مبدل حرارتی

تاریخچه مبدل های حرارتی

اولین اشکال شناخته شده انتقال حرارت، سنگ هایی بودند که برای گرم کردن خانه ها در اولین روزهای تکامل انسان استفاده می شدند. سنگ ها در آتش قرار می گرفتند و گرما را جذب می کردند. سپس آنها را به داخل کلبه منتقل می کنند تا فضای داخلی گرم شود. رومی ها بعداً یک روش مرکزی گرمایش خانه را اختراع کردند. این فناوری هیپوکاست بود. این مستلزم فضایی بود که اجازه می داد هوای گرم در امتداد زمین حرکت کند تا اتاق گرم شود. کف از مصالح بتنی ساخته شده بود که قابلیت نگه داشتن امواج گرما را در داخل و انتقال آن به طول داشت.

بعداً، کره ای ها از فناوری مشابهی به نام گرمایش Ondol استفاده کردند. از طریق این تکنیک، هوای گرم و دود ناشی از آتش‌سوزی چوب به لوله‌هایی هدایت می‌شد که در زیر طبقات قرار دارند. در سال 1700، پیشرفت قابل توجهی فراتر از هیپوکاست اتفاق افتاد که طی آن یک فرانسوی به نام ژان سیمون بون مین سیستمی از آب طراحی کرد که می توانست به جوجه کشی تخم مرغ کمک کند. در دهه 1800، دانشمندی به نام مارکی دو شابان، یک مبدل حرارتی ساخت که از آن برای پرورش انگور در گلخانه استفاده می کرد. در سال 1829 برادران پرایس برای شروع گرمایش بخار در انگلستان کار کردند. اختراعات آب داغ و بخار همچنان جهان را تا آنچه امروز داریم متحول کرد.

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل‌های حرارتی دستگاه‌هایی هستند که گرما را بین سیالات بدون اختلاط یا مخلوط کردن آنها انتقال می‌دهند. سیالات توسط دیواری که رسانایی حرارتی بالایی دارد از هم جدا می شوند. ضخامت دیواره طوری طراحی شده است که از اختلاط سیالات و یا امکان تماس مستقیم بین آنها جلوگیری کند.  یک محیط کاری که گرما را از مایع در حال پردازش دفع یا جذب می کند در فرآیند گنجانده شده است. نتیجه حاصل از فرآیند، خنک کردن یا گرم شدن جریان سیال است. تعداد بی پایان مبدل های حرارتی وجود دارد که هر ساله با پیشرفت تکنولوژی و پیشرفت خواص فلزات مختلف، مبدل های جدیدی ساخته می شوند.

انتقال در یک مبدل حرارتی شامل استفاده از همرفت در سیالات و هدایت حرارتی است. بحث طراحی مبدل های حرارتی با ضریب انتقال حرارت که به ضریب U معروف است شروع می شود که بیانی از قانون خنک کننده نیوتن است. علاوه بر این، مهندسان از اختلاف دمای میانگین (LMTD) برای تصمیم گیری در مورد نیروی محرک دما برای انتقال حرارت استفاده می کنند. سیالات ممکن است فازهای یکسان یا متفاوتی داشته باشند (مانند مایع به مایع یا بخار به مایع) که این فازها نیز در نظر گرفته می شوند.

سیالات سرد و گرم ممکن است توسط دیواری با رسانایی حرارتی بالا (معمولاً از لوله فولادی یا آلومینیومی) جدا شوند یا ممکن است تماس مستقیم با یکدیگر داشته باشند.

مبدل های حرارتی خود را از تجهیزات انتقال حرارت سوخت، الکتریکی یا هسته ای مانند بویلرها متمایز می کنند. منبع گرما و محیط دریافت کننده باید هر دو سیال باشند. سیالات به هر ماده ای گفته می شود که تحت تنش برشی اعمال شده یا نیروی خارجی که مایعات، گازها و بخارات را در بر می گیرد، جریان می یابد.

مبدل های حرارتی به طور گسترده در بسیاری از صنایع مانند صنایع غذایی، دارویی، پردازش زیستی و تولید شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند، جایی که گرمایش یا سرمایش مرحله نهایی یا میانی برای آماده سازی سیالات برای پردازش بیشتر است. آنها همچنین می توانند در استریل کردن میکروارگانیسم ها در محصولات غذایی و دارویی استفاده شوند. موارد زیادی وجود دارد که استفاده از مبدل های حرارتی عملی تلقی می شود. به عنوان مثال، گازهای خروجی با دمای بالا از نیروگاه ها و موتورها حاوی مقدار زیادی گرما هستند که با نصب یک مبدل حرارتی قبل از دودکش قابل بازیابی است.

ترمودینامیک مبدل های حرارتی

همه انواع مبدل های حرارتی با استفاده از اصول ترمودینامیکی و مکانیسم انتقال حرارت یکسان عمل می کنند. این اصول اساسا چگونگی انتقال انرژی حرارتی در سطح ماکروسکوپی را توصیف می کنند. سه جسم در یک سیستم مبدل حرارتی در حال تعامل هستند: سیال گرم، سیال سرد و دیواره ای که دو سیال را از هم جدا می کند. انرژی از سیال داغ، از طریق دیوار یا مانع، و سپس به سیال سرد جریان می یابد. در زیر برخی از اصول ترمودینامیکی وجود دارد که برای درک نحوه عملکرد مبدل های حرارتی مفید هستند:

• قانون اول ترمودینامیک: قانون اول به عنوان قانون بقای انرژی یاد می شود که بیان می کند انرژی (به شکل گرما و کار) نه ایجاد می شود و نه از بین می رود. فقط می توان آن را به سیستم دیگری منتقل کرد یا به یک شکل یا آن شکل تبدیل کرد. در مبدل های حرارتی، این عبارت با معادله تعادل حرارتی که به صورت زیر نوشته می شود ترجمه می شود:

  (Heat In) + (تولید گرما) = (Heat Out) + (انباشت گرما)

  با فرض اینکه در یک جریان حالت پایدار کار می کند، به این معنی است که خواص حرارتی در تمام نقاط با تغییر زمان ثابت می ماند، و سیستم آدیاباتیک (کاملاً عایق) است، معادله تعادل حرارتی به Heat In = Heat Out ساده می شود. این یکی از اساسی ترین معادلات است که در طراحی و عملکرد مبدل های حرارتی استفاده می شود.

• قانون دوم ترمودینامیک: قانون دوم مفهوم آنتروپی، درجه بی نظمی و تصادفی بودن یک سیستم را معرفی می کند. آنتروپی جهان دائما در حال افزایش است و هرگز نمی تواند کاهش یابد. جهت جریان انرژی بین دو سیستم متقابل که در آن بیشترین آنتروپی تولید می شود را به ما می گوید. گرما همیشه از جسمی با دمای بالاتر به دمای پایین تر منتقل می شود که این تمایل طبیعی همه سیستم ها است. برای مبدل های حرارتی، سیال سرد گرما می گیرد و دمای خود را افزایش می دهد و سیال داغ گرما را از دست می دهد و دمای خود را کاهش می دهد.

انواع مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی کلاس وسیعی از تجهیزات انتقال حرارت است. آنها عمدتاً به دو گروه تقسیم می شوند: مبدل های بازیابی و احیا کننده.

1-مبدل های حرارتی بازیابی

این نوع مبدل‌های حرارتی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مسیرهای جریان مجزا برای دو سیال داشته باشند که در آن به طور همزمان گرما را مبادله می‌کنند. آنها بیشتر به دو دسته تقسیم می شوند:

1- مبدل های حرارتی تماس غیر مستقیم

2- مبدل حرارتی تماس مستقیم.

