کاربرد مبدل حرارتی در صنعت

مبدل حرارتی - کاربردها و انواع معایب مبدل ها

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 تیوب مبدل حرارتی مبدل حرارتی مورد نیاز در هر طرح، معیارهای زیر بایستی مدنظر قرار گیرند:

1)     کاربری طرح انتقال حرارات در مبدلها (بخار، مایع، تبخیر، میعان و ...)

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

3)     مشخصات مرتبط مبدل حرارتی در صنعت 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 انتقال حرارات در مبدلها 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 انواع 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 مزایای مبدل حرارتی کاربرد مبدل حرارتی در صنعت حرارتی:

1.      مبدل های پوسته – لوله ای

1.1.   انواع جدا کننده انتقال حرارات در مبدلها های درون انواع مبدل حرارتی پوسته (Baffle):

1.1.1.      جداکننده انتقال حرارات در مبدلها انتقال حرارات در مبدلها یک تکه ای (Single Segmented)

1.1.2.      جداکننده دو تکه ای (Double Segmented)

جداکننده ها به طور کلی مزایای 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 کاربرد مبدل حرارتی در صنعت (برش) به گونه ای تعبیه شده است تا جریان مزایای مبدل حرارتی 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 مبدل پوسته و لوله برشهایی با قطر تقریبی یک چهارم قطر پوسته، بیشترین کارایی را دارند. برش های کوچک تر تیوب مبدل حرارتی یا بزرگتر از برش بهینه عموماَ سبب کاهش پخش جریان همزمان با گردابه های شدید و ایجاد نواحی جریان مرده شده مبدل حرارتی در صنعت 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 تیوب مبدل حرارتی از جریان سیال، تمیز کاری یا بازرسی باشند نیاز به تقویت سازه مبدل توسط روش هایی مانند NTIW دارند که در این انواع مبدل حرارتی روش سطح جدا کننده در قسمتهای بدون حفره افزایش و با محکم تر شدم اتصال میان جداکننده و تیوب استحکام معایب مبدل ها 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 انواع مبدل حرارتی کننده ها در مبدل های حرارتی پوسته – لوله ای استفاده می شوند به طوری که صفحات جدا کننده توسط معایب مبدل ها یک شبکه از میله های متصل عمود برهم  جایگزین شده اند. این نوع طراحی در وهله اول افت فشار جریان انواع مبدل حرارتی در عرض مبدل را نسبت به حالت معمول (با جداکننده ها تکه ای) کاهش می دهد. مزیت دوم آن از بین رفتن نواحی انواع مبدل حرارتی مرده جریان است. چیدمان شبکه میله ها در هر ردیف متفاوت از ردیف قبل و بعد از خود طوری انتخاب و اجرا می انواع مبدل 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 معایب مبدل ها 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 انواع مبدل حرارتی مورب به نحوی طراحی مبدل حرارتی صنعتی اجرا شده اند که جریان محوری به صورت مارپیچی در راستای محور مبدل ایجاد گردد. این نوع مبدل عیوب مبدل یا انواع مبدل جداکننده تخت را نداشته و برای حالاتی که مبدل در برابر ارتعاشات قرار دارد بسیار تاثیر گذار بوده و از معایب مبدل ها تنش ها به شدت می کاهد. 

1.2.   تیوب های کاربرد مبدل حرارتی در صنعت تقویت شده از لحاظ انتقال حرارتی

1.2.1.        تیوب های تابیده شده تیوب مبدل حرارتی

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 انتقال حرارات در مبدلها توسط تیوب های مجاور مهار می شوند. با وجود پیچش تیوب ها، جریان به صورت آزادانه بین آنها جاری می 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. انتقال حرارات در مبدلها 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 مبدل پوسته و لوله در نهایت نرخ انتقال معایب مبدل ها حرارت بالاتری را ایجاد می کند. این نوع از مبدل ها به دلیل توانایی در بالابردن انواع مبدل حرارتی بازده انتقال حرارت در حدود چهار برابر نرخ انتقال حرارت در مقایسه با مبدل های مجهز به تیوب های صاف امکان تیوب مبدل حرارتی ساخت مبدل در حجم کوچکتر را فراهم می نماید.

2.      مبدل های حرارتی فشرده مزایای مبدل حرارتی 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 تیوب مبدل حرارتی یا کندانسورها و در بازه وسیعی از صنایع مانند تهویه مطبوع، تبرید، خنک کاری موتورهای احتراق داخلی، مبدل پوسته و لوله صنایع غذایی و فرایندهای شیمیایی صنایع نفت و تولید انرژی کاربرد دارند. این نوع مبدلها امکان کاهش اندازه انواع مبدل حرارتی مبدل حرارتی را تا مقادیر زیر فراهم می کنند.

1/6 سایز مبدل مشابه پوسته-لوله ای

1/5 وزن مبدل کاربرد مبدل حرارتی در صنعت 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:

      انواع مبدل حرارتی     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 انواع مبدل حرارتی 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 مبدل حرارتی در صنعت متقاطع.

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

احتمال عدم توزیع مزایای مبدل حرارتی 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 مبدل حرارتی در صنعت انواع نمی باشد)

امکان طراحی جریان متقاطع و ایجاد شیب های دمایی بالا.

صرفه جویی در زیربنا و مبدل حرارتی در صنعت متراژ مورد نیاز برای نصب.

          معایب:

بازه کوچکتر فشار و دمای مجاز طراحی مبدل حرارتی صنعتی 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 طراحی مبدل حرارتی صنعتی نیاز جهت ساخت مبدل محدود می شوند.

 بخش‌های دیگر