مبدل حرارتی در صنعت

مبدل حرارتی - کاربردها و انواع مزایای مبدل حرارتی

مبدلهای حرارتی به دلیل کاربردهای متفاوت صنعتی از تنوع بالایی برخوردار هستند. اصلی ترین معیار انتخاب مبدل حرارتی مناسب وابسته به کاربرد مورد نیاز می باشد. انتخاب متریال مناسب وابسته به نوع سیال عبوری، مشخصات دمایی کارکرد و شرایط محیطی تعیین می گردد. با توجه به تنوع فاکتورهای تأثیرگذار، انتخاب نوع مناسب مبدل حرارتی پیش از شروع عملیات طراحی از اهمیت بالایی برخوردار است. 

برای انتخاب مناسب ترین نوع طراحی مبدل حرارتی صنعتی مبدل حرارتی مورد نیاز در هر طرح، معیارهای زیر بایستی مدنظر قرار گیرند:

1)     کاربری طرح انواع مبدل (بخار، مایع، تبخیر، میعان و ...)

2)     دما و فشار انواع مبدل کاری ( شامل شرایط راه اندازی، خاموش کردن، شرایط عادی و وضعیت کاری بحرانی)

3)     مشخصات مرتبط تیوب مبدل حرارتی با رسوب گذاری سیال(ذرات معلق، ویژگی های رسوب گذاری وابسته به دماهای مختلف)

4)     امکانات Utility در دسترس (برج خنک کننده، سیال خنک کاری، بخار، روغن داغ مبدل پوسته و لوله و ...)

5)     نیروی محرکه دمایی (روش طراحی جهت انتقال حرارت : خلاف جهت، هم مزایای مبدل حرارتی محور و یا عبور ضربدری)

6)      نقشه پلان واحد عملیاتی و محل اجرای کار

7)     نوع و میزان دسترسی برای تعمیرات و نظافت

8)     ملاحظات مزایای مبدل حرارتی مرتبط با توسعه آینده طرح

9)     ملاحظات مکانیکی (ماده مورد استفاده مبدل پوسته و لوله در ساخت، تنش های دمایی، محافظت در برابر ضربات و ارتعاشات)

انواع مبدل های انتقال حرارات در مبدلها مبدل پوسته و لوله حرارتی:

1.      مبدل های پوسته – لوله ای

1.1.   انواع جدا کننده مبدل حرارتی در صنعت های درون معایب مبدل ها پوسته (Baffle):

1.1.1.      جداکننده طراحی مبدل حرارتی صنعتی طراحی مبدل حرارتی صنعتی یک تکه ای (Single Segmented)

1.1.2.      جداکننده دو تکه ای (Double Segmented)

جداکننده ها به طور کلی تیوب مبدل حرارتی به منظور دستیابی به اهداف ذیل استفاده می شوند:

مهار کردن تیوب ها

حفظ فاصله بین تیوب ها

تغییر مسیر جریان و هدایت آن در مسیر دلخواه

بخشی از جداکننده طراحی مبدل حرارتی صنعتی (برش) به گونه ای تعبیه شده است تا جریان انواع مبدل در نهایت بتواند علاوه بر چرخش، در راستای محور پوسته مبدل نیز هدایت شود. تجربه نشان داده است که در انواع مبدل حرارتی جدا کننده های کاربرد مبدل حرارتی در صنعت برشهایی با قطر تقریبی یک چهارم قطر پوسته، بیشترین کارایی را دارند. برش های کوچک تر معایب مبدل ها یا بزرگتر از برش بهینه عموماَ سبب کاهش پخش جریان همزمان با گردابه های شدید و ایجاد نواحی جریان مرده شده مزایای مبدل حرارتی یا باعث ایجاد افت فشاری بیش از حد پیش بینی شده می گردند.

1.1.1.      جدا کننده های NTIW (No-Tube-in-Window):

هنگامی که مبدل های حرارتی در معرض تنش های ارتعاشی شدید ناشی طراحی مبدل حرارتی صنعتی از جریان سیال، تمیز کاری یا بازرسی باشند نیاز به تقویت سازه مبدل توسط روش هایی مانند NTIW دارند که در این تیوب مبدل حرارتی روش سطح جدا کننده در قسمتهای بدون حفره افزایش و با محکم تر شدم اتصال میان جداکننده و تیوب استحکام طراحی مبدل حرارتی صنعتی مورد نیاز در سازه ایجاد می شود. در بعضی از طراحی ها برای گرفتن سرعت سیال از جدا کننده های برش نخورده متخلخل استفاده می گردد که بیشتر در مبدل های دارای دو پاس و بیشتر اجرا شده اند.

1.1.2.      جداکننده های میله ای یا تسمه ای (Rod or EM Baffle):

این نوع از جدا مبدل حرارتی در صنعت کننده ها در مبدل های حرارتی پوسته – لوله ای استفاده می شوند به طوری که صفحات جدا کننده توسط مبدل حرارتی در صنعت یک شبکه از میله های متصل عمود برهم  جایگزین شده اند. این نوع طراحی در وهله اول افت فشار جریان کاربرد مبدل حرارتی در صنعت در عرض مبدل را نسبت به حالت معمول (با جداکننده ها تکه ای) کاهش می دهد. مزیت دوم آن از بین رفتن نواحی انتقال حرارات در مبدلها مرده جریان است. چیدمان شبکه میله ها در هر ردیف متفاوت از ردیف قبل و بعد از خود طوری انتخاب و اجرا می تیوب مبدل حرارتی گردند تا استحکام کافی جهت محافظت از تیوب ها در برابر ارتعاشات را ایجاد نمایند. این نوع از جداکننده ها در مواقعی که نیاز به کاهش رسوب دهی در پوسته، به حداقل رساندن افت فشار  و جلوگیری از ارتعاش انواع مبدل حرارتی می باشد ارجحیت می یابد.

