مبدل حرارتی چیست ؟

[aparat id=”1q9iv”]

مبدل حرارتی چیست ؟ مبدل حرارتی از تجهیزات بسیار پر کاربرد در موتورخانه به شمار می رود . از این وسیله برای تبادل حرارت در بین دو یا چند سیال استفاده می شود. از طرفی در مبدل های حرارتی این قابلیت وجود دارد که تبادل حرارتی میان یک سیال مایع و گاز و هم چنین هر دو مایع صورت بپذیرد در واقع می توان در این خصوص می توان این طور گفت که مبدل حرارتی گرما را بین دو سیال منتقل می کند .به طور کلی از کاربرد مبدل حرارتی می توان در انواع صنایع تبرید، پتروشیمی، نیزوگاه های تولید برق، نفت و گاز، سیستم های تهویه مطبوع و …. اشاره کرد. مبدل حرارتی عنصر اساسی در سیستم گرمایشی مانند پکیج و موتورخانه محسوب می شود زیرا در تاسیسات گرمایشی ساختمان به صورت پیوسته باید آب گرم مصرفی داخل ساختمان را تامین کند.

نحوه کار مبدل حرارتی

با توجه به معنای لغوی مبدل حرارتی میتوان متوجه شد ، نحوه کار مبدل حرارتی به این صورت است که گرما را از یک محیط به خود جذب می کند و سپس گرمای جذب شده را به محیطی دیگر منتقل می کند. در واقع بدون استفاده از یک مبدل حرارتی بسیاری از فرآیندهای صنعتی امکان پذیر نخواهد بود . از آنجایی که  انتخاب نوع خاصی از آن به ماهیت سیال کاری ، فشار ، دما ، نرخ انتقال حرارت مورد نیاز بستگی دارد مهم است که اصول کار اساسی یک مبدل حرارتی را درک کنید تا بتوانید با توجه به نوع فعالیتتان انتخاب آگاهانه تری داشته باشید. بر همین اساس در این مقاله می خواهیمبه بررسی مبدل حرارتی بپردازیم پس تا پایان مقاله همراه ما باشید .

نحوه محاسبه مبدل حرارتی

در مبدل های حرارتی مهم ترین بخش و مرحله مربوط به انجام محاسبات آن می باشد تا در طی انجام آن بتوانید مشخصات آن را تعیین کنید . بر همین اساس در انجام محاسبه مبدل حرارتی یک سری فاکتور و نکته وجود دارد که باید به آن ها توجه نمود که در این جا به بررسی آن ها پرداخته ایم .

• عمدتاً در مبدل های حرارتی دو سیال در جریان قرار می گیرد یک سیال دارای دمایی پایین و دیگری سیال دارای دمای بالا ، بر همین اساس مقدار دبی سیالات دو قسمت سرد شونده و گرم شونده را به طور دقیق اندازه گیری کنید .

• به طور کلی با توجه به نوع مبدل حرارتی سیالات به شکل بخار ، مایع و نیمه مایع می توانند در مبدل حرارتی در جریان قرار بگیرند . با توجه به این موضوع نوع سیال ، چه در بخش گرم شونده و چه در بخش سرد شونده باید تعیین و به ویژگی های شیمیایی آن ها توجه شود ؛ زیرا این فاکتور بر روی جنس و راندمان و محاسبات تأثیر بسیار زیادی دارد .

• در پروژه ای که می خواهید از مبدل حرارتی استفاده کنید ، ظرفیت مورد نیاز خود را تعیین نمایید .

• اندازه گیری دقیق و تعیین دمای سیال ورودی به مبدل حرارتی و میزان دمای مورد نیاز سیال در زمان خروج از مبدل حرارتی مهم می باشد .

• عمدتاً در مبدل های حرارتی می توان از یکی از این سه آرایش جریان ، چون متقاطع ، همسو و ناهمسو استفاده کرد که هر کدام با توجه به شکل جریان خود از میزان راندمان متفاوت برخوردار است به طور مثال در آرایش جریان نا همسو در بیشتر مواقع شاهد میزان راندمان بالایی هستیم . بر همین اساس تعیین نوع آرایش جریان سیالات نسبت به هم می تواند در برخی محاسبات تأثیر گذار باشد .

• تعیین شرایط حاکم بر محیطی که قرار است مبدل حرارتی در آن جا قرار بگیرد .

• و … .

با توجه به مواردی که گفته شد ، با تعیین و توجه نمودن به آن ها یک سری اعداد به دست می آید که با قرار دادن آن ها در فرمول های مختلف می توانید محاسبات مربوط به مبدل حرارتی را انجام دهید که در ادامه برخی از فرمول های از پیش آماده شده را برایتان شرح داده ایم :

به منظور تعیین حرارت انتقالی بین سیالات به صورت کلی می توانید از فرمول زیر استفاده نمایید :

Q=U*A* ∆T

U : ضریب انتقال حرارت

A : سطح انتقال گرما

Tm : اختلاف میانگین دما

برای محاسبه ی ضریب انتقال حرارت به شکل کلی از فرمول زیر استفاده نمایید :

U = ضریب انتقال حرارتی به صورت کلی بر اساس سطح آن

A = ضریب انتقال حرارتی به صورت کلی بر اساس سطح آن

Rt = میزان مقاومت حرارت به صورت کلی

از دیگر فرمول های بسیار مهم در خصوص مبدل های حرارتی فرمول اندازه گیری راندمان مبدل حرارتی است که می توانید از فرمول زیر استفاده نمایید .

راندمان مبدل حرارتی =  

به غیر از این موارد ، فرمول های تخصصی تر دیگری نیز در خصوص مبدل های حرارتی وجود دارند که می توانید با مراجعه به دفترچه راهنما ، تکنسین های مربوط به این حوضه و … در رابطه با آن ها اطلاعات کسب کنید .

انواع مبدل حرارتی

تی از نظر مدل و ساختار دارای انواع مختلف می باشند که هر کدام با توجه به نوع ساختار از کاربرد و نحوه عملکرد متفاوتی برخوردار می باشد . بیشترین مبدل های قابل استفاده در صنعت شامل مبدل حرارتی پوسته و لوله و مبدل های صفحه ای است که در ادامه به بررسی بیشتر آنها می پردازیم:

• مبدل حرارتی پوسته و لوله : همان طور که گفته شد مبدل پوسته و لوله یکی از پر کاربرد ترین انواع مبدل ها به شمار می رود این مبدل از دو قسمت پوسته و لوله تشکیل شده که پوسته آن از جنس آهن و یا استیل است و لوله ها نیز از جنس مس هستند . در صورت تبادل حرارتی میان دو سیال یک سیال در درون لوله ها و سیال دیگر در داخل پوسته و در پیرامون لوله ها در جریان میباشند و حرارت از طریق دیواره ی لوله ها از سیالی به سیال دیگر منتقل می شود . در این مبدل ها توصیه می شود تا از سیستم های کاهش سختی در ورودی ها استفاده شود چرا که با توجه به تبادل حرارت ، امکان افزایش تشکیل رسوبات وجود دارد. از مبدل های پوسته و لوله اغلب در پالایشگاه ها، تبادل حرارت د ر سیستم های سرمایشی و گرمایشی، کاهش دمای روغن، در صنایع غذایی، مولد های بخار در نیرو گاه ها، پیش گرمکن ها استفاده می شود.

• مبدل حرارتی دو لوله ای : این نوع از مبدل ها از دو لوله که هم مرکز با مقطع دایره است و درون یکدیگر قرار گرفته اند، تشکیل شده است. یکی از سیالات در لوله خارجی و دیگری در لوله ی داخلی قرار گرفته است. جهت جریان در این مبدل ها خلاف یکدیگر هستند و برای رسیدن به سطح تبادلی بالا در این نوع از مبدل ها سطح لوله ی داخلی را به صورت آجدار می سازند که موجب افزایش راندمان و همچنین کاهش سرعت جریان می شود . به طور کلی از این نوع مبدل ها در زمانی که سطح تبادل حرارتی کمی احتیاج باشد ، استفاده می شود و قیمت این مبدل ها بسیار مناسب و پایین بوده و به دلیل نوع ساختار که دارند ریسک گرفتگی نیز در آن ها نسبت به دیگر مبدل ها بسیار کم است .

• مبدل های هوا خنک : این مبدل ها از یک یا چند کویل و یک یا چند فن تشکیل شده اند . در این نوع مبدل هوای ازاد از طریق فن در پیرامون کویل ها به گردش در می آید و ذرات هوا با سطح داغ لوله و پره های کویل برخورد کرده و حرارت از سیال داغ گرفته می شود و موجب گرم شدن هوا می گردد. از مبدل های هوا خنک می توان در سیستم های تهویه مطبوع، صنایع شیمیایی، نفت ، گاز، نیروگاه برق، صنایع پتروشیمی، دارو سازی، صنایع غذایی استفاده کرد.

• مبدل حرارتی صفحه ای: مبدل های صفحه ای دارای تعدادی plate یا صفحه هستند که به صورت موازی به یکدیگر متصل شده اند و همچنین دارای یکسری کانال برای عبور سیال می باشند . جنس این صفحات از استنلس استیل است که باعث می شود مقاومت بالایی داشته و تبادل حرارتی نیز در سطح بالایی صورت بپذیرد .

