در این مقاله، با انواع مبدل حرارتی شامل پوسته و لوله، صفحهای، دو لولهای و هواخنک آشنا میشوید، روشهای جریان سیال در آن بررسی میشود و نکات کلیدی برای انتخاب مناسبترین مبدل برای هر کاربرد صنعتی ارائه خواهد شد
انواع مبدل حرارتی از نظر ساختار
انواع مبدل حرارتی (Types of heat exchangers) نقش تعیینکنندهای در کنترل انتقال حرارت، افت فشار و پایداری عملکرد دارند. انتخاب و طراحی نادرست این تجهیزات میتواند منجر به بروز مسائلی مانند فولینگ زودهنگام، محدودیتهای هیدرولیکی، تشدید خوردگی و کاهش بازده حرارتی کل سیستم شود. از این رو، تحلیل ساختار، آرایش جریان و شرایط کاری هر نوع مبدل، پیشنیاز تصمیمگیری صحیح در مرحله طراحی یا بهرهبرداری است. در متن زیر، انواع این مبدل شامل پوسته و لوله، صفحهای، دو لولهای و هواخنک از منظر ساختار، مسیرهای جریان و محدوده کاربرد بررسی میشوند تا مبنای مقایسهای روشن برای انتخاب گزینه مناسب در شرایط عملیاتی مختلف فراهم شود.
مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدلهای حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchangers) از جمله پرکاربردترین تجهیزات در صنایع مختلف برای انتقال حرارت بین دو سیال هستند. این مبدلها به دلیل سادگی در طراحی و عملکرد و همچنین نرخ تبادل حرارت بالا، از محبوبیت زیادی برخوردارند. سیالها میتوانند مایع یا گاز باشند و بدون تماس مستقیم، حرارت خود را با یکدیگر مبادله میکنند.
این مبدلها از یک محفظه استوانهای بزرگ (پوسته) ساخته میشوند که در داخل آن مجموعهای از لولهها با فاصله مشخص فشرده شدهاند. یک سیال در داخل لولهها و سیال دیگر در فضای بین لولهها و پوسته جریان مییابد. این دو سیال که یکی گرم و دیگری خنک است، از طریق دیوارههای لوله حرارت را مبادله میکنند. این چرخه تبادل حرارت تا زمانی که اختلاف دما وجود داشته باشد، ادامه پیدا میکند.
مبدلهای حرارتی صفحهای
در مبدل حرارتی صفحهای، صفحات فلزی نازک با سطح موجدار روی هم چیده میشوند تا فرایند انتقال حرارت با راندمان بالا انجام شود. این صفحات به گونهای کنار هم قرار میگیرند که کانالهای جریان مجزایی برای عبور دو سیال گرم و سرد ایجاد کنند. هر صفحه با واشرهایی آببندی میشود که وظیفه دارند سیالات را از یکدیگر جدا کرده و از نشت آنها به بیرون جلوگیری کنند. این صفحات بین دو صفحه فلزی انتهایی قرار گرفته و با پیچ و مهره به یکدیگر محکم میشوند.
جریان سیالات در این کانالهای باریک باعث ایجاد تلاطم (توربولانس) بالا میشود. این تلاطم، که نتیجه قطر هیدرولیکی کوچک کانالها است، تا حد زیادی ضریب انتقال حرارت را افزایش میدهد. با این حال، تلاطم بالا منجر به افت فشار نسبتا زیاد نیز میشود.
مبدلهای دو لولهای
مبدلهای حرارتی دو لولهای (Double Pipe Heat Exchangers) سادهترین نوع مبدلهای حرارتی صنعتی هستند که برای تبادل حرارت بین دو سیال (مایع یا گاز) به کار میروند. این مبدلها در واقع یک نوع مبدل پوسته و لوله کوچک به شمار میروند. نام این مبدل حرارتی از ساختار آن گرفته شده است که از دو لوله تشکیل شده که یکی دیگری را دربرگرفته است.
