مقالات آموزشی

مبدل حرارتی Het Exchange

مبدل حرارتی

مبدل حرارتی Het Exchange

مبادله کننده انتقال حرارت بین دو سیال یا دو عامل گرمادهنده و گرما گیرنده مبدل حرارتی نامیده می شود. مبدل های حرارتی یکی از تجهیزات پرکاربرد در صنایع مختلف است از جمله نیروگاه ها،پتروشیمی،صنایع غذایی،تهویه مطبوع و بازیابی گرمای هدر رفته میباشد. علاوه بر مصارف صنعتی در سایر بخش ها نظیر مسکونی و اداری نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

دسته بندی مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی را می توان عموما از جنبه های مختلف نظیر سطح تماس سیال سرد و گرم، مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم ، ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها تقسیم بندی کرد.

بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم

الف) مبدل های حرارتی نوع Recuperative

در این مبدل سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت می گیرد. اکثر مبدل های موجود در صنعت از این دسته ها هستند.

ب)مبدل های حرارتی نوع Regenerative

در این مبدل ، سطح و یا عامل انتقال حرارت از سیال گرم به سرد ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت هایی از سطح جداکننده در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می گیرند. در این نوع مبدل ها همواره حداقل دو عامل انتقال دهنده ی انرژی وجود دارند.

بدین صورت که عامل انتقال حرارت بین دو سیال به عنوان ذخیره سازانرژی حرارتی می باشد. ابتدا سیال گرم کننده از روی عامل انتقال انرژی عبور کرده و انرژی خود را به آن می دهد و پس از مدتی مسیر سیال گرم کننده عوض شده و از بخش دوم عامل انتقال عبور خواهد کرد و سیال گرم شونده از روی بخش اول عامل گرم شده عبور می کند بدین صورت به وسیله این عامل انرژی حرارتی از سیال گرم کننده به سیال گرم شونده انتقال می یابد و باید به صورت متناوب مسیر سیال عوض شده ، این عمل تکرار شود. در واقع جهت جریان، عکس جهت قبلی خواهد شد و این مسیر، بسته به طرح جا به جا خواهد شد. با توجه به شکل فوق ، با بسته بودن شیرهای v1،v3،v5 هوای احتراق از طریق شیر v2 وارد مبدل H1 شده، هوای احتراق پیش گرم می شود و نهایتا به همراه سوخت وارده از V6 به محفظه احتراق می رود. محصولات احتراق نیز پس از عبور از مبدل H2 و گرم کردن آن از طریق شیر V4 وارد دودکش می شود. پس از مدتی مسیر جریان عوض شده شیرهای V6،V4،V2 بسته شده هوای سرد از شیر V3 وارد مبدل H2 شده هوای احتراق پیش گرم می شود و نهایتا همراه سوخت وارده از V5 به محفظه احتراق می رود، محصولات احتراق نیز پس از عبور از مبدل H1 و گرم کردن آن از طریق شیر V1 وارد دودکش خواهد شد.

این نوع مبدل ها بیشتر در کوره هایی با دمای بالای ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار می گیرند. مانند کوره های ذوب شیشه و کوره های ذوب فلزات

ج)مبدل های حرارتی نوع تماس مستقیم

در این نوع از مبدل های حرارتی، سیال سرد کننده و گرم کننده به طور مستقیم با هم در تماس می باشند بدین معنی که هیچ دیواره ای بین جریان های سرد و گرم وجود ندارد و تبادل انرژی یا حرارت به طور مستقیم انجام میگیرد. به طور مثال می توان به گرم کننده ی آب تغذیه دیگ های بخار اشاره کرد که در دو نوع باز و بسته طراحی می شوند. در مبدل باز سیال گرم کننده(بخار آب) در تماس با آب کندانس شده یا تغذیه ی بویلر در مبدل(open feed water heater) به طور مستقیم در تبادل حرارتی می باشد. دو ورودی بخار و مایع پس از انتقال انرژی به هم، به صورت فاز مایع با دمای بیشتر وارد بویلر بخار می شود. البته در تمام این نوع مبدل ها نیاز به اختلاط حتمی نمی باشد برای مثال می توان به مبدل حرارتی کولر آبی اشاره نمود که در آن آب به طور مستقیم از روی پوشال با هوا در تبادل حرارتی می باشد که در آن آب و هوا مخلوط نمی شوند.