از آن جایی که مبدل حرارتی صفحه ای یکی از مهم ترین و پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی می باشد در ادامه به صورت مفصل تمامی موارد مربوط به آن را بررسی می کنیم .

انواع مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار: از مبدل های واشر دار معمولا در ظرفیت های بالا استفاده می شود. در این مبدل ها بین ها صفحات واشرهایی از جنس لاستیک طبیعی وجود دارد و وظیفه ی آب بندی را به عهده دارند. اتصالات ورودی و خروجی اغلب از نوع رزوه ای ، جوشی و یا فلنچی می باشد. سیال در مبدل های صفحه ای به صورت یکی در میان یعنی یکی گرم و دیگری سیال سرد عبور می کند. در این نوع مبدل حرارتی صفحه ای سایز ورودی و خروجی سیال گرم تر بزرگ تر از سایز ورودی و خروجی سیال سرد تر می باشد و دلیل این امر انبساط است.

مبدل حرارتی صفحه ای جوشی : از این نوع مبدل ها اغلب در ظرفیت های پایین استفاده می شود و امکان تعویض و کم و زیاد کردن صفحات وجود ندارد .

سرویس مبدل حرارتی صفحه ای

از آن جایی که تمیز بودن مبدل حرارتی بسیار مهم است برای سرویس های دوره ای مبدل های حرارتی صفحه ای باید به یک سری نکات مهم توجه داشته باشید به طور مثال :

• در ابتدا برای تمیز کردن مبدل حرارتی صفحه ای باید حتما دستگاه خاموش باشد و همچنین دمای دستگاه زیر ۴۰ درجه سانتی گراد باشد.

• مبدل حرارتی همیشه باید تمیز و فاقد هر گونه رسوی و گرفتگی باشد چرا که ذرات آلوده و آلاینده ها در داخل مبدل حرارتی باعث می شود که جریان سیال کم شود و در نتیجه باعث افت بازدهی و کاهش عمر مبدل حرارتی می گردد.

• در صورتی که یک صفحه از مبدل حرارتی صفحه ای شما نیاز به تعویض داشته باشد، مابقی صفحات نیز باید از هم جدا گردند برای اینکه آسیب کمتری بر اثر نشتی مبدل حرارتی صورت گیرد بهتر است که فرآیند سفت کاری اتصالات سالی یکبار انجام شود تا از این آسیب جلوگیری شود.

• در صورتیکه از مبدل حرارتی در یک مدتی استفاده نمی شود بهتر است که توجه کنیم که داخل آن آب وجود نداشته باشد و اینکه مبدل حرارتی باید در معرض دمای زیر صفر درجه سانتی گراد قرار گیرد چرا که از یخ زدن مبدل و تغییر شکل دادن آن جلوگیری شود.

نکته : در زمان سرویس های دوره ای مبدل حرارتی نیز باید حتما آسیب های احتمالی و یا خوردگی و بازبینی اتصالات و قاب انجام گیرد.

نکاتی برای استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای

در زمان استفاده از مبدل حرارتی مهم ترین کار این است که واشرهای موجود در مبدل ها را سفت ببندیم چرا که سبب جلوگیری از آسیب خوردن و نشتی در مبدل حرارتی می شود و در صورت خرابی راحت تر می توان آن را ترمیم کرد.

در مبدل حرارتی صفحه ای ، صفحات با فاصله کم در کنار یکدیگر قرار گرفتند چرا که انتقال حرارت راحت تر صورت می گیرد به همین دلیل این امکان وجود دارد که ذرات و آلاینده ها بزرگتر از ۵/۰ میلی متر در بین صفحات گیر کند و صفحات دچار گرفتگی شوند بنابراین نیاز است تا به صورت مرتب و دوره ای مبدل های حرارتی صفحه ای جرم گیری شوند. به منظور جلوگیری از ورود ذرات و آلاینده ها به داخل صفحات مبدل حرارتی باید از صافی استفاده کنیم . از طرف دیگر توجه داشته باشید که هر چه سرعت جریان سیالات بیشتر باشد باعث می شود که ذرات راحت تر عبور کنند و از ته نشین شدن آنها جلوگیری می شود .

مزایای استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای

• از آن جایی که مجاری صفحات مبدل حرارتی باریک است باعث می شود تا بیشترین حجم سیال با صفحات در تماس باشند .
• به دلیل چین دار بودن صفحات و ایجاد آشفتگی در جریان آب، باعث می شود تا انتقال حرارت بین صفحات بیشتر شود.
• مبدل حرارتی صفحه ای این قابلیت را دارد که اختلاف دمای ورودی یک سیال و خروجی سیال دیگر را کمتر از ۱ درجه سانتی گراد حفظ کند و از این قابلیت می توان در راستای بهبود بخشیدن و بازیابی حرارت تجهیزات گرمایش استفاده کرد .

باید به این نکته توجه داشت که در مبدل حرارتی صفحه ای باید از تغییرات ناگهانی در فشار کارکرد جلوگیری به عمل آید. در واقع به دلیل اثر چکش آبی، بسته شدن ناگهانی یک شیر، و …. این امکان وجود دارد که تغییر فشار ناگهانی در سیستم بوجود آید . در صورت بروز تغییر فشار ، این تغییر نباید از ۷ کیلو پاسکال بر دقیقه بیشتر شود چرا که باعث ترکیدن یکی از واشرها و نشتی در سیستم می شود. به جهت جلوگیری از بروز این مشکلات در واقع باید از دمپر و شیرهای تخلیه استفاده شود تا تغییرات دمایی بوجود آمده در سیستم مبدل حرارتی به ۱۰ درجه سانتی گراد محدود شود.

قرار گیری مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل های حرارتی صفحه ای با توجه به نوع شرکت سازندشان و با توجه به ویژگی ها و مشخصاتشان می توان به شکل های گوناگون نصب و قرار داد :

حالت ایستاده : در بیشتر مواقع و پروژه ها مبدل حرارتی صفحه ای را به صورت ایستاده نصب می کنند .

حالت افقی: در صورت نصب به صورت افقی ، به این نکته توجه داشته باشید که لوله ها به سمت بالا باشند.

حالت افقی پهنا: نصب مبدل حرارتی صفحه ای به این شکل تنها در ظرفیت های قابل انجام شدن می باشد و در حالت خوابیده به بغل هم می توان مبدل حرارتی صفحه ای را نصب کرد.

نحوه لوله کشی مبدل حرارتی صفحه ای

آبسرد ورودی: آب سرد مصرفی ورودی به اتصال پایین سایز ۱ اینچ متصل می شود و نصب سختی گیر مغناطیسی و صافی بروی این خط ضروری است. آبگرم مصرفی خروجی: آبگرم تولید شده از مبدل به سمت مصرف کننده از اتصال ۱ اینچ و بالا خارج می شودو در این جا برای جلوگیری از آسیب به سیستم لوله کشی و مبدل صفحه ای باید بروی این خط حتما یک شیر اطمینان نصب شود .

آبگرم موتورخانه ورودی: آب گرم خروجی از دیگ شوفاژخانه به اتصال ۲ اینچ بالایی متصل می شود و بهتر است در خط از صافی  استفاده شود . آبگرم موتورخانه برگشتی: آب گرم موتورخانه پس از تبادل حرارتی و کاهش دما از اتصال ۲اینچ پایینی از مبدل صفحه ای خارج می شود و توسط پمپ به دیگ آبگرم فرستاده می شود .

اجزای تشکیل دهنده مبدل صفحه ای

• صفحه ابتدایی
• صفحه انتهایی
• مهره و واشر
• فاصله انداز
• میله راهنمایی پایینی
• میله راهنمایی بالایی
• بلبرینگ
• بوش گلویی
• صفحه ها

انواع جریان ورود و خروج سیال ها

در مبدل های حرارتی سیال ها به سه صورت جریان می یابند :

• همسو : در این نوع ، هر دو سیال به صورت موازی و هم جهت وارد مبدل می شوند و سپس به سمت خروجی هدایت می شوند در جریان همسو دمای سیال سرد با دمای سیال گرم خروجی برابر می باشد .

• غیر همسو : مانند جریان همسو سیالات به موازات هم هستند اما در خلاف جهت از مبدل عبور می کنند. در جریان غیر همسو میزان راندمان به نسبت جریان همسو بیشتر است و دمای سیال سرد خروجی از دمای سیال گرم خروجی بیشتر است.

• عمود بر هم : در این نوع جریان دو سیال مورد نظر به صورت عمودی و افقی با یکدیگر برخورد غیر مستقیم دارند و فرایند تبادل حرارتی به این شکل صورت می پذیرد .

انتخاب بهترین مبدل حرارتی

در زمان خرید مبدل حرارتی توجه به یک سری فاکتور ها بسیار مهم و حائز اهمیت می باشد  تا محصول مورد نیاز خود را آگاهانه و مطمئن انتخاب و خریداری کنید به طورمثال :

• به هزینه نصب و نگهداری مبدل توجه داشته باشید .
• به فشار و دمای کاری مبدل توجه کنید.
• فاز دو سیالی را که قرار است تبادل حرارت انجام دهند را مشخص کنید .
• توجه به میزان خورندگی سیال توجه کرده و در زمان خرید مبدل آن را در نظر بگیرید .
• نوع مبدل (صفحه ای یا پوسته ولوله) بودن را مشخص کنید .
• مشخص کردن جنس مبدل (آلومینیوم،استیل، مس، کربن)
• و … .