وبلاگ و اخبار

ما در این مقاله سعی می کنیم طرز کار دستگاه مبدل حرارتی (هیت اکسچنجر Heat Exchanger)

و انواع آن را تشریح کنیم و به کاربردها ، تفاوت ها و نکات مربوط به تولید و فروش آنها بپردازیم.

مبدل حرارتی چیست و طرز کار انواع آن چگونه است ؟

در پاسخ به سوال مبدل حرارتی چیست به طور ساده می توان گفت که مبدل حرارتی دستگاهی است که در انواع و طرح های مختلف تولید شده و حرارت را در اثر اختلاف دمای ایجاد شده بین دو سیال ، از یک سیال (گاز یا مایع) به سیال دیگر منتقل می کند. برای مثال یک مبدل حرارتی روغن ، حرارت روغن داغ را به آب یا هوا منتقل می کند و یا مبدل حرارتی استخر ، گرمای آب داغ بویلر را به آب استخر منتقل می کند (بدون تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر). از جمله مهمترین ، پر کاربردترین و پر فروش ترین مبدل های حرارتی می توان به نوع پوسته و لوله ، نوع هوا خنک (درای کولر) و نوع صفحه ای اشاره کرد که در تصویر زیر این سه نوع نشان داده شده است و همگی یک نوع دستگاه کاهنده دمای سیال (مایعات و گازها) محسوب می شوند.

طرز کار ، کاربردها و مشخصات فنی انواع آن :

1 . نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله و کاربردهای آن

مطابق شکل زیر نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب shell and tube) به این شکل است که یک سیال از درون دسته ای از لوله ها که همگی به یک ورودی و خروجی متصل هستند، عبور می کند و سیال دیگر با دمای متفاوت درون پوسته ای که لوله ها را احاطه کرده، جاری می شود. بدین ترتیب گرما در اثر اختلاف دمای بین دو سیال و از طریق دیواره لوله ها، از سیال گرم به سیال سرد منتقل می شود. بدین ترتیب بدون تماس مستقیم، بین دو سیال عمل انتقال گرما صورت می گیرد. از این نوع مبدل در صنایع مختلف و برای سیالات گوناگون به طور گسترده استفاده می شود. در شکل زیر نمای دو بعدی و سه بعدی از یک مبدل پوسته و لوله به همراه اجزای اصلی آن نشان داده شده است.

همانطور که مشاهده می کنید، یکی از سیالات گرم یا سرد وارد دسته یا ردیفی از لوله ها (تیوب ها tube) شده و تا انتهای مبدل پیش می رود و با چرخشی 180 درجه ای مجددا وارد ردیفی دیگر از لوله ها می شود. همزمان با آن، سیال دیگری که دمای متفاوتی دارد، از مجرایی وارد پوسته (شل shell) می شود و در پیرامون لوله ها شروع به حرکت می کند. موانعی به اسم بافل در سر راه حرکت سیال درون پوسته جاسازی می شود تا به سیال درون پوسته حرکتی آشفته (مغشوش) بدهد تا حرارت بیشتری بین دو سیال منتقل شود. سر و ته لوله ها با قطعه ای به نام تیوب شیت نگه داشته می شود که تیوب شیت ها علاوه بر نگه داشتن لوله ها، عمل آبندی را هم انجام می دهند تا دو سیال با هم تماس فیزیکی نداشته باشند.

از جمله ویژگی های این نوع از مبدل ها این است که فشار و دمای بالایی را تحمل می کنند و ساختار آنها به گونه ای است که طراحی و ساخت آنها آسان است و به همین دلیل کاربرد وسیعی در صنعت دارند. به طوری که این مبدل، نسبت به تمامی مبدل های دیگر، کاربرد و فروش بیشتری دارد.

مطالعه بیشتر درباره طرز کار این نوع و مزایا ، کاربردها و انواع آن در این مقاله ⇐ مبدل پوسته و لوله

2 . طرز کار نوع صفحه ای

مطابق شکل زیر طرز کار مبدل حرارتی صفحه ای به این شکل است که تعداد زیادی صفحه (پلیت plate) با ضخامت کم و به صورت پشت سر هم قرار گرفته و بین آنها فضای خالی ایجاد می شود (صفحات نسبت به هