مبدل های حرارتی معمولاً در فرآیندهای مختلف کارخانه برای انتقال انرژی از یک سیال یا گاز به سیال دیگر بدون اختلاط این دو ماده استفاده می شوند.
مبدل های حرارتی معمولاً در فرآیندهای مختلف کارخانه برای انتقال انرژی از یک سیال یا گاز به سیال دیگر بدون اختلاط این دو ماده استفاده می شوند. به عنوان بخش جدایی ناپذیر کاربردهای آسایش و فرآیند گرمایش و سرمایش، در بیشتر موارد، برای سالها کارآمد و بدون زحمت انجام می دهند. با این حال، از آنجایی که آنها بخشهایی از سیستمهای بزرگتر هستند، اغلب نصب میشوند و فراموش میشوند که منجر به مشکلاتی در مسیر یا عملکرد کمتر از بهینه میشود. دانش اندکی در مورد مبدل های حرارتی و نحوه عملکرد آنها می تواند به مهندسان کارخانه کمک کند تا انتخاب های بهتری داشته باشند و این دستگاه ها را به طور مناسب تر و مقرون به صرفه تر نصب و نگهداری کنند.
هر یک از انواع اصلی – پوسته و لوله، مارپیچ و صفحه – در اینجا شرح و بحث شده است. شامل تصاویر، اصول عملیاتی، و برنامه های کاربردی است. برای اطلاعات دقیق تر در مورد طرح ها، سبک ها و پیکربندی های متعدد مبدل های حرارتی موجود، از برخی از وب سایت های شرح داده شده در راهنمای منابع در انتهای این مقاله دیدن کنید.
مجله مهندسی گیاهی با قدردانی از کمکهای ویژهای که توسط Alfa Laval Thermal Inc.، Richmond، VA، و ITT Heat Transfer، Buffalo، NY به این مقاله شده است، قدردانی میکند. هنر سرفصل از ITT Heat Transfer.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله احتمالاً رایج ترین نوع موجود در صنعت است. این به طور گسترده در صنایع فرآیند و همچنین در بسیاری از انواع تجهیزات HVAC استفاده می شود. موارد استفاده برای این اسب های کاری انتقال حرارت عبارتند از حذف حرارت در چیلرها، کندانسورها و بویلرها ، خنک سازی جریان فرآیند و به عنوان بخش های حیاتی سیستم های خنک کننده تبخیری و تبرید.
واحدهای پوسته و لوله شامل لوله های گردی هستند که در پوسته های استوانه ای نصب شده اند. اجزاء شامل سر، بسته نرم افزاری لوله و پوسته هستند. آنها را می توان به هر قطر یا طولی ساخت. دسته های لوله معمولاً به روش هیدرواستاتیک آزمایش می شوند. بسیاری از آنها توسط ASME به عنوان مخازن تحت فشار تعیین می شوند. پوسته استوانه ای از لوله های بدون درز یا نورد و جوش داده شده با فلنج پیچ در هر انتهای آن است. سوراخ هایی که با دقت در صفحات لوله قرار داده شده اند، لوله ها را در خود جای می دهند. بافل ها به ایجاد تلاطم مورد نیاز برای انتقال حرارت کمک می کنند.
فناوری انتقال حرارت پوسته و لوله اساساً در طول سال ها ثابت مانده است. بیشتر پیشرفتهای اخیر شامل لولههای سطحی پیشرفتهتر میشود که به واحدها اجازه میدهد به دمای نزدیک به 2-3 درجه فارنهایت دست یابند. ساختار جریان مخالف واقعی در حال حاضر معمولاً برای جلوگیری از نقاط محدودکننده انتقال حرارت استفاده میشود. در نهایت، برخی از واحدها دارای ساختار دو جداره هستند، که اساسا یک لوله دوم در هر لوله است. ساخت و ساز دو جداره حفاظت و ایمنی قابل توجهی در برابر نشت ارائه می دهد، هر چند با هزینه بالاتر.
تجهیزات در انواع مختلف طراحی هستند. پیکربندی های لوله مستقیم و لوله U محبوب هستند. واحدهای فشرده U-tube باعث صرفه جویی در فضا می شوند، دارای بسته های قابل جابجایی و قابل تعویض هستند و بیشتر در برنامه های HVAC یافت می شوند (اگرچه امروزه برخی در حال یافتن راه خود در موقعیت های فرآیندی هستند). ترتیبات لوله ثابت و مستقیم اغلب در موقعیت های فرآیند مشخص می شوند زیرا می توانند فشارهای بالاتری را تحمل کنند و تمیز کردن مکانیکی آنها آسان تر است. در میان پیکربندی های دیگر، لوله مستقیم، واحد لوله ورق شناور است که دارای یک دسته لوله قابل جابجایی، یک صفحه لوله ثابت در یک انتها، و یک سر شناور در انتهای دیگر برای تطبیق با انبساط دیفرانسیل و کاهش تنش است.