1.1.3.      جداکننده های مارپیچی (Helical Baffle)

در بعضی از انواع مبدل های حرارتی پوسته – لوله ای جدا کننده ها به صورت معایب مبدل ها مورب به نحوی مزایای مبدل حرارتی اجرا شده اند که جریان محوری به صورت مارپیچی در راستای محور مبدل ایجاد گردد. این نوع مبدل عیوب مبدل یا کاربرد مبدل حرارتی در صنعت جداکننده تخت را نداشته و برای حالاتی که مبدل در برابر ارتعاشات قرار دارد بسیار تاثیر گذار بوده و از انتقال حرارات در مبدلها تنش ها به شدت می کاهد. 

1.2.   تیوب های انواع مبدل تقویت شده از لحاظ انتقال حرارتی

1.2.1.        تیوب های تابیده شده مبدل پوسته و لوله

هر تیوب در هنگام ساخت به صورت تابیده شده حول محور خود ساخته شده و در مبدل با آرایش مثلثی چیدمان می شوند. هر تیوب به صورت محکم و متناوب معایب مبدل ها توسط تیوب های مجاور مهار می شوند. با وجود پیچش تیوب ها، جریان به صورت آزادانه بین آنها جاری می کاربرد مبدل حرارتی در صنعت شود. این نوع از آرایش احتمال ارتعاش را که در انواع مبدل به عنوان پدیده ای رایج است را از میان می برد. انواع مبدل این نوع از مبدل ها در مقایسه با انواع دارای جداکننده بسیار راحت تر تمیز می شوند. تیوب های تابیده شده سطح بزرگتری از انتقال حرارت در طول ثابت را در مقایسه با تیوب های صاف ایجاد می کنند که در تلاظم بالا کاربرد مبدل حرارتی در صنعت در نهایت نرخ انتقال مبدل پوسته و لوله حرارت بالاتری را ایجاد می کند. این نوع از مبدل ها به دلیل توانایی در بالابردن طراحی مبدل حرارتی صنعتی بازده انتقال حرارت در حدود چهار برابر نرخ انتقال حرارت در مقایسه با مبدل های مجهز به تیوب های صاف امکان انواع مبدل حرارتی ساخت مبدل در حجم کوچکتر را فراهم می نماید.

2.      مبدل های حرارتی فشرده مبدل حرارتی در صنعت و تخت

این نوع مبدل ها، با انتقال حرارت بهینه می توانند در ابعاد بسیار کوچکتری برای نرخ انتقال حرارت مشابه ساخته شوند. قابلیت تحمل فشارهای بالاتر را دارا بوده و در انواع بازیاب های حرارتی، اواپراتور مبدل پوسته و لوله یا کندانسورها و در بازه وسیعی از صنایع مانند تهویه مطبوع، تبرید، خنک کاری موتورهای احتراق داخلی، معایب مبدل ها صنایع غذایی و فرایندهای شیمیایی صنایع نفت و تولید انرژی کاربرد دارند. این نوع مبدلها امکان کاهش اندازه مبدل حرارتی در صنعت مبدل حرارتی را تا مقادیر زیر فراهم می کنند.

1/6 سایز مبدل مشابه پوسته-لوله ای

1/5 وزن مبدل انتقال حرارات در مبدلها مشابه پوسته-لوله ای

1/8 حجم سیال در مقایسه با مبدل مشابه پوسته-لوله ای

1/5 تا 1/3 سطح انتقال حرارتی مورد نیاز مبدل مشابه پوسته-لوله ای

مزایا و معایب مبدل های پوسته – لوله ای:

      مبدل حرارتی در صنعت     مزایا:

عمومیت مصرف به دلیل قدمت و راحتی کاربران.

منعطف ترین نوع مبدل از لحاظ تنوع کاربری و سرویس.

وسیع ترین بازه فشار و دمای طراحی.

ساختار مستحکم سازه مبدل حرارتی در صنعت ای.

          معایب:

بازدهی کمتر در مقایسه با دیگر انواع مبدل های حرارتی.

ارتعاشات سازه ای بالاتر و در نتیجه آسیب پذیری بیشتر ناشی از آن.

عدم امکان ایجاد جریان مزایای مبدل حرارتی متقاطع.

وجود نواحی جریان مرده در ناحیه پوسته که منتهی به خوردگی می گردد.

احتمال عدم توزیع انواع مبدل یکسان جریان به خصوص در هنگام وجود سیال دو-فازی.

مزایا و معایب مبدل های حرارتی فشرده:

          مزایا:

هزینه خرید پایین تر.

تنوع پیکربندی در انواع مختلف.

ضریب انتقال حرارتی بالا (در حدود 3 برابر نوع مشابه پوسته – لوله ای، به دلیل تنش برشی دیواره بالاتر).

رسوب گرفتگی کمتر به دلیل اغتشاش و توزیع مناسب سرعت جریان در کل مجرا. (این مورد برای تمام انواع مبدل انواع نمی باشد)

امکان طراحی جریان متقاطع و ایجاد شیب های دمایی بالا.

صرفه جویی در زیربنا و معایب مبدل ها متراژ مورد نیاز برای نصب.

          معایب:

بازه کوچکتر فشار و دمای مجاز معایب مبدل ها طراحی.

در بعضی موارد به دلیل اجرای مجراهای باریک احتمال بدتر شدن وضعیت رسوب گذار وجود دارد.

تعمیرات نخصصی و طاقت فرسا 

به دلیل جداره های بسیار نازک (کمتر از 10 میلیمتری) مواد مورد تیوب مبدل حرارتی نیاز جهت ساخت مبدل محدود می شوند.

 بخش‌های دیگر