مبدل حرارتي

مبدل حرارتي

مبدل حرارتي Heat Exchanger

مبدل حرارتي،رادیاتور،کندانسور،اواپوراتور،

Heat Exchanger,Radiator,Air cooler,Oil cooler,Condenser,Evaporator

مبدل حرارتي وسيله‌اي است براي انتقال گرما از ناحيه‌اي با درجه حرارت بالاتر به ناحيه‌اي با درجه حرارت پايين‌تر. مبدل‌ حرارتي، انرژي داخلي سيستم و محيط را تغيير مي‌دهد. انتقال گرما انرژي داخلي سيستم را تغيير مي‌دهد. گرما از طريق رسانايي (Conduction)، كنواكسيون (Convection) و تشعشع (radiation) منتقل مي‌شود.

مبدل‌هاي حرارتي در اصل براي انتقال حرارت از يك سيال به سيال ديگر در روي سطحي جامد طراحي شده‌اند. اين انتقال حرارت مي‌تواند به شكل جذب يا اتلاف حرارت باشد. كارايي مبدل حرارتي به اين صورت تعريف مي‌شود: نسبت انتقال واقعي حرارت به انتقال حرارت‌ قابل حصول در يك مبدل حرارتي طويل با جريان مخالف.

مبدل‌هاي حرارتي غالباً از جنس فولاد، تيتانيوم، مس، برنز، فولاد ضد زنگ، آلومينيوم يا چدن هستند.

مبدل‌هاي حرارتي را مي‌توان بنابه جهت ورود جريان هوا در آنها به چند دسته تقسيم كرد:

– مبدل حرارتي با جريان موازي- در اين نوع مبدل هر دو سيال از يك طرف وارد مبدل مي‌شوند و مسير را موازي با يكديگر طي مي‌كنند.

– مبدل حرارتي با جريان مخالف- در اين نوع مبدل، سيال‌ها از دو جهت مخالف وارد مبدل مي‌شوند

– مبدل حرارتي با جريان عرضي- سيال‌ها بطور عمودي به يكديگر برخورد مي‌كنند.

افت فشار و سرعت در مبدل حرارتي

افت فشار در تمام طرح‌هاي مبدل‌هاي حرارتي عاملي مهم است. با افت فشار، گرانروي و توانايي سيال براي انتقال حرارت نيز افت مي‌كند. سرعت رابطه مستقيمي با ضريب انتقال حرارت دارد.

كاربردهاي مبدل‌هاي حرارتي :

air dryer– روغن سردكن‌ها

– سردكن‌هاي موتور و جعبه دنده

– سردكن‌هاي بويلر

– بازيافت گرماي آب‌هاي خروجي

– سيستم‌هاي آب سرد

– سيستم‌هاي آب زيرزميني

– دستگاههاي تقطير و تبخير در سيستم‌هاي تبريد

– انتقال گرماي سيال به سيال

انواع گوناگوني از مبدل‌هاي حرارتي وجود دارند كه در كارخانه‌هاي جداسازي هوا مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از جمله مبدل‌ حرارتي گازي، مبدل حرارتي با كوره گاز چيلرگاز، مبدل Gas cas، سيستم‌ خنك كننده نيتروژن مايع و مبدل حرارتي از نوع پوسته لوله‌اي.

 مبدل حرارتي گاز Gas Heat Exchanger

مبدل‌هاي حرارتي گاز در اصل براي گرفتن گرما از گاز خروجي موتورها و سپس انتقال آن به چرخه جريان آب طراحي شده‌اند. اين مبدل‌هاي حرارتي نقش‌ مهمي در فرآيند توليد دارند. همچنين براي كاهش درجه حرارت گاز خروجي در موتورهايي كه در محيط‌هاي خطرناك كار مي‌كنند استفاده مي‌شوند، زيرا در بعضي از محيط‌ها كاهش درجه حرارت گاز خروجي ام مهمي است. در كل، يك مبدل حرارتي گازي از لوله‌هاي فولاد ضد زنگ، بدنه و صفحه‌هاي لوله‌اي ساخته شده است و داراي يك سرپوش چدني است كه امكان استفاده از گاز زيستي، گاز ديزلي و گاز طبيعي را فراهم مي‌آورد.

لوله‌هاي فولاد ضد زنگ، صفحه‌هاي لوله‌اي و پوسته و سرپوشهاي چدني هميشه بايد به صورت افقي قرار گيرند (هم جهت با جريان آب) تا هميشه پر از آب باشند همچنين وجود شير مكش حرارتي نيز لازم و مهم است.