مبدل های حرارتی مارپیچی
یک مبدل حرارتی مارپیچی با چرخاندن دو نوار فلزی نسبتاً طولانی به دور یک سنبه ساخته میشود تا دو کانال مارپیچی متحدالمرکز را تشکیل دهد. کانال ها به طور متناوب در انتهای مخالف جوش داده می شوند تا یک کانال سرد و گرم را تشکیل دهند. جوشکاری کانال ها پتانسیل هرگونه آلودگی متقابل سیالات را از بین می برد و مشابه اتصال لوله به لوله و ورق جوش داده شده در مبدل حرارتی پوسته و لوله است.
از یک طرف، سیال داغ وارد نازل مرکزی پوشش داغ می شود و به صورت مارپیچی به سمت بیرون به سمت نازلی در یک هدر محیطی جریان می یابد. سیال سرد به طور همزمان وارد یک هدر محیطی می شود و بر خلاف جریان سیال داغ به سمت نازل مرکزی روی پوشش جانبی سرد جریان می یابد. سرهای پوششی قابل جابجایی با واشرهای تمام وجهی برای آب بندی انتهای باز کانال ها و جلوگیری از دور زدن سیال مربوطه از هدر محیطی به نازل های مرکزی استفاده می شود. سرها به راحتی جدا می شوند تا امکان دسترسی به تمام سطوح انتقال حرارت فراهم شود.
تک کانال های جریان مخالف به دلیل تلاطم بالا و اثرات جریان ثانویه (جریان های گردابی و گرداب ها) ضرایب انتقال حرارت همرفتی فوق العاده بالایی را ارائه می دهند. تک کانال همچنین پتانسیل ایجاد رسوب را به حداقل می رساند زیرا هرگونه تجمع در کانال منجر به افزایش سرعت محلی در آن نقطه می شود، عملی که تمایل به تخلیه رسوب دارد. هنگامی که یک مبدل حرارتی مارپیچی نیاز به تمیز کردن دارد، تمام سطوح انتقال حرارت با برداشتن ساده سرها به راحتی قابل دسترسی هستند.
مبدل های حرارتی مارپیچی به ویژه برای جابجایی لجن ها، مایعات در حالت تعلیق از جمله دوغاب ها و طیف وسیعی از سیالات چسبناک موثر هستند. طراحی و ساخت آنها آنها را برای کنترل ویسکوزیته مناسب میسازد، یک پارامتر حیاتی در هنگام استفاده از سیالات ساینده یا خورنده. مبدل حرارتی مارپیچی به عنوان کندانسور و اواپراتور نیز استفاده می شود.
مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی صفحه ای شامل یک سری صفحات آلیاژی نازک و موجدار است که در داخل یک قاب فولادی کربنی به هم فشرده شده و واشر شده اند. پس از فشرده شدن، بسته صفحه آرایشی از کانال های جریان موازی را تشکیل می دهد. دو سیال (سرد و گرم) در کانال های متناوب به صورت متضاد با یکدیگر جریان می یابند. هر صفحه دارای یک واشر برای هدایت جریان، آب بندی واحد و جلوگیری از اختلاط سیال است. مبدل های حرارتی صفحه ای اغلب در طیف گسترده ای از کاربردهای گرمایش و سرمایش در صنایع شیمیایی، پتروشیمی، نفت، خمیر و کاغذ و صنایع دارویی و همچنین در بسیاری از کاربردهای تصفیه فاضلاب یافت می شوند.
انتخاب مناسب مواد واشر برای عملکرد قابل اعتماد مبدل های حرارتی صفحه ای مهم است. برای نزدیک به 60 سال، این واحدها عمدتاً از واشرهای الاستومری برای آب بندی واحد، هدایت جریان و جلوگیری از اختلاط سیال استفاده می کردند. الاستومرهای رایج امروزه از سه ماده اصلی استفاده میشوند: نیتریل، ترپلیمر اتیلن پروپیلن دی ان (EPDM) و ویتون. نیتریل رایج ترین است و برای مایعاتی مانند آب، روغن ها و مواد غذایی مناسب است. EPDM برای سیالاتی مانند آب، بخار ، اسیدهای رقیق، آمین ها و قلیایی های قوی استفاده می شود. ویتون گرانترین ماده است و معمولاً برای سیالات تهاجمی مانند اسیدهای غلیظ و برخی روغنهای نفتی استفاده میشود.
نظریه انتقال حرارت پایه
طراحی هر مبدل حرارتی با معادلات زیر کنترل می شود.