مبدل ساخت آترون

از عمده ترین مبدل های ساخت آترون می توان اکونومایزر، رکوپراتور و مبدل های تامین آب گرم مصرفی را نام برد.

اکونومایزرEconomizer

اکونومایزر به معنای اقتصادی کننده است که در دیگ های روغن داغ به صورت مبدل حرارتی واترتیوب پره دار طراحی و ساخته می شود. این نوع مبدل ها را در دودکش دیگ های آب داغ ، دیگ های روغن داغ که دمای خروجی محصولات احتراق از دودکش بالای ۱۸۰ درجه سانتی گراد می باشد مورد استفاده قرار می دهند. همان طور که می دانیم سطوح انتقال حرارت (surface load) در دیگ ها ( دارای ۳پاس) به صورت زیر تقسیم می شوند:

  • پاس اول (کوره) تقریبا ۱۰% از سطح کل
  • پاس دوم تقریبا ۴۰% از سطح کل
  • پاس سوم تقریبا ۵۰% از سطح کل

در صورتی که انتقال حرارت از سطوح این ۳ پاس به صورت عکس اعداد فوق می باشد. یعنی:

  • انتقال حرارت از کوره تقریبا ۵۰% از کل انتقال حرارت
  • انتفال حرارت از پاس دوم تقریبا ۳۵% از کل انتقال حرارت
  • انتقال حرارت از پاس سوم تقریبا ۱۵% از کل انتقال حرارت

در واقع به دلیل بالا بودن ضریب انتقال حرارت در کوره (نوع انتقال حرارت، ترکیبی از تشعشعی و جابجایی) بیشترین انتقال حرارت از آن صورت می گیرد. در صورتی که در پاس دوم( نهایتا در پاس سوم) حداقل ضریب انتقال حرارت را خواهیم داشت. بنابراین با اضافه کردن مبدل حرارتی به صورت واترتیوب پره دار در سمت محصولات احتراق (اکونومایزر) باعث افزایش انتقال حرارت خواهد شد. با این تکنیک مقدار انتقال حرارت بیشتری را با هزینه کمتری صورت می دهیم. به همین دلیل به اکونومایزر اقتصادی کننده گویند. و این اقتصادی فقط مربوط به راندمان حرارتی نیست بلکه از نظر هزینه ی ساخت نیز به صرفه می باشد. در این نوع مبدل لوله ها نسبت به هم به صورت موازی با چند پاس گردشی هستند. جنس لوله های مصرفی آن از نوع بدون درز آتشخور از جنس DIN17155-17MN4  ساخت بهترین کمپانی های اروپایی و فولاد مصرفی مناطق غیر تحت فشار ، از جنس DIN17155-17MN4 می باشد.

بدنه مبدل اکونومایزر به وسیله الیاف سرامیکی با دانسیته ۱۲۸g\m عایق کاری شده و با ورق گالوانیزه رنگی یا استنلس استیل کاور می شود.

رکوپراتور Recuperator

رکوپراتورها یا بازیافت کننده انرژی ، یک نوع مبدل حرارتی گاز به گاز می باشند که معمولا در خروجی محصولات احتراق از بویلرها و یا تجهیزاتی که دمای خروجی محصولات احتراق از آن دستگاه قابل ملاحظه باشد، قرار داده می شوند. مانند دیگ های آب داغ، دیگ های بخار، دیگ روغن داغ، کوره های صنعتی، نیروگاه های گازی ودیزلی و …

رکوپراتورها در واقع نوعی اکونومایزر می باشند که به جای پیش گرم کردن آب، هوای احتراق را پیش گرم می کنند. عملا تمام توضیحاتی که در بخش اکونومایزر داده شده است در رکوپراتور نیز حاکم بوده است و شانس راندمان بیشتر نیز در آن وجود دارد که علاوه بر افزایش بازده به طور مستقیم ، غیر مستقیم نیز بازده را افزایش می دهد. قابل ذکر است که فشار کاری رکوپراتورها فشار اتمسفر می باشد.

بدنه مبدل رکوپراتور همانند اکونومایزر به وسیله الیاف سرامیکی با دانسیته ۱۲۸g\m  عایق کاری شده و با ورق گالوانیزه رنگی یا استنلس استیل کاور می شود.

مبدل های تامین آب گرم مصرفی

از مبدل های تامین آب گرم مصرفی می توان به منبع دو جداره آب گرم، منبع کوئل مسی، مبدل حرارتی صفحه ای، مبدل پوسته و لوله و مبدل کوئلی اسپیرال اشاره نمود. مبدل های ساخت شرکت آترون عمدتا مبدل پوسته و لوله از نوع اسپیرال می باشند و بر اساس استاندارد هایی معتبر بین المللی نظیر طراحی و ساخته می شوند. در طراحی مبدل های حرارتی از نرم افزارها MICRO PV,PROTOL 9 FINGLOW,HTFS,jACK-B با لحاظ تحمل فشار و عمر مفید و مقاوم در مقابل خوردگی و… می تواند استفاده شود. راحتی تمیز کردن، لحاظ شدن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها، بکارگیری کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنها از اهداف طراحی مبدل ها است.

معمولا سیال های عامل مبدل های حرارتی، آب گرم، آب داغ، بخار آب، سوپرهیت، هوا ، انواع گازها و مواد خورنده (بخش شست و شوی خطوط روکش ، رنگ، لعاب و یا گالوانیزه روی فلزات)… است. جنس لوله ها و پوسته را با توجه به نوع سیال عامل و شرایط دمایی از موارد زیر می توان انتخاب کرد:

مس، آلمینیوم، فولاد(فولاد های ساختمانی، فولادهای ضد زنگ، فولاد های مقاوم در مقابل حرارت و فولاد های مقاوم در مقابل اسیدها) آلیاژ نیکل کروم و مواد پلیمری.

مبدل های حرارتی با کیفیت بالا و درجه ایمنی با انجام انواع آزمایشات مختلف نظیر تست ها و آزمون های مربوط به جوش و فشار آزمون با ۱.۵ برابر فشار طراحی، و استفاده از تجهیزات کنترل کیفی ممکن می شوند.

منبع دو جداره آب گرم

منبع دو جداره یک منبع استوانه ای می باشد که در جداره بیرونی استوانه، ژاکت آب دارد. بدین صورت که سیال گرم کننده (بخار آب، روغن داغ و…) به جداره بیرونی رفته و از آنجا آب منبع داخلی را گرم میکند. منابع دو جداره در ظرفیت های مختلف بسته به نیاز ساختمانها (نهایتا چهار واحد، بیشتر از این توجیه اقتصادی ندارد.)طراحی و ساخته می شوند. معمولا بالاترین حجم این نوع مبدل ۳۰۰۰ لیتر است و توان حرارتی نسبتا پایینی دارد. در طی روز آب گرم مصرفی مورد نیاز را گرم و ذخیره می کند اما در صورتی که مصرف آب گرم پیوسته باشد پاسخگو نخواهد بود. جنس ورق آن از آهن گالوانیزه بوده و ضخامت جدار بیرونی از جدار داخلی کمتر می باشد.

منبع کوئلی مسی Coiled Hot Water Generator

منابع کوئل دار همانند منبع دو جداره است با این تفاوت که از کویل مسی به جای ژاکت برای گرم کردن آب استفاده می شود. این نوع مبدل به صورت عمودی یا افقی طراحی می شود براساس استاندارد ASME ساخته می شود و دوام خوبی دارد. نصب و راه اندازی دستگاه ساده بوده می توان با شیر آلات مورد نیاز به صورت کامل عرضه گردد و از نظر اقتصادی جهت استفاده در مراکز مختلف به صرفه است.

