مبدلهای حرارتی Heat Exchenger

مبدلهای حرارتی:
مبدل های حرارتی تجهیزاتی هستند که جریان انرژی گرما یی را بین دو یا چند سیا ل که در دماهای مختلف هستند، فراهم می کنند. انتقا ل گرما در یک مبدل حرارتی معمولا به صورت انتقال گرمای جابجایی در هر سیا ل و هدایت از طریق دیواره جداکننده است.
مبدل های حرارتی بر اساس معیار های مختلفی از قبیل فرایند انتقا ل، هندسه ساختار، آرایش و . . . طبقه بندی می شوند. یکی از انواع مبد ل های حرارتی مبدل هوایی است که در آن هوا نقش خنک کنندگی را دارد. هر چند هوا رسانای ضعیفی برای حرارت است ولی حجم زیاد، ارزان در دسترس بودن آن و همچنین رسوب بسیار کم آن و دیگر عوامل موجب شده است تا امروزه شاهد کاربرد بیشتر مبد ل های هوایی در صنعت باشیم .
1- مبدل های حرارتی نوع Tubular
از جمله این مبدل ها می توان به انواع پوسته و لوله، Heat pipe, Double pipe-Air cooler اشاره نمود. مبدل حرارتی پوسته – لوله (shell-and-tube) متداولترین مبدل در صنعت می باشد.
مبدل های حرارتی پوسته ولوله اي، از لوله هاي با مقطع دايره اي كه در پوسته هاي استوانه اي بزرگ نصب شده اند، ساخته مي شوند به طوري كه محور لوله ها موازي با محور پوسته است. اين مبدل های حرارتی به صورت وسيعي به عنوان خنك كن هاي روغن، چگالنده ها و پيش گرمكن ها در نيروگاهها، و به عنوان مولدهاي بخار در نيروگاههاي هسته اي و در كاربردهاي صنايع فرايندي و شيميايي استفاده مي شوند. يك سيال، از داخل لوله ها و سيال ديگر، در سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها و يا در طول آنها جريان مي يابد.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله اي داراي ديوارك(صفحات هدایت كننده جريان) . جريان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بين دو ديوارك مجاور جهت داده مي شود و در حالي كه از
فاصله مابين دو ديوارك به فاصله بعدي منتقل مي شود، موازي با لوله ها، جهت مي يابد. بسته به كاربرد مبدل های حرارتی پوسته ولوله اي، تفاوت زيادي در شكل و ساختمان آنها وجود دارد.
اهداف اصلي طراحي، در اين مبدل های حرارتی، در نظر گرفتن انبساط گرمايي پوسته و لوله ها، تميز كردن آسانتر مجموعه، و در صورت با اهميت نبودن ساير جنبه ها، كم هزينه ترين روش ساخت و توليد آنهاست.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله اي با صفحه لوله هاي ثابت(Fixed tubesheet) ، پوسته به صفحه لوله(Tube sheet) ، جوش شده است و هيچگونه دسترسي به خارج از دسته لوله، براي تميزي كاري وجود ندارد. با انتخاب كم هزينه، داراي انبساط گرمايي محدود است كه مي تواند اندكي توسط فانوسي هاي انبساط (Expansion bellows) ، افزايش يابد. در اين نوع از مبدل های حرارتی، تميز كردن لوله، ساده است.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله اي با دسته لوله U شكل داراي كم هزينه ترين ساختار است، زيرا در آن فقط به يك صفحه لوله نياز است. سطح داخلي لوله ها به دليل خم U شكل تند، نمي تواند با وسايلي مكانيكي تميز شود. در اين مبدل های حرارتی تعداد زوجي از گذرهاي لوله به كار مي رود ولي محدوديتي از نظر انبساط گرمايي وجود ندارد .
چندين طرح ايجاد شده اند كه به صفحه لوله امكان مي دهند تا "شناور"باشد(يعني بتواند با انبساط گرمايي، حركت كند) . نوعي كلاسيك از طراحي سرشناور(Pull-through floating head) میباشد كه بيرون كشيدن دسته لوله ها را از پوسته با حداقل جداسازي قطعات، ممكن مي سازد. به اين نوع مبادله كن گرما براي واحدهايي با تشكيل زياد رسوب، نياز مي باشد . هزينه اين مبادله كن ها زياد است.

آرايش هاي مختلف جريان در سمت پوسته و سمت لوله، بسته به وظيفه گرمايي(ظرفيت گرمايي) ، هفت فشار، سطح فشار، تشكيل رسوب، شيوه هاي ساخت و هزينه بري، كنترل خوردگي و مسائل تميزكاري، استفاده مي شوند. ديوارك ها در مبدل های حرارتي پوسته و لوله اي براي افزايش ضريب انتقال گرما در سمت پوسته و براي نگه داشتن لوله ها، استفاده مي گردند. مبدل های حرارتي پوسته و لوله اي، برحسب نياز، براي هر ظرفيت و شرايط كاركرد، طراحي مي شوند. اين مشخصه مبادله كن هاي پوسته و لوله اي، متفاوت با بسياري از انواع ديگر مبادله كن ها مي باشد.
این مبدل ها بر اساس استاندارد TEMA که آنها را بر اساس نوع کاربرد طبقه بندی می کند به گروه های زیر طبقه بندی می شود :
• گروه R : مبدل هایی که در صنعت نفت به کار می روند.
• گروه C : مبدل هایی که کاربرد عمومی و تجاری دارند.
• گروه B : مبدل هایی که در صنایع شیمیایی استفاده می شوند.

2 – کولر های هوایی
کولر های هوایی، مبدل هایی هستند که در آنها سیال فرآیندی با جریان هوا خنک می‌شود. در این مبدل ها بخارات گرم درون مجموعه ای از لوله ها که به صورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود. جداره خارجی لوله ها به پره مجهز شده است تا سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک افزایش یابد. این مبدل ها از نظر شکل جریان، از نوع متقاطع می باشند که جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله ها به وسیله یک فن تامین می شود . اگر این فن بالای لوله ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله ها قرار گیرد به آن دمشی گویند . نوع مکشی به علت ایجاد توزیع یکنواخت جریان هوا بازدهی بیشتری دارد. در نوع مکشی اگر موتور گرداننده نیز به همراه فن در بالای لوله ها قرار گیرد به علت قرار گرفتن در معرض هوای گرم زودتر مستهلک می شود. برای رفع این مشکل می توان نیرو را با استفاده از شفت به فن تبدیل نمود و موتور را در محل مناسب تری قرار داد.

3- مبدل های حرارتی دو لوله ای
مبدل دو لوله ای ساده ترین نوع مبدل حرارتی می باشد. این مبدل از دو لوله تشکیل شده که یکی در درون دیگری قرار گرفته است . یک سیال در درون لوله کوچکتر و و سیال دیگر در پیرامون آن حرکت می کند. بدین ترتیب انتقال حرارت بین دو سیال صورت می گیرد. در این مبدل می توان جریان ها را در خلاف جهت یکدیگر به حرکت درآورد و حالت کاملا" غیر همسو را که ایده آل ترین نوع جریان است بوجود آورد. میزان انتقال حرارت در این مبدل نسبت به مبدل های دیگر پایین است و در صورتیکه شار بالایی از انتقال حرارت مورد نیاز باشد باید از تعداد زیادی از این مبدل ها به طور موازی استفاده کرد که این موضوع از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد. اما در شرایطی که سطح انتقال حرارت کمی مورد نیاز باشد و یا مواد شدیدا" رسوب زا باشند می توان از این مبدل با آرایش های خاص استفاده کرد زیرا تمیز کردن و تعویض کردن قطعات این مبدل در واحد های تولید پلی اتیلن و پلی پرو پیلن برای خنک کردن پلیمر خروجی از راکتورها بکار می رود.

4- مبدل های حرارتی حلزونی
مبدل حلزونی از دو صفحه فلزی تشکیل شده که به صورت مارپیچ دور هم قرار گرفته اند. سیالات در فضای بین این صفحات حرکت می کنند و عملیات انتقال حرارت از طریق این صفحات انجام می گیرد. در مقایسه با انواع دیگر مبدل، این مبدل به خاطر شکل خاص صفحات، حجم کمتری را اشغال می کند و انحنای مسیر حرکت سیال علاوه بر افت فشار پایین، ضریب انتقال حرارت بالایی را فراهم می سازد. همچنین در هر دو مسیر امکان تشکیل رسوب کمتر شده و در نتیجه دارای دوره تعمیراتی طولانی تری می باشد. با توجه به شکل خاص مبدل، باز و بسته کردن مبدل برای تمیز کردن نیاز به زمان و
انرژی زیادی دارد. از این مبدل در واحد PVC بندرامام
استفاده می شود.
5 – مبدل حرارتی فشرده
نوع خاصی از مبدل های حرارتی وجود دارند که نسبت سطح تبادل حرارت بر واحد حجم آنها زیاد است (بزرگتر از 700m2/m3). این نوع مبدل ها که به مبدل های حرارتی فشرده معروفند شامل مجموعه فشرده ای از لوله ها یا سطوح تخت پره دار هستند. این نوع مبدل ها معمولا" وقتی بکار می روند که حداقل یکی از دو سیال، گاز باشد. در نتیجه ضریب انتقال حرارت آن کوچک است. لوله ها ممکن است تخت یا دایره ای باشند. مبدل های حرارتی با صفحات موازی ممکن است پره دار و یا با ورقه های کرکره ای باشند. سطح مقطع جریان در مبدل های حرارتی فشرده معمولا" کوچک بوده و جریان غالبا" آرام است.

6 – مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل صفحه ای از صفحات نازک فلزی تشکیل شده که با فاصله نزدیک به هم در حدود 3 تا 6 میلی متر به یکدیگر متصل شده اند و در سیال مبادله کننده حرارت به صورت یک در میان در فواصل صفحات جریان پیدا می کنند. برای اتصال صفحات می توان آنها را به هم پیچ کرده و یا از اتصال لحیمی استفاده نمود. در صورتی که از اتصال پیچی استفاده شود باید بین این صفحات gasket هایی قرار داد تا از نشت سیالات جلوگیری به عمل آید. اگر از اتصال لحیمی استفاده شود حجم مبدل کاهش می یابد، اما در عوض مقاومت آن در برابر فشار و خوردگی نیز کاهش می یابد. دو سیال از سوراخ هایی که در در گوشه صفحات قرار گرفته از صفحه ای به صفحه دیگر منتقل می شوند. روی صفحات خطوط برجسته ای قرار دارد که در میزان انتقال حرارت تاثیر بسزایی دارد.

مبدل های حرارتی خاص
الف – مبدل Bayonet
یکی از انواع خاص مبدل های پوسته و لوله مبدل Bayonet می باشد. لوله های این مبدل بصورت دو لوله، یکی با انتهای باز و دیگری با انتهای بسته است که لوله با انتهای باز درون لوله با انتهای بسته قرار گرفته است. این لوله ها را Bayonet می نامند. جریان مربوط به لوله از طریق لوله داخلی وارد شده و در انتها وارد لوله خارجی می گردد و از طریق بخش جمع کننده از مبدل خارج می گردد. این مبدل برای فرآیندهایی که اختلاف دمای بین سیال پوسته و لوله زیاد باشد مناسب است. انتهای بسته لوله خارجی بوسیله درپوش مسدود می شود. در صورتی که درپوش به لوله جوش داده شود احتمال نشتی به طرف پوسته کاهش می یابد. این مبدل در حالت عمودی بعنوان تبخیر کننده قابل استفاده است که سیال تبخیر شونده در بخش پوسته قرار می گیرد. در این صورت معمولا" از بخار در بخش Bayonet استفاده می شود که باید کندانس گردد. بخار در بخش Bayonet بالا خواهد رفت و بخار کندانس شده بصورت مایع از لوله خارجی به سمت پایین بر میگردد. مزیتی که این تبخیر کننده دارد این است که از فوق سرد شدن آب ممانعت به عمل می آید (بخصوص زمانی که تبخیر کننده در دمای پایین کار کند). بنابراین در صورتی که سیال Cryogenic باشد می توان در دمای نزدیک انجماد آب و یا حتی پایین تر از آن، تبخیر را انجام داد.از مزایای دیگر این تبخیر کننده می توان به زمان ماند پایین بخش پوسته (ماده تبخیر شونده) نسبت به سایر تبخیر کننده ها نظیر کتل اشاره نمود.

ب – مبدل پوسته و لوله Double Tube Sheet
یکی دیگر از مبدل های خاص پوسته و لوله، مبدل Double Tube Sheet می باشد. در این مبدل بعد از Stationary Head بجای یک صفحه لوله،دو صفحه لوله قرار داده شده است. از این مبدل در شرایطی استفاده می شود که احتمال نشتی وجود داشته باشد و نخواهیم دو سیال پوسته و لوله با هم مخلوط شوند. قرار دادن دو صفحه لوله در شرایط خورندگی شدید عمر مفید مبدل را افزایش می دهد.



ج – مبدل پوسته و لوله Double Bundle
این مبدل برای گرم کردن سیالات حساس به دما استفاده می شود و دارای دو دسته لوله و یک سیال واسطه می باشد و روی پوسته، نازلی وجود ندارد که باعث هدر رفتن و یا از بین رفتن سیال واسطه گردد. عملکرد این مبدل ها بدین صورت است که سیال واسطه در قسمت پایین مبدل بوسیله حرارت سیال اولی تبخیر شده و دوباره کندانس شده و به قسمت پایینی بر می گردد. در صنعت معمولا" از دو مبدل که زیر هم قرار گرفته اند استفاده می شود. در این حالت خروجی پوسته مبدل اول به ورودی پوسته مبدل دوم متصل است.