تقسیم‌بندی مبدل‌های حرارتی و استانداردهای مرتبط

تقسیم بندی بر اساس خصوصیات سیال هایی که در مبدل ها جریان دارد

این تقسیم بندي بر اساس سیال فرایندي مبدل شکل گرفته است. البته تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت گازها و مایعات در تعیین شکل مبدل نقش موثري دارد.

 در این نوع مبدل هاي حرارتی هر دو سیال مایع هستند و مکانیزم انتقال حرارت براي هردو، انتقال حرارت اجباري است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

 در این   مبدل حرارتی استخری یک سیال مایع و سیال دیگر گاز است. معمولاً براي خنک نمودن سیال گرم توسط هوا استفاده میشود. جریان مایع با سرعت کافی داخل لوله پمپ میشود که این موجب بالا بودن ضریب انتقال حرارت طرف لوله ها میشود. هوا به صورت متقاطع بر روي لوله ها جریان مییابد. جریان هوا میتواند به صورت جابجایی اجباري یا آزاد باشد.

 معمولاً کمتر اتفاق میافتد که در  مبدل حرارتی 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 مییابد. البته ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی کوچک است و براي انتقال حرارت مناسب باید تدابیري اندیشید که در مباحث بعد در این مـورد بحث میشود.

 در این مبدل هاي حرارتی جریان بخار یک سیال توسط مایع(مـثلاً آب) و یا جریان گاز(مـثلاً هـوا) خنک و کندانس میشود. گاهی اوقات بخار خارج لوله است مثل کندانسورهاي نیروگاه هاي حرارتی و گاهی اوقـات بخار داخل لوله است مثل کندانسورهاي فریون

 تقسیم بندي مهم دیگري براي مبدل ها وجود دارد که بر اساس شکل ساختمانی آنها میباشد. اهمیت این نوع تقسیم بندي از آنجا مشخص میشود که در صنعت از مبدل ها با توجه به همین نوع تقسیم بندي از روي شکلشان یاد میشود.

 این گونه از مبدل ها از دو لوله هم محور تشکیل شده اند. یکی از سیال ها در داخل لوله میانی و در امتداد طـول آن جریان مییابد و سیال دیگر در داخل حلقه بین دو لوله جریان خواهد یافت. سایر اجزاء ساختمانی این مبدل ها عبارتند از : زانوي برگشت – سر برگشت – اتصالات Tبراي ورودي و خروجی سیال ها

هنگامی که اختلاف انبساط حرارتی بین لوله خارجی و داخلی وجود دارد در کاربرد نوع اتصالات می‌باید دقت کافی شود تا تنش حرارتی مینیمم گردد. مبدل هاي لوله اي را میتوان بر اساس شکل تقسیم بندي نمود:

هنگامی که ضریب انتقال حرارت سیال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از ۲:۱ باشد، مـثلاً داخل لوله مایعات کم لزج مثل آب با ضریب انتقال حرارت بالا باشد و خارج آن از مایعات لزج استفاده شود معمولاً بجاي استفاده از مبدل هاي پوسته و لوله از مبدل هاي لوله اي استفاده میشود. البته در این موارد از پره با طول بلند که باعث افزایش سطح میشود، در خارج لوله استفاده میشود. همچنین اگر سرویس هاي فشار بالا مورد نیاز باشد، مبدل هاي لوله اي ترجیحاً استفاده میشود. در سرویس هاي کوچک نیز از این مبدل ها استفاده میشود.

 استفاده و کاربرد زیادي که مبدل هاي لوله اي دارند به خاطر مزایاي زیر میباشد:

این سیستم ها داراي انعطاف پذیري زیادي هستند. در طول هاي مختلف و از انواع لوله هاي مختلف و از مواد مختلف ساخته میشوند و خیلی سریع از سوار کردن قطعات استاندارد پیشساخته آمـاده میگردند. با انتخاب صحیح اتصالات به آسانی میتوان قطعات آن را پیاده نمود تا درون و بیرون لوله ها تمیز شوند. محاسبات طراحی آنها به صورت دقیق و خوبی تدوین شده است. توزیع و پخش سیال را میتوان در واحدهاي مختلف کنترل نمود. این کار با انتخاب پمپ هاي جداگانه براي هر سري مبدل امکان پذیر است.

 از معایب عمده این مبدل ها میتوان موارد زیر را نام برد: ۱-براي بار حرارتی بزرگ، سیستم مبدل هاي دولوله اي حجم زیادي را اشغال میکنند. ۲-قیمت آنها براي واحد سطح انتقال حرارت نسبتاً زیاد است.

مبدل هاي حرارتي صفحه و قاب از قرار گرفتن يك سري صفحات فلزي در كنار يكديگر در داخل يك قاب فلزي ساخته مي شوند. اين صفحات در داخل قاب توسط ميله هاي بلند بهم فشرده مي شوند. طول اين ميله ها در شيارهاي (Gasket) فاصله بين دو درپوش را طي مي كنند و توسط مهره به درپوش محكم مي گردند. واشر اطراف هر صفحه قرار داده مي شود تا جريان سيال را در مجراي باريكي بين صفحات هدايت نمايد و همچنين از نشت آن ها به بيرون جلوگيري كند. در گوشه هاي هر صفحه مجرايي جهت ورود و خروج سيال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعيكه صفحات روي هم فشرده مي شوند اين محل هاي سوراخ شده در يك خط مستقيم قرار مي گيرند و بدين وسيله هدرهاي توزيع سيال در طول مبدل را به وجود مي آورند.