مبدل های حرارتی تماس غیر مستقیم 

از یک دیوار رسانا برای جداسازی دو سیال استفاده می کنند. آنها پرکاربردترین مبدل های حرارتی هستند:

• مبدل های حرارتی دو لوله: مبدل های حرارتی دو لوله که به عنوان گیره مو یا مبدل های لوله ژاکت دار نیز شناخته می شوند، ساده ترین نوع تجهیزات انتقال حرارت هستند. آنها از دو لوله متحدالمرکز با قطرهای مختلف ساخته شده اند. سیال فرآیند از طریق لوله داخلی کوچکتر جریان می یابد و سیال مفید از طریق فضای حلقوی بین دو لوله جریان می یابد. دیواره لوله داخلی به عنوان مانع رسانا بین دو سیال عمل می کند که در آن گرما منتقل می شود. الگوی جریان مخالف بیشترین استفاده را دارد، اگرچه ممکن است برای جریان همزمان پیکربندی شود. مبدل های حرارتی دو لوله برای گرم کردن یا خنک کردن جریان های کوچک سیالات مناسب هستند. آنها ارزان هستند، طراحی انعطاف پذیری دارند و نگهداری آنها آسان است. آنها را می توان از لوله هایی با طول های یکسان که با اتصالات در انتها به هم متصل شده اند تا فضای کف را به حداکثر برسانند. با این حال، آنها در مقایسه با سایر تجهیزات مبدل حرارتی فقط با وظایف گرمایش کمتر کار می کنند.

• مبدل های حرارتی پوسته و لوله: مبدل های حرارتی پوسته و لوله از لوله هایی تشکیل شده اند که در بسته ای قرار گرفته اند که در یک ظرف استوانه ای بزرگ به نام پوسته قرار گرفته اند. مانند مبدل حرارتی دو لوله ای، دیواره لوله داخلی به عنوان مانع رسانا عمل می کند. سیال فرآیند در سمت لوله جریان دارد و سیال مفید در سمت پوسته جریان دارد. مبدل های حرارتی پوسته و لوله برای گرم کردن و خنک کردن مایعات با دبی، دما و فشار بالا ایده آل هستند. برای افزایش راندمان عملیاتی، می توان آنها را طوری طراحی کرد که دارای گذرهای متعددی باشند که در آن یک سیال چندین بار با دیگری تماس پیدا کند.

به غیر از پوسته و لوله، سایر اجزای ضروری مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

• ورق لوله: لوله ها با قرار دادن آنها در سوراخ های صفحه ای به نام ورق لوله در جای خود ثابت می شوند. لوله ها بر روی ورق لوله بیرون زده اند تا جریان ورودی و خروجی سیال فرآیند را هدایت کنند. گام فاصله بین لوله ها معمولاً 1.25 برابر قطر بیرونی لوله است و ممکن است به صورت گام مثلثی یا مربعی مرتب شوند.

• پلنوم ها: پلنوم ها هم در ورودی و هم در خروجی سیال لوله قرار دارند. این ظرفی است که مایع لوله قبل از بارگیری و تخلیه در آن جمع می شود.

• بافل: بافل های نصب شده در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله عملکردهای زیادی را انجام می دهند. آنها جریان سیال پوسته را در سراسر پوسته هدایت می کنند و تلاطم آن را افزایش می دهند. فضایی که در آن سیال مجاز است از یک فضای بافل به فضای دیگر جریان یابد را بافل برش می گویند که در آن جریان مخالف جریان دارد. همچنین، آنها لوله ها را در موقعیت مناسب در حین کار نگه می دارند زیرا آنها مستعد افتادگی ناشی از گرداب های جریان هستند. میله های اتصال، فاصله و موقعیت بافل را محکم می کنند.

• توربولاتور: توربولاتور وسیله ای است که سرعت بالای سیال لوله را القا می کند و متعاقباً از رسوب لوله ها جلوگیری می کند و در عین حال ظرفیت انتقال حرارت را افزایش می دهد.

• صفحه برخورد: این صفحه مستقیماً در زیر ورودی سیال پوسته قرار دارد. این ضربه و ارتعاش را جذب می کند تا از لوله های ردیف بالایی محافظت کند زیرا سیال پوسته با سرعت اولیه بالایی وارد می شود.

مبدل های حرارتی صفحه ای : این نوع مبدل های حرارتی از صفحات رسانا برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می کنند. آنها دارای جریان مخالفی هستند که اجازه می دهد تا تفاوت های دمایی نزدیک تر، تبادل دمای بالا و راندمان بهبود یابد.

• مبدل های حرارتی صفحه و قاب: مبدل های حرارتی صفحه و قاب از صفحات موجدار استفاده می کنند که توسط یک واشر، جوش یا لحیم به هم متصل می شوند تا اطمینان حاصل شود که سیالات با هم مخلوط نمی شوند. صفحات دارای پورت های ورودی و خروجی در گوشه هستند تا امکان عبور جریان سیال را فراهم کنند. مسیرهای جریان سیالات فضاهای بین صفحات هستند و در جریان های متناوب سیال گرم-سرد-گرم-سرد قرار گرفته اند. سیالات در پیکربندی جریان مخالف جریان دارند و سیال داغ به سمت پایین صفحات جریان می یابد در حالی که سیال سرد به سمت صفحات جریان می یابد.

طراحی مبدل حرارتی صفحه و قاب، یک منطقه انتقال حرارت بزرگ، تلاطم بالا و مقاومت در برابر رسوب بالا ایجاد می کند. ضریب انتقال حرارت و راندمان کلی در مقایسه با مبدل های حرارتی لوله ای بالاتر است. با این حال، افت فشار بالا توسط سیالات به دلیل تنش برشی بالای دیواره مواجه می شود که هزینه پمپاژ را گران می کند. همچنین اگر مایعات دارای اختلاف دمای بالا هستند، استفاده از آن توصیه نمی شود.

بخش مهمی از مبدل حرارتی صفحه و قاب، قاب است که صفحات را به هم فشرده می‌کند تا ترتیبی از کانال‌های جریان موازی را ایجاد کند که بین سرد و گرم متناوب می‌شوند. بسته های صفحات فلزی راه راه به یک قاب با واشرهای لاستیکی بین صفحات پیچ می شوند تا از مخلوط شدن یا نشت مایعات جلوگیری شود.

مبدل های حرارتی صفحه و قاب بسته به نحوه اتصال صفحات طبقه بندی می شوند.

• مبدل های حرارتی صفحه واشر: این نوع از واشر برای اتصال و آب بندی صفحات استفاده می کنند. آنها به طور گسترده در صنایعی که نیاز به بهداشت مکرر دارند، مانند فرآوری غذا و نوشیدنی استفاده می شود. صفحات واشر دار هزینه های نگهداری را کاهش می دهند زیرا تمیز کردن، جداسازی و مونتاژ آنها آسان است. ممکن است صفحات بیشتری برای افزایش قابلیت و توان عملیات مبدل حرارتی اضافه شود. نقطه ضعف این نوع پتانسیل نشتی آن است.

• مبدل های حرارتی صفحه جوش داده شده: مبدل های حرارتی صفحه ای جوشی احتمال نشتی را کاهش می دهند. آنها همچنین شبیه یک مبدل حرارتی صفحه واشر هستند، با این تفاوت که صفحات جوش داده شده اند. آنها می توانند دماهای بالاتر، فشارهای بالاتر و سیالات خورنده بیشتری را تحمل کنند زیرا دمای عملیاتی توسط مهر و موم واشر محدود نمی شود. آنها همچنین دوام بیشتری نسبت به مبدل های حرارتی صفحه ای دارند. از آنجایی که صفحات به طور دائم ثابت هستند، تمیز کردن دستی امکان پذیر نیست.

