرارتي كدامند؟

ممكن است فكر كنيد مبدل حرارتي هميشه بايد از فلزات ساخته شوند ، كه گرما به سرعت جذب و هدايت مي شوند - و بسياري از آنها. اما مبدل هاي حرارتي همچنين مي توانند از سراميك ، كامپوزيت (بر اساس فلز يا سراميك) و حتي پلاستيك (پليمر) ساخته شوند.

تمام اين مواد مزاياي خود را دارند. سراميك براي نوع كاربردهاي درجه حرارت بالا (بيش از 1000 درجه سانتيگراد يا 2000 درجه فارنهايت) كه مي تواند فلزات مانند مس ، آهن و فولاد را ذوب كند انتخابي مناسب است.، اگرچه آنها همچنين براي استفاده در مايعات خورنده و ساينده در دماهاي بالا يا پايين محبوب هستند. پلاستيك ها به طور كلي وزن و هزينه كمتري نسبت به فلزات دارند ، در برابر خوردگي و رسوب مقاومت مي كنند و مي توانند براي داشتن هدايت حرارتي خوبي طراحي شوند ، گرچه تمايل دارند از نظر مكانيكي ضعيف باشند و با گذشت زمان ممكن است تخريب شوند. اگرچه به طور كلي براي برنامه هاي با درجه حرارت بالا مناسب نيست ، اما مبدل هاي پلاستيكي مي توانند براي چيزي مانند استخر يا دوش ، كه در هر روز و دماي اتاق كار مي كند ، گزينه مناسبي باشند. مبدل هاي حرارتي كامپوزيت بهترين ويژگي هاي مواد اوليه والدين خود را تركيب مي كنند - به عنوان مثال ، هدايت حرارتي بالاي فلز با كاهش وزن و مقاومت در برابر خوردگي بهتر يك پلاستيك.

در آينده ، به وضوح ممكن است كه بتوانيم از مواد جالب تر در غرق كننده هاي گرما استفاده كنيم. به عنوان مثال ، نانولوله هاي كربني (ورق هاي شش ضلعي نازك كربن كه براي ساختن "لوله" پيچيده شده اند) داراي خاصيت رسانايي گرما هستند و در حال حاضر در غرق كننده هاي گرما (دستگاه هاي حذف گرما كه عمدتا در الكترونيك مورد استفاده قرار مي گيرند) استفاده مي شوند. در حال حاضر تحقيقات زيادي انجام شده است تا ببينيم چگونه مي توان آنها را در مبدل هاي حرارتي مستقر كرد.

انتخاب مبدل حرارتي

در حالي كه تعداد زيادي از مبدل هاي حرارتي در دسترس هستند ، مناسب بودن هر نوع (و طراحي آن) در انتقال گرما بين مايعات بستگي به مشخصات و الزامات كاربرد دارد. اين عوامل تا حد زيادي طراحي بهينه مبدل حرارتي مورد نظر را تعيين مي كنند و بر رتبه و محاسبات اندازه مربوطه تأثير مي گذارند.

برخي از عواملي كه متخصصان صنعت هنگام طراحي و انتخاب مبدل حرارتي بايد در نظر داشته باشند عبارتند از:

• نوع مايعات ، جريان سيال و خواص آنها

• خروجي هاي حرارتي مورد نظر

• محدوديت اندازه

• هزينه ها

مبحث مبدل هاي حرارتي بسيار گسترده بوده ما در اين مقاله به بخش مهم و كاربردي از آن پرداختيم.
اين مقاله از بخش مبدل حرارتي سايت پايا دما گردآوري شده است.