كاربردهاي صنعتي مبدل حرارتي :

– سيستم‌هاي آب زيرزميني

– روعن سردكن‌ها

– انتقال گرماي سيال به سيال

– سردكن‌هاي موتور و جعبه دنده

– سردكن‌هاي بويلر

– بازيافت گرماي آب‌هاي خروجي

– سيستم‌هاي تبريد (تقطير كننده‌ها و تبخير كننده‌ها)

روند كار در مبدل حرارتي

در يك مبدل حرارتي گازي، گازهاي خروجي داغ از روي لوله‌هايي كه داراي آب هستند عبور مي‌كنند. سپس آب تبخير مي‌شود و در مخزن بخار جمع مي‌شود و سپس براي تصفيه يا گرم كردن مجدداً استفاده مي‌شود.

مبدل‌هاي حرارتي گاز خروجي

اين مبدل حرارتي كه براي انتقال حرارت گازهاي خروجي استفاده مي‌شود از نوع مبدل‌هاي حرارتي گازي – آبي با جريان مخالف است. فرايند كار به اين ترتيب است كه انرژي گرمايي گازهاي خروجي از طريق مبدل حرارتي به سيستم آب گرم انتقال مي‌يابد. گازهاي خروجي از طريق لوله خروجي گاز و سپس دودكش از مبدل حرارتي خارج مي‌شوند.

 مبدل‌ حرارتي با كوره گازسوز Gas Furnace Heat Exchanger

كوره‌هاي گازسوز از طريق سوزاندن سوخت (گاز، نفت يا پروپان) در يك محفظه باز يا بسته گرماي مورد نياز يك مبدل حرارتي را تامين مي‌كنند و به كمك يك پنكه، هوا را در سراسر مبدل توزيع مي‌كنند. اين كوره‌هاي گازسوز كه جزء مكمل گرم‌كن هستند گرما را در سراسر خانه يا محل كار بطور يكنواخت توزيع مي‌كنند بدين‌ترتيب كه هوا را گرما مي‌دهند و آنرا از طريق كانالهايي توزيع مي‌كنند.

 قسمت‌هاي اصلي آن شامل يك شير گاز، مشعل‌ها، مبدل‌ حرارتي، پنكه و يك محفظه است.

چندين محفظه احتراق منحصر به فرد و چندين طرح مبدل حرارتي براي كوره‌هاي گاز وجود دارد. به طوركل كارايي يك كوره گازسوز با نوع مشعل گرمكن آن مطابقت دارد. اين مشعل‌هاي گرمكن بطوركل به دو دسته تقسيم‌ مي‌شوند، مشعل‌هايي كه از احتراق الكترونيكي استفاده مي‌كنند و به طور طبيعي گازهاي خروجي از مبدل حرارتي به سوي دودكش هدايت مي‌كنند، و مشعل‌هايي

كه از احتراق الكترونيكي و موتور استفاده مي‌كنند تا گازهاي خروجي را از ميان مبدل حرارتي مورد به سمت دودكش منتقل كنند.

لوازم جانبي كه به طور معمول در داخل و خارج كوره گازسوز نصب مي‌شوند شامل:

– يك پنكه كه از جريان هوا مستقل است

– صافي هوا

– دستگاه پاك‌كننده هوا كه به صورت الكترونيكي كار مي‌كند

– رطوبت سازه

– كويل تبخير كننده براي دستگاه تهويه مطبوع

مراحل كار در مبدل حرارتي

كار يك كارخانه گاز شامل سوزاندن سوخت به منظور توليد گاز داغ است، اين گاز داغ از ميان لوله‌هاي خميده‌اي كه مبدل حرارتي ناميده مي‌شوند مي‌گذرد. وقتيكه هوا از روي مبدل حرارتي عبور مي‌كند گرما را از سطح فلز داغ جذب مي‌كند. سپس اين هواي گرم شده از طريق پنكه به جريان مي‌افتد و فضاي موردنظر را گرم مي‌كند. به طور همزمان، گازها يا هواي داغ حاصله از سوزاندن سوخت توسط يك لوله تهويه فلزي ياپلاستيكي به بيرون خارج مي‌شوند.

اگر مبدل حرارتي كوره دچار شكستگي يا خوردگي شود، گازها ممكن است اثر محفظه احتراق خارج شوند. اين گازها ممكن است حاوي مقادير متغييري از مونوكسيدكربن، اكسيد نيتروژن‌ها و آسودگي ديگر باشد. بدين‌ترتيب، به منظور كاهش خطرات مسموميت در داخل خانه يا محل كار، لازم است كه كوره گازسوز هر ساله توسط تكنسين خبره‌اي سرويس شود.

 مبدل‌هاي حرارتي GAS TO GAS HEAT EXCHANGER

اين مبدل‌ها در اصل به منظور بازيافت گرماي گازهاي گرم خروجي استفاده مي‌شوند. اين مبدل‌ها براي جلوگيري از اتلاف گرماي سوخت گازي استفاده مي‌شوند زيرا اگر گاز گرماي زيادي را از دست بدهد در هنگام ورود به مخزن واقعاً انرژي كافي ندارد كه به درستي در مخزن پخش شود طرح مبدل‌هاي حرارتي Gas- to Gas با طرح پيش گرمكن‌ها مشابه است. اين مبدل‌ها داراي تجهيزات متعددي هستند كه به ويژه براي تصفيه گاز قبل از ورود آن به نيروگاه طراحي شده‌اند.

اين مبدل‌ها به طور معمول كم‌عمق هستند به همين علت مقدار گرمايي كه انتقال مي‌دهند كم است.

آنها در درجه حرارت‌هاي پايين كار مي‌كنند. مبدل‌هاي حرارتي air- to- air به اين منظور طرح شده‌اند كه مقدار زيادي اسيد سولفوريك درون آنها تقطير شود. همچنين اجزاء اين مبدل‌ها روكش كاري شده‌اند تا از خوردگي تجهيزات جلوگيري شود.

روند كار

اين مولدها درست مقابل مخازن سوخت گازي نصب مي‌شوند. كار اين مولدها اين است كه قبل از ورود گاز به دستگاه تصفيه جهت جداسازي گوگرد، گرماي آنرا بازيافت مي‌كنند بدين‌ترتيب گاز تميز حاصله به مخزن سوخت گازي باز گردانده مي‌شود.

اين مبدل‌ها داراي سيستم‌هاي لوله‌كشي عايق‌بندي شده‌اي هستند كه مانع انتقال گرما (غالباً گليكول) از اين لوله‌ها عبور مي‌كند. اين مايع حرارت كويل‌ها يا لوله‌هاي ظريفي كه در مقابل جريان

هواي داغ خروجي نصب شده‌اند را جذب مي‌كند و گرما را از طريق كويل‌ها به جريان هواي سرد ورودي ارسال مي‌كند.

چيلرهاي گازي Gas Chiller

چيلرهاي گازي براي سرد كردن گازهاي خشك (مثل نيتروژن، آرگون يا هوا) تا درجه حرارت سرمازي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در حال حاضر، اين چيلرها به عنوان يكي از سيستم‌هاي مقرون به صرفه شناخته شده‌اند كه جريان گاز را تا درجه حرارت‌هاي پاييني مثل °C125- تا °75- سرد مي‌كنند. اين چيلرها براي افرادي كه مي‌خواهند در هزينه‌هاي بالاي سيستم‌هاي الكتريكي تهويه هواي الكتريكي صرفه‌جويي كنند بسيار مناسب است. چيلرهاي گازي به همراه سيستم‌ تهويه هواي الكتريكي مورد استفاده قرار مي‌گيرند و بطور بلقوه‌اي صورتحساب‌هاي انرژي‌ را پايين مي‌آورند.

چيلرهاي گازي به عنوان سيستم‌هاي تبريدي مدار بسته‌اي عمل مي‌كنند كه جريان هوا را با استفاده از سردكن در مبدل حرارتي tube- in- tube خنك مي‌كنند. نصب و نگهداري اين چيلرهاي گازي خيلي ساده است. با اين وجود، آنها در معرض خطر نيتروژن مايع قرار دارند.