مبدل حرارتی دو لولهای از دو لوله هممرکز تشکیل شده است. یک سیال گرم یا سرد از درون لوله داخلی (لوله کوچکتر) و سیال دیگر از فضای بین دو لوله (لوله بیرونی) حرکت میکند. تبادل حرارت از طریق دیواره لوله داخلی صورت میگیرد که سطح انتقال حرارت را ایجاد میکند. برای افزایش سطح انتقال حرارت، معمولا لوله داخلی با فینگذاری بهبود مییابد.
جریان سیال در مبدل حرارتی دو لوله میتواند به صورت جریان موازی در یک جهت یا خلاف جهت یکدیگر باشد. به طور کلی دو نوع الگوی جریان سیال وجود دارد: همزمان یا مخالف. عملکرد این مبدل به این صورت است که سیال فرایندی داغ در لوله داخلی حرکت کرده و گرمای خود را به سیال خنککننده در لوله بیرونی منتقل میکند. این انتقال حرارت تا زمانی ادامه مییابد که شرایط تغییر کند. با تغییر دمای ورودی سیال، سرعت جریان، خواص و ترکیب سیال، میزان گرمای منتقل شده نیز تغییر میکند. برای افزایش سرعت انتقال حرارت میتوان از مبدل حرارتی دو لوله به صورت سری یا موازی استفاده کرد.
مبدل های هوا خنک یا همان فن دار
مبدلهای حرارتی هوا خنک که اغلب به آنها کولر هوایی (Air Cooler) یا درای کولر (Dry Cooler) نیز گفته میشود، نوعی از مبدلهای حرارتی هستند که از هوا به عنوان واسطه خنککننده استفاده میکنند. در این سیستم، هوای محیط توسط فنها به گردش درآمده و از روی لولههای حاوی سیال داغ عبور میکند تا حرارت را از آن سیال جذب کرده و به محیط منتقل کند.
ساختار مبدلهای حرارتی هوا خنک معمولا از یک دسته لوله پرهدار تشکیل شده است. این لولهها در دو انتهای خود به هدرهای مستطیلی متصل میشوند. سیال داغ در داخل این لولهها جریان دارد، در حالی که هوا توسط فنهایی که روی لولهها تعبیه شدهاند، از روی سطوح خارجی پرهدار لولهها دمیده یا مکیده میشود. حرکت هوا در این مبدلها از نوع متقاطع است. فنها میتوانند به صورت دمشی (Forced Draft) یا مکشی (Induced Draft) بر روی مبدل نصب شوند. در نوع مکشی، به دلیل ایجاد جریان یکنواختتر هوا روی پرهها و بهبود انتقال حرارت، معمولا عملکرد بهتری مشاهده میشود. هوای محیط پس از عبور از روی پرهها، گرمای سیال داخل لولهها را جذب کرده و گرمتر شده و در نهایت به محیط باز میگردد.
انواع مبدل حرارتی از حیث نظر مسیرهای جریان
مسیرهای جریان را میتوان به سه دسته اصلی موازی (Co-current)، متقابل (Counter-current) و متقاطع (Cross-flow) تقسیم کرد. هر یک از این آرایشها تاثیر متفاوتی بر عملکرد حرارتی و افت فشار مبدل دارند.
جریان موازی (Co-current Flow)
در این آرایش، هر دو سیال گرم و سرد در یک جهت و به موازات یکدیگر از مبدل حرارتی عبور میکنند. این نوع جریان در مبدلهای دو لولهای، پوسته و لوله و صفحهای دیده میشود.
در این حالت، سیال گرم و سرد از یک سمت وارد مبدل و در همان سمت نیز از مبدل خارج میشوند. اختلاف دما بین دو سیال در ورودی مبدل حداکثر است و به تدریج در طول مبدل کاهش مییابد تا در خروجی به حداقل خود برسد. این امر منجر به کاهش نرخ انتقال حرارت در طول مبدل و در نتیجه راندمان حرارتی پایینتر نسبت به جریان متقابل میشود. دمای سیال سرد در خروجی هرگز نمیتواند از دمای سیال گرم در خروجی بیشتر شود.