• مبدل های حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده: این مبدل های حرارتی دارای صفحاتی هستند که توسط فرآیندی به نام لحیم کاری به هم متصل می شوند، که در آن دو قطعه فلز توسط یک فلز صافی مذاب به هم متصل می شوند. لحیم کاری یک اتصال مقاوم در برابر حرارت کم ایجاد می کند و دلیل کارآمد بودن مبدل های حرارتی صفحه ای است. آنها در چیلرها، پمپ ها، اواپراتورها و کندانسورها استفاده می شوند. مبدل های حرارتی صفحه لحیم کاری کارآمد، جمع و جور هستند (فضای کف کمتری مصرف می کنند)، و عمر طولانی دارند، حتی تحت قرار گرفتن مداوم در معرض فشارهای بالا.

• مبدل های حرارتی باله صفحه ای: این نوع از لایه های متناوب باله های فلزی موجدار و صفحات فلزی مسطح به نام ورق های جداکننده تشکیل شده است. جریان های سیال از رابط ایجاد شده توسط صفحات باله و جداکننده عبور می کنند. ورق های جداکننده سطح اصلی انتقال حرارت هستند. باله ها یک سطح انتقال حرارت ثانویه ایجاد می کنند و به عنوان تکیه گاه مکانیکی صفحات در برابر فشارهای داخلی بالا عمل می کنند. میله های کناری نیز برای جلوگیری از اختلاط دو جریان سیال ثابت شده اند. همه اجزا با لحیم کاری به هم متصل می شوند. پیکربندی جریان مخالف در اکثر طرح ها گنجانده شده است. مبدل های حرارتی پره های صفحه ای به دلیل فشردگی، نسبت سطح انتقال حرارت به حجم مبدل حرارتی، ارزش گذاری می شوند. از این رو، فضاهای کف کوچک را مصرف می کنند و سبک وزن هستند. راندمان آن نیز بالای 95 درصد است. از این نوع مبدل حرارتی در هوافضا، جداسازی هوا برودتی و تبرید استفاده می شود.

• مبدل های حرارتی صفحه ای و پوسته ای: مبدل های حرارتی صفحه ای و پوسته ای بهترین ویژگی های مبدل حرارتی پوسته و لوله را با مبدل حرارتی صفحه ای ترکیب می کنند. یک صفحه کاملاً جوش داده شده در پوسته قرار می گیرد تا تنش را توزیع کند و نیاز به واشر را از بین ببرد. سیال A از کانال جریان سمت صفحه عبور می کند در حالی که سیال B از کانال جریان پوسته عبور می کند. نتیجه طراحی سرعت انتقال حرارت بالا است.

مبدل های حرارتی تماس مستقیم 

شامل یک پارتیشن رسانا نیستند و برای انجام تبادل حرارت به تماس مستقیم متکی هستند. آنها برای دو سیال غیر قابل اختلاط مناسب هستند، یا اگر یکی از سیالات دچار تغییر فاز شود. آنها به دلیل طراحی ساده تر ارزان تر هستند. معمولاً در نمک‌زدایی آب دریا، سیستم‌های تبرید و سیستم‌های بازیابی گرمای زباله استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از مبدل‌های حرارتی تماس مستقیم، کندانسورهای تماس مستقیم، برج‌های خنک‌کننده طبیعی ، خشک‌کن‌ها و تزریق بخار هستند.

2-مبدل های حرارتی احیا کننده

اینها همچنین به عنوان احیاگر یا مبدل حرارتی خازنی شناخته می شوند. مبدل های حرارتی احیا کننده انواعی از تجهیزات مبدل حرارتی هستند که از یک محیط ذخیره حرارتی استفاده می کنند که برای تماس با سیالات گرم و سرد ساخته شده است. این دو سیال معمولاً گاز هستند. آنها در نیروگاه ها، ساخت شیشه و فولاد و سیستم های بازیابی حرارت استفاده می شوند. با این حال، آلودگی بالقوه وجود دارد زیرا از همان محیط برای تعامل با سیالات سرد و گرم استفاده می شود.

دو نوع مبدل حرارتی احیا کننده وجود دارد:

1- احیاء کننده های ساکن: احیاء کننده های ساکن یا بازسازی کننده های بستر ثابت، قطعات مکانیکی ندارند که جریان سیالات سرد و گرم را تسهیل کند. سیالات برای عبور از کانال توسط سیستمی از لوله ها و مجاری، مجهز به دریچه هایی ساخته می شوند که به عنوان یک “سوئیچ” در هنگام آزادسازی جداگانه سیالات گرم و سرد عمل می کنند. سیال داغ ابتدا در یک مدت زمان مشخص جریان پیدا می کند. هنگامی که محیط ذخیره گرما گرمای کافی را جمع آوری کرد، دریچه اتصال مخزن سیال داغ خاموش می شود. سپس به سیال سرد اجازه داده می شود تا از طریق کانال جریان یابد که گرمای حاصل از سیال داغ را جذب می کند.
عملکرد احیاگرهای ساکن نیمه دسته ای است زیرا جریان سیالات متناوب است. برای دستیابی به یک عملیات مداوم، باید از دو کانال استفاده شود.

2- احیا کننده های دینامیکی: این مبدل های حرارتی دارای یک عنصر چرخشی هستند که حاوی محیط ذخیره گرما است. جریان سیال گرم و سرد به طور همزمان جریان می یابد و در طرفین مخالف چرخ دوار، موازی با محور چرخش قرار می گیرد. با چرخش چرخ بر روی جریان سیال داغ، گرما بر روی محیط ذخیره گرما منتقل می شود و پس از رسیدن به جریان سیال سرد آزاد می شود.

نتیجه

• مبدل های حرارتی قطعاتی از تجهیزاتی هستند که برای انتقال گرما از سیال داغ به سیال سرد استفاده می شوند. آنها ضروری هستند زیرا وظیفه تغییر دمای مایع ارزشمندتری را که بعداً در فرآیند استفاده می شود را انجام می دهند. سیالات ممکن است فازهای مختلفی داشته باشند که ممکن است به فاز دیگری تبدیل شوند. آنها ممکن است توسط یک دیوار رسانا از هم جدا شوند یا تماس مستقیم داشته باشند.
• مبدل های حرارتی با استفاده از همان مجموعه اصول ترمودینامیکی کار می کنند. انرژی حرارتی همیشه در مبدل های حرارتی حفظ می شود. جهت جریان گرما همیشه از سیال با دمای بالاتر به دمای پایین تر است.
• مکانیسم انتقال حرارت در مبدل حرارتی ترکیبی از هدایت و همرفت است.
• پیکربندی جریان مبدل های حرارتی جریان مخالف، جریان همزمان یا موازی، جریان متقاطع و جریان ترکیبی است.
• دو دسته اصلی مبدل های حرارتی، مبدل های حرارتی بازیابی و احیا کننده هستند. مبدل های حرارتی بازیابی به گونه ای طراحی شده اند که مسیرهای جریان مجزا برای دو سیال داشته باشند. مبدل های حرارتی احیا کننده از یک محیط ذخیره گرما استفاده می کنند که تماس مستقیم با هر دو سیال دارد.
• مبدل های حرارتی بازیابی به دو گروه مبدل های حرارتی تماسی غیر مستقیم و مبدل های حرارتی تماس مستقیم تقسیم می شوند. مبدل های حرارتی تماس غیر مستقیم از یک دیوار رسانا برای جداسازی دو سیال استفاده می کنند. به عنوان مثال می توان به مبدل های حرارتی دو لوله ای، مبدل های حرارتی پوسته و لوله و مبدل های حرارتی صفحه ای اشاره کرد. مبدل های حرارتی تماس مستقیم پارتیشن ندارند و انتقال حرارت به تماس مستقیم هر دو سیال بستگی دارد.
• مبدل های حرارتی احیا کننده نیز به دو گروه احیاگرهای استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند. احیاگرهای ساکن یک بستر ثابت از محیط ذخیره گرما دارند که سیالات سرد و گرم به طور متناوب در آن جریان دارند. احیاگرهای دینامیک دارای یک عنصر چرخشی هستند که حاوی محیط ذخیره گرما است.