كاربردهاي گوناگون چيلر گازي شامل:

– توليد گاز سرد براي محفظه‌هاي خلع

– آزمايش حرارتي الكترونيك، ريولوژي و غيره

مزيت‌هاي چيلرهاي گازي:

– توليد هواي سرد با هزينه‌هاي پايين‌تر

– كارايي بيشتر حتي با حداقل انرژي

– حذف يا كاهش CFCهايي كه براي محيط زيست خطرناك هستند

– همچنين گرماي موتور براي استفاده در كاربردهاي ديگر قابل بازيافت است

– كيفيت هواي داخل ساختمان را بهبود مي‌بخشند

– عملكرد قابل اطمينان بدون هزينه‌هاي برق در طول دوره‌هاي اوج مصرف

– حفظ رطوبت هوا بدون پايين آوردن درجه حرارت

– غالباً چيلر مي‌تواند از برج خنك‌ساز يكساني به عنوان سيستم الكتريكي استفاده كند.

روند كاردر چيلرهاي گازي براي توليد هواي سرد به جاي موتور الكتريكي از موتور گازسوز استفاده مي‌شود. آنها داراي سرعت‌هاي عملياتي متغييري منطبق با ظرفيت بار هستند. اين سيستم‌ها همچنين مجهز به چرخ‌هاي ماتريسي لازم زنبوري هستند كه قبل از سرد كردن هوا رطوبت موجود در آن را جذب مي‌كنند و بنابراين نياز به سيستم خنك‌ساز را كاهش مي‌دهند.

چيلرهاي گازي به طور روزافزون به عنوان جايگزين جالب توجهي استفاده مي‌شود زيرا در چيلرهاي برقي مقادير زيادي از انرژي بيشتر موتورهاي الكتريكي به هدر مي‌رود؛ نياز شديدي به شارژ دارند، و هزينه جريان الكتريسته جهت راه‌اندازي آنها بالا است. استفاده از چيلرهايي كه داراي موتور گازي هستند باعث كاهش هزينه برق مي‌شود. همچنين طرح‌هاي مهندسي بهتر به همراه اجزائي با طول عمر بيشتر، مواد و تكنيك‌هاي ساخت ابداعي بطور چشمگيري ميزان كارايي آنها را افزايش مي‌دهد و باعث شده است كه چيلرها به طور گسترده‌ مورد استفاده قرار گيرند.

مزيت‌هاي استفاده از مبدل‌هاي حرارتي نيتروژن مايع:

– اين سيستم‌ها راه‌حل مقرون به صرفه‌اي را براي روش‌هاي خنك‌سازي مستقيم، نيمه مستقيم و يا غيرمستقيم فراهم مي‌آورند.

– واكنش در هر سطح كه باشد درجه حرارت آنرا مي‌توان از طريق متعادل سازي، افزايش يا كاهش جريان نيتروژن مايع كنترل كرد.

– با استفاده از كنترل كننده‌هاي درجه حرارت مي‌توان به راحتي سيستمها را كنترل كرد.

– نيتروژن مايع به عنوان يك ماده خنك كننده و درجه حرارت واكنش شيميايي را به طور كاملي كنترل مي‌كند به اين طريق كه درجه حرارت سيال تبادلي را يكنواخت مي‌سازد.

– همچنين مي‌توان واكنش‌ها را به طور غيرمستقيم از طريق مبدلي كه با نيتروژن مايع سرد مي‌شود كنترل كرد.

نيتروژن مايع مي‌تواند مستقيماً به محل فرستاده شود و همچنين مي‌توانند مجدداً در مراحل ديگر كارخانه مورد استفاده قرار گيرد و ميزان صرفه‌جويي را بهبود بخشد.

– نيتروژن مايع نسبت به سيستم‌هاي خنك كننده مكانيكي مي‌تواند درجه حرارت را چند برابر كاهش دهد. هر چقدر كه درجه حرارت سريع‌تر تغيير  كند زمان مورد نياز براي انجام آزمايش كاهش مي‌يابد و در نتيجه كارايي آزمايش افزايش يافته و در پول صرفه‌جويي مي‌گردد.

– مبدل نيتروژن مايع نسبت به دستگاههاي مبرد مكانيكي جاي كمتري اشغال مي‌كند به علت عدم وجود كمپرسورها و تقطير كننده‌هاي بزرگ در آنها.

– هيچ تاثير بدي در محيط ايجاد نمي‌كنند با اين وجود سيستم‌هاي سردكن ديگر داراي CFCهايي هستند كه باعث تخريب لايه اوزون مي‌شوند.

 سردكن نيتروژن مايع LIQUID NITROGEN COOLING

نيتروژن و هليوم دو گازي هستند كه معمولاً به شكل مايع استفاده مي‌شوند. نيتروژن مايع در بسياري از سيستم‌هاي سردكن سرمازي استفاده مي‌شود. نيتروژن مايع خنك كننده ارزشمندي است زيرا نقطه جوش پاييني دارد. ارزان قيمت بوده و ميزان مسموميت آن پايين است. غالباً واكنش‌هاي شيمياي را تا درجه حرارت °C40- سرد مي‌كند و با كنترل كامل درجه حرارت فرايند واكنشي‌ها تسريع مي‌گردد.

 مبدل حرارتي پوسته لوله‌اي SHOLL AND TUBE HEAT EXCHANGER

اين مبدل‌ها يكي از رايج‌ترين دستگاههاي انتقال حرارت در كاربردهاي صنعتي به شمار مي‌آيند. اين مبدل‌ها در اصل از لوله‌هاي فولادي ضدزنگ يا لوله‌هاي نعلي تشكيل شده‌اند كه اين لوله‌ها داخل پوسته فولادي كربن‌دار قرار مي‌گيرند. مبدل‌هاي حرارتي پوسته لوله‌اي كه در اندازه و طول‌هاي گوناگوني ساخته مي‌شوند مقادير بالايي از گرما را با هزينه نسبتاً پاييني انتقال مي‌دهند و همچنين جاي كمي اشغال مي‌كنند و حجم و مقدار مايع مورد استفاده در آنها نيز كم است.

در سيستم‌هايي كه درجه حرارت و فشار خيلي بالايي وجود دارد از اين مبدل‌ها استفاده مي‌شود. همچنين اين مبدل‌ها به علت دارا بودن لوله‌هاي نعلي شكل، مستقيم، مارپيچي و لوله‌هاي ظريف از مسدود شدن مجراهاي مبدل حرارتي توسط ذرات موجود در سيال‌ها ممانعت مي‌كنند. تميز كردن و بازرسي كردن اين مبدل‌ها خيلي ساده است و آنها خيلي بادوام هستند و راه‌حل ساده‌اي براي انبساط لوله هستند.

ويژگي‌هاي مبدل‌هاي حرارتي پوسته لوله‌اي:

– معمولاً داراي ساختار لوله نعلي شكل هستند

– اين دستگاهها براي كاربردهاي مايع به مايع (PW) و بخار به مايع طراحي شده‌اند.

– داراي پيچ‌هاي اضافي و حفاظت سطحي هستند و بدين‌ترتيب نصب آنها راحت است.

– به علت دارا بودن لوله‌هاي متحرك تميز كردن و بازرسي اين مبدل‌ها راحت‌تر انجام مي‌گيرد.

– تنظيم baffle , coil آنها به گونه‌اي طراحي شده است كه كار انتقال حرارت به حداكثر مي‌رسد.

– لوله‌هاي مبدل حرارتي پوسته لوله‌اي به گونه‌اي قرار دارند كه در هنگام نوسانات حرارتي به راحتي منقبض و منبسط مي‌شوند و در نتيجه از ايجاد تنش در اتصالات لوله‌كشي ممانعت مي‌شود.

– واشرها از مواد فشرده با كيفيتي ساخته شده‌اند به طوريكه قابل استفاده مجدد هستند.

– اين مدل‌هاي حرارتي همچنين داراي پوسته لحيم شده‌اي هستند كه توسط رنگ‌هاي با كيفيتي روكش شده‌اند و بدين‌ترتيب در مقابل خوردگي مقاوم هستند.

مبدل‌هاي حرارتي پوسته لوله‌اي يكي از رايج‌ترين مبدل‌هايي است كه در صنعت فرآيند، نفت، صنايع شيميايي و HVAC مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين مبدل‌ها داراي كاربردهاي گوناگوني هستند از جمله پردازش مايع يا گاز، پردازش و تبريد بخار، تقطير بخار، پردازش هواي داغ، پيش گرمايش آب تغذيه، سردكن هيدروليك و روغن ماشين و غيره.

اين مبدل‌ها بنابر مقتضيات گوناگون داراي طرح‌ها و انواع مختلفي هستند. مبدل‌هاي پوسته لوله‌اي با استفاده از مجراهاي چندگانه مي‌توانند گرما را بطور يكنواخت انتقال دهند. اين مبدل‌ها به طور استاندارد داراي دو يا چهار مجرا هستند، بعضي از مدل‌هاي سفارشي داراي مجراهاي چند گانه‌اي مي‌باشند.

مبدل حرارتي