معرفی مبدل حرارتی
حفظ انرژی یکی از مشکلات مهم و بزرگ کارخانجات است. مبدل‌های حرارتی از جمله دستگاه‌هایی هستند که باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌گردند. به عنوان مثال این نوع تجهیزات از انرژی حرارتی گازهای خروجی کارخانجات برای کارکرد خود بهره می‌برند. گازهای خروجی از نیروگاه‌ها دارای انرژی حرارتی هستند که مبدل حرارتی می‌تواند از آن استفاده کند و باعث کاهش هدر رفت انرژی شود.
مبدل حرارتی (Heat exchanger) دستگاهی است که برای تبادل گرما بین دو سیال (گاز یا مایع) با دماهای متفاوت استفاده می‌شود. در واقع دو سیال وارد مبدل حرارتی می‌شوند و انتقال انرژی حرارتی از جریانی با دمای بالاتر به جریانی با دمای پایین‌تر صورت می‌گیرد بدون آنکه نیاز باشد دو سیال با یکدیگر مخلوط شوند و یا در تماس مستقیم با هم قرار گیرند. عملیات تبادل حرارتی در این دستگاه می‌تواند بین مایع-مایع، گاز-گاز و یا گاز-مایع انجام گیرد. مبدل حرارتی هم به عنوان یک سیستم خنک‌کننده و هم گرم کننده کاربرد دارد. از کاربردهای مبدل‌های حرارتی می‌توان به موتورهای ماشین، کشتی و هواپیما اشاره کرد که باعث کارکرد بهتر این دستگاه‌ها می‌شوند همچنین این تجهیزات در یخچال‌های خانگی و تهویه‌کننده‌های هوا هم به کار برده می‌شوند.
عملکرد یک مبدل حرارتی
تبادل انرژی به صورت تماس مستقیم یا غیرمستقیم دو سیال با یکدیگر است. در تماس مستقیم معمولا یکی از دو سیال گاز و دیگری مایع است که هیچ دیواره‌ای بین آنها وجود ندارد در نتیجه راندمان حرارتی بالایی دارد این مبدل‌ها در دستگاه‌هایی مانند کولرهای آبی، برج‌های خنک‌کن و … به کار گرفته می‌شوند. در نوع غیرمستقیم حرارت از طریق یک سطح جامد نفوذناپذیر منتقل می‌شود که بیشتر مبد‌های موجود در صنعت از این نوع هستند. مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلفی همچون صنایع غذایی و دارویی، صنایع فلز، صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، صنایع ساختمانی، تهویه مطبوع، صنایع شیمیایی و سیستم‌های تبرید کاربرد دارند. با توجه به آنکه محاسبات مربوط به مبدل حرارتی طولانی و پیچیده است، نرم‌افزارهای کامپیوتری این محاسبات را با سرعت بالا انجام می‌دهند.
انواع مختلفی از مبدل‌های حرارتی وجود دارند که اساس عملکرد همه آنها یکسان است اما ساختار و روش عملکردی آنها متفاوت است. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای و پوسته-لوله بیشترین کاربرد را در صنعت دارند.
مبدل حرارتی پوسته-لوله (Shell&tube heat exchanger)
در این نوع دستگاه یک سیال از درون یک سری لوله‌های فلزی عبور می‌کند و سیال دیگر درون یک پوسته کاملا بسته که اطراف لوله‌ها قرار گرفته است، جریان دارد. جهت جریان سیالات می‌تواند هم جهت، غیر هم جهت و یا عمود بر هم باشد. پوسته‌های استاندارد دارای قطر ۶ تا ۶۰ اینچ هستند. لوله‌ها هم معمولا قطر ۱ و ۴/۳ اینچ دارند که جنس آنها بیشتر از فولاد کم کربن، فولاد ضدزنگ، آلیاژهای مس و … است. دیگ‌های بخار در لوکوموتیو بخار از این نوع مبدل حرارتی بهره می‌برند. روش عملکردی دستگاه بدین صورت است که آب درون لوله‌ها در اثر تماس غیرمستقیم با بخار اطراف که درون پوسته قرار دارد به جوش می‌آید.
مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله:
- طراحی مکانیکی مناسب
- قابلیت استفاده برای انواع مختلفی از مواد
- سهولت نگه‌داری
- قابلیت تحمل دمای بالاتر از ۳۶۰ درجه سانتیگراد و فشار بیشتر از ۳۰ بار
معایب مبدل حرارتی پوسته و لوله:
- ابعاد بزرگ مبدل
- عدم دسترسی به سطوح داخلی
مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate heat exchanger)
این مبدل‌ها در سال ۱۹۳۰ با توجه به نیازهای صنعت غذا ایجاد شدند و در سال ۱۹۶۰ طراحی بهتری از آنها ساخته شد که به تدریج در تمام صنایع راه پیدا کردتد. مبدل‌های حرارتی موجود در کوره‌های گاز از این نوع هستند. این نوع مبدل‌ها حاوی تعداد زیادی صفحات فلزی با سطح بزرگ هستند که گرما را با سرعت بالا منتقل می‌کنند.
اجزای تشکیل‌دهنده مبدل حرارتی صفحه‌ای شامل قاب ثابت، قاب متحرک و صفحات بین دو قاب است. فریم‌های موجود دسته صفحات را احاطه کرده‌اند همچنین این صفحات توسط پیچ و مهره محکم شده‌اند. صفحات موجود در این مبدل‌ها به صورت چین‌دار (موج‌دار) هستند که با فاصله‌‌ی کمی از هم قرار گرفتند و سیال سرد و گرم یکی در میان بین صفحات با جهت‌های مخالف از هم جریان می‌یابند. مجاری ورود سیالات به دستگاه باریک است و باعث می‌شود که بیشتر حجم سیال با صفحات تماس داشته باشد.
نوع صفحات باعث ایجاد آشفتگی در جریان سیالات و در نتیجه افزایش بازدهی انتقال حرارت می‌گردد. بر روی صفحات دستگاه واشرهایی قرار گرفته است که از نشتی سیال جلوگیری می‌کند و همچنین باعث می‌شود سیال‌ها به سمت موردنظر هدایت شوند.
صفحات (Plates)
مواد مختلفی همچون استنلس استیل، تیتانیوم، تیتانیوم –پالادیوم و … برای ساخت صفحات استفاده می‌شوند که هر کدام در میزان انتقال حرارت مبدل اثرگذار هستند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای لحیم‌کاری شده و جوشکاری شده انواع دیگری از این نوع مبدل هستند که در آنها از لحیم‌کاری و جوشکاری برای اتصال صفحات به جای واشر به ترتیب استفاده می‌شود. تفاوت انواع مختلف مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای در فشار کار و محدوده دمایی کارکرد آنهاست به عنوان مثال در دما و فشارهای بالا از صفحات جوشی می‌توان استفاده کرد اما تعمیر و نگه‌داری آن مشکل است.
مزایای مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار:
- ضخامت بسیار اندک صفحات
- سطح انتقال حرارت بزرگ
- ابعاد مناسب
- قابلیت افزایش ظرفیت مبدل با افزایش تعداد صفحات
- بالا بودن راندمان انتقال حرارت
- کاهش تشکیل رسوب
- وزن مناسب
- عدم ترکیب سیالات
- تبادل حرارت همزمان بین چند نوع سیال متفاوت
- کنترل آسان و سریع
- قابلیت بازرسی و تمیز کردن صفحات
- امکان به کارگیری سیالات با لزجت بالا
معایب مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار:
- عدم تحمل فشارهای بالاتر از ۲۵ بار
- عدم تحمل دمای بیشتر از ۲۵۰ درجه سانتیگراد
- سیال ورودی به دستگاه باید عاری از ذراتی با قطر بیشتر از نیم میلی‌متر باشد
مراجع:
- www.mechanism.ir
- www.buildingplus.ir
- www.ktbi.ir
- www.clicksanat.com
- www.explainthatstuff.com
- www.fa.wikipedia.org
- www.yasinpajooh.com
- www.fa.wikibooks.org