صفحات مي توانند از هر فلزي با ابعاد معين ساخته شوند آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالب هاي مخصوص روي صفحات چاپ گردد. هنگامي كه اين صفحات در محل خود در كنار يكديگر قرار مي گيرند شيارهاي موجود روي صفحات متوالي تشكيل يك سري كانال هاي باريك جريان را مي دهند. و سيال ها از طريق مجراي خيلي باريك و ظريف بين صفحات متوالي عبور مي نمايند. در مبدل هاي مختلف آرايش جريان مي توانند متفاوت باشند. يكي از اين آرايش ها به صورت موازي مختلف الجهت مي باشد. در اين نوع ارايش جريان هاي هر كدام از سيال ها فقط يك بار ارتفاع صفحات را طي مي كنند در حاليكه در آرايش هاي چندگذر يك سيال ممكن است 2 بار و يا بيشتر ارتفاع مبدل را طي نمايد.

امتيازات و كاربردها:

يكي از امتيازات مهم و اساسي مبدل هاي حرارتي صفحه و قاب اين است كه سطح انتقال حرارت مبدل به آساني از هم جدا مي شوند. بعد از برداشتن مهره ها و ميله هاي نگه دارنده و جداسازي صفحه متحرك انتهايي صفحات با لغزيدن روي صفحه باريكي براي معاينه از هم جدا مي شوند. اين امتياز كه صفحات به آساني تميز شوند و يا تعويض گردند باعث شده كاربرد اين مبدل ها در صنايع غذايي و لبنيات توسعه يابد. اما از ديگر امتيازات مهمي كه اين مبدل ها نسبت به مبدل هاي پوسته و لوله دارند اين است كه در مقايسه با مبدل هاي پوسته و لوله بار حرارتي معيني حدودا بين يك سوم تا يك چهارم انتقال حرارت لازم دارند. علتش را مي توان به صورت زير خلاصه نمود. توربولانس زياد به علت حركت سيال در مجاري باريك و ناهموار سبب افزايش ضريب انتقال حرارت مي گردد. فاصله نزديك به هم صفحات مانند اين است كه از لوله هاي با قطر كوچك استفاده شده است كه اين ضريب انتقال حرارت را افزايش مي دهد. توربولانس زياد سبب تقليل سرعت كثيف شدن مي شود. كاهش سطح انتقال حرارت باعث كاهش حجم و وزن مي شود.

معايب:

با وجود تمام محاسن ذكر شده يك عيب مهم در مورد اين مبدل ها وجود دارد و آن اين است كه سطوحي كه بايد توسط واشر آب بندي شود زياد است. اغلب از مواد لاستيكي براي اين كار استفاده مي شود اما ماكزيمم فشار و درجه حرارت كاربردي نبايد از Mpas 2.7 و k 400 تجاوز نمايد. از واشرهاي فيبري و پمبه نسوز كمپرس شده نيز مي توان استفاده نمود كه براي آن حداكثر درجه حرارت k 600 و Mpas 1.8 مي باشد. يكي از مشكلاتي كه معمولا در هنگام كار اين مبدل ها بوجود مي آورند عدم آببندي كامل و صحيح واشر ها است.

اولا به خاطر اينكه عمر مفيد گازكت ها كم است و ثانيا نبايد دوباره مورد استفاده قرار گيرند كه معمولا به اين نكته توجه نمي شود

مبدل پره دار (Fin Heat Exchangers):

هنگامي كه اختلاف فاحشي بين ضريب انتقال حرارت داخل و خارج لوله (در هركدام از انواع مبدلهاي ذكر شده) وجود داشته باشد از پره استفاده مي شود (در طرفي كه ضريب انتقال حرارت كمتر دارد). به عنوان مثال در مبدل هاي گاز/مايع در طرف گاز از پره هاي بلند استفاده مي شود و يا در مبدل هاي گاز/گاز به علت كم بودن ضريب انتقال حرارت در دو طرف به وسيله فين ها سطح انتقال حرارت و در ننتيجه ميزان آن را افزايش مي دهند.

پره ها معمولا داراي ضخامت in 0.0335 هستند. راندمان حرارتي آن ها با افزايش مقاومت حرارتي كاهش پيدا مي كند. اگرچه لوله هاي با پره داخلي وجود دارد ولي در مبدلهاي لوله اي بيشتر از پره هاي بلند طولي استفاده مي شود كه در خارج لوله تعبيه شده اند. پره ها مي توانند پيچششي و منقطع نيز باشند تا بدين وسيله سيال داخل حلقه بهتر مخلوط شود. اما در عمل مشاهده مي شود كه افت فشار را به مقدار زيادي افزايش مي دهند و به اين ترتيب اثر افزايش انتقال حرارت خنثي مي شود