مبدل حرارتی صفحه ایPlate Heat Exchanger

مبدل های حرارتی صفحه ای، از صفحات نازک که کانال های جریان را تشکیل می دهد ساخته می شوند. جریان های سیال ، توسط صفحات مسطح که به صورت صاف و یا موج دار هستند، از هم جدا می شوند. حجم کم ولی دبی آب مصرفی قابل ملاحظه ای خواهد داشت و توان تبادل حرارتی بالایی دارد. رسوب گیری و نیاز به شستشوی مداوم از جمله معایب این نوع مبدل ها بوده که ناشی از فاصله کم بین صفحات است.

مبدل پوسته و لوله Shell & Tube

این مبدل ها برای انتقال حرارت بین گاز، مایع یا جریان های دو فاز استفاده می شوند. هزینه مناسب ساخت و تعمیر آسان در کنار کارایی مناسب از جمله مزایایی است که باعث شده این نوع مبدل ها ، یکی از پر مصرف ترین انواع مبدل های حرارتی باشد. جنس مبدل های حرارتی پوسته و لوله بر حسب نوع سیال و خورندگی سیال جاری در آن انتخاب می شود. معمولا جنس بدنه را از نوع کربن استیل، استنلس استیل و یا برنج و جنس لوله های داخلی آن را از نوع مس، استنلس استیل، کربن استیل ، برنج و … انتخاب میکنند اساس انتخاب جنس مبدل متناسب با نوع دو سیال جاری در آن و محاسبه سطوح انتقال حرارت (surface load) بر اساس مقادیر دبی، دما ها و فشار های ورودی و خروجی دو سیال صورت می پذیرد. مبدل های پوسته و لوله معمولا برای دو سیال هم نوع از نوع مایع به کار می روند.

منبع کوئلی اسپرال  Spiral Coil heat exchanger

ساختمان این مبدل بدین شکل است که لوله ها در داخل پوسته قرار گرفته که آن را به شکل مارپیچ می توان در آورد. برای تامین آب گرم مصرفی از منبع کوئلی اسپیرال به جای منابع دو جداره و منابع کوئلی مسی استفاده می شود. از مزیت منبع کوئلی اسپیرال به نسبت منبع کوئلی مسی پاسخ گویی در دبی و ظرفیت های بالا را می توان بیان کرد و این که آب ورودی می تواند به راحتی به دور کوئل چرخیده و گرم شود. با توجه به این که بیشترین مقدار انتقال حرارت در جریان غیر همسو منجر می شود ، سیال گرم از مرکز وارد شده و به صورت مارپیچی بعد از عبور از کانال از قسمت محیطی خارج میگردد و به همین ترتیب سیال سرد ازمحیط مبدل وارد شده و از مرکز خارج می شود. در نتیجه این نوع مبدل میزان انتقال حرارتی بالایی می دهد. سیال عامل مورد استفاده (روغن داغ، بخار یا آب داغ) مستقیما وارد کوئل شده و در تمامی محیط جریان پیدا می کند تا از آن خارج گردد.

این نوع مبدل ها قابلیت طراحی و ساخت در فشار های کاری مختلف را دارا می باشند و عموما برای فشار های کاری ۵bar,8bar,10bar,16bar طراحی و ساخته می شود. امکان استفاده از کوئل های استنلس استیل، مسی و کربن استیل با پوشش های گالوانیزه یا اپوکسی وجود دارد. فولاد مصرفی بدنه از ورق مخصوص مخازن تحت فشار مطابق استاندارد ۱۷MIN 4,DIN 17155 و نهایتا عایق کاری با پشم سرامیک و پوشش گالوانیزه یا ورق استنلس استیل پوشش می شود.

به دلیل فاصله مناسب میان کوئل ها و توزیع یکنواخت کوئل در کل حجم مخزن، امکان تشکیل رسوب و آسیب رسیدن به کوئلها به حداقل می رسد. جهت سرویس و اسید شویی یک دریچه آدم رو( manhole) و فلانج تخلیه بر روی مخزن تعبیه شده است.

مبدل حرارتی اسپیرال در صنایع مختلف از جمله صنایع شیمیایی، کاغذ، نساجی، نفت، گاز، ذغال سنگ، صنایع غذایی…. و نیز برای تهیه آبگرم بهداشتی برای مصارف عمومی کاربرد دارد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.