Q =U 3 A 3 (f 3 LMTD)
جایی که:
Q= نرخ انتقال حرارت، Btu/hr (وظیفه)
A = منطقه انتقال حرارت خالص، فوت مربع (مساحت سطح)
U=ضریب انتقال حرارت کلی
(Btu/hr 3 ساعت 3 فوت مربع 3 درجه فارنهایت)
f=LMTD ضریب تصحیح برای
جریان غیر ایده آل (بدون بعد)
LMTD = اختلاف میانگین دما، درجه فارنهایت
هدف به حداقل رساندن سطح مورد نیاز، و در نتیجه هزینه، یک مبدل حرارتی معین است.
با بیان مجدد معادله برای حل A به دست می آید:
A = Q/U 3 (f 3 LMTD)
منطقه انتقال حرارت با به حداکثر رساندن مقدار U و LMTD برای یک وظیفه انتقال حرارت معین به حداقل می رسد. با بررسی بخشهای مختلف این معادله، نیاز یا وظیفه انتقال حرارت معمولاً توسط کاربر تعریف میشود. این به عنوان تمایل به گرم کردن یا خنک کردن سرعت جریان مشخصی از سیال به میزان معین بیان می شود. وظیفه به این صورت محاسبه می شود:
Q = M 3 C
پ
3 DT
جایی که:
M = سرعت جریان سیال، پوند در ساعت
سی
پ
= گرمای ویژه سیال، Btu/lb/deg F
DT = تغییر دمای سیال، درجه فارنهایت
LMTD به صورت زیر محاسبه می شود:
DT
1
– DT
2
تقسیم بر L
n
3 DT
1
/DT
2
می توان از میانگین حسابی استفاده کرد، اما اثر بازده کاهشی ناشی از رویکردهای دمای نزدیک را در نظر نمی گیرد (شکل بالا را ببینید). به طور کلی، جریان مخالف بیشترین مقدار LMTD را با جریان همزمان کوچکترین می دهد. در اکثر تجهیزات پوسته و لوله، جریان در واقع ترکیبی از هر دو است و ممکن است اصلاحی تا 30 درصد از مقادیر جریان مخالف ایده آل محاسبه شده مورد نیاز باشد.
ضریب انتقال حرارت کلی، یا مقدار U، به عنوان مجموع مقاومت های مختلف در برابر انتقال حرارت که ممکن است با آن مواجه شود محاسبه می شود. شکل اصلی آن این است:
1/U = 1/h
داغ
+ Rf
داغ
+ t/k + Rf
سرد
+1/h
سرد
جایی که:
h = ضریب فیلم جداگانه (چقدر سیال در انتقال گرمای خود به دیوار موثر است)
Rf = مقاومت در برابر رسوب، به عنوان ضخامت لایه رسوب تقسیم بر هدایت حرارتی مواد رسوب گیر اندازه گیری می شود.
t/k = مقاومت سطح انتقال حرارت، به عنوان ضخامت دیوار تقسیم بر رسانایی حرارتی مواد دیوار اندازهگیری میشود، همه واحدها فوت مربع/ساعت/ درجه F/Btu هستند.
راه برای به حداکثر رساندن ضریب انتقال حرارت کلی، U، با به حداکثر رساندن ضرایب انتقال حرارت فردی، h، و با به حداقل رساندن مقاومت ناشی از رسوب، Rf است. ضرایب فیلم تحت تأثیر خواص فیزیکی سیالات (ویسکوزیته، هدایت حرارتی و گرمای ویژه) و درجه تلاطم سیال است. هم مبدل های حرارتی صفحه ای و هم مارپیچی، اثربخشی انتقال حرارت را با القای تلاطم در سیال افزایش می دهند (تصویر بالا، سمت راست را ببینید).
مقاومت در برابر رسوب، Rf، با محدود کردن رسوب روی سطح انتقال حرارت به حداقل می رسد. این شرایط در درجه اول توسط تنش برشی دیوار کنترل می شود. باز هم، هر دو مبدل حرارتی صفحه ای و مارپیچی تنش های برشی دیواره ذاتاً بالاتری نسبت به تجهیزات لوله ای معمولی دارند. به طور کلی برای افت فشار مساوی، مبدل های حرارتی صفحه ای و مارپیچی به ترتیب 16 و 4 برابر تنش برشی دیواره بیشتری دارند. علاوه بر این، مارپیچ ها دارای مزیت افزوده شده به عنوان یک دستگاه تک کانال هستند که همچنین تمایل به رسوب گیری سیالات را به حداقل می رساند.
مبدل های حرارتی صفحه ای و مارپیچی به دلیل تنش های برشی بالا، تلاطم القایی و مسیرهای جریان مخالف، در بهینه سازی قابلیت های انتقال حرارت تجهیزات به خوبی عمل می کنند.
اطلاعات بخش تئوری انتقال حرارت توسط آلفا لاوال ارائه شده است.
راهنمای منابع مبدل حرارتی
برای اطلاعات بیشتر در مورد مبدل های حرارتی،