با توجه به راندمان حرارتی پایینتر جریان موازی، ممکن است برای دستیابی به انتقال حرارت مورد نظر، به سطح تبادل حرارت بزرگتری نیاز باشد. این امر به معنی ابعاد بزرگتر و هزینه بیشتر مبدل است. این آرایش معمولا زمانی مورد استفاده قرار میگیرد که نیاز به انتقال حرارت با اختلاف دمای زیاد در ابتدا باشد یا در مواردی که اختلاف دمای خروجی چندان بحرانی نباشد.
جریان متقابل (Counter-current Flow)
در این آرایش، سیال گرم و سیال سرد در جهتهای مخالف یکدیگر در مبدل حرکت میکنند. این نوع جریان از کارآمدترین آرایشها برای انتقال حرارت است و در انواع مختلف مبدلها از جمله دو لولهای، پوسته و لوله و صفحهای کاربرد دارد.
در جریان متقابل، سیالات از جهتهای مخالف وارد مبدل شده و در جهتهای مخالف نیز از آن خارج میشوند. این آرایش باعث میشود که اختلاف دمای متوسط بین دو سیال در طول مبدل نسبتا ثابت و بالا باقی بماند. در نتیجه، مبدلهای با جریان متقابل بالاترین راندمان حرارتی را نسبت به دیگر آرایشها دارند و طراحی این مبدلها به گونهای است که سیال گرم میتواند تا کمتر از دمای ورودی سیال سرد خنک شود و سیال سرد نیز قابلیت گرمشدن تا بیش از دمای خروجی سیال گرم را دارد.
جریان متقابل با حفظ اختلاف دمای موثر، بالاترین بازده حرارتی را ایجاد میکند و اجازه میدهد مبدل با ابعاد کوچکتری طراحی شود. با این حال، طراحی هدرها و لولهکشی برای این آرایش ممکن است کمی پیچیدهتر باشد.
جریان متقاطع (Cross-flow)
در این آرایش، دو سیال عمود بر یکدیگر حرکت میکنند. این نوع جریان به طور معمول در مبدلهای حرارتی هوا خنک (ایر کولرها) و در کاربردهایی که یکی از سیالات (معمولا هوا) در یک کانال باز و سیال دیگر (معمولا مایع) در لولهها حرکت میکند، مشاهده میشود.
در جریان متقاطع، یک سیال به صورت عمود بر مسیر سیال دیگر حرکت میکند. به عنوان مثال، در یک مبدل حرارتی هوا خنک، سیال فرایندی در داخل لولهها جریان دارد و هوا توسط فنها به صورت عمودی بر روی این لولهها دمیده میشود. اختلاف دمای متوسط در این آرایش بین جریان موازی و متقابل قرار میگیرد. با افزایش تعداد پاسها (مسیرهای عبور سیال از مبدل)، عملکرد مبدلهای جریان متقاطع به عملکرد مبدلهای جریان متقابل نزدیکتر میشود.
نتیجهگیری
در این متن، انواع مبدل حرارتی شامل مبدلهای پوسته و لوله، صفحهای، دو لولهای و هواخنک و همچنین نحوه جریان سیال (موازی، متقابل و متقاطع) بررسی شد. انتخاب صحیح مبدل مناسب، باعث افزایش راندمان سیستم، کاهش هدررفت انرژی و بهبود عملکرد فرایندهای صنعتی میشود. استفاده از این تجهیزات در صنایع شیمیایی، پتروشیمی، نیروگاهی و غذایی، ضمن صرفهجویی در انرژی، امنیت و دوام فرایندها را نیز تضمین میکند.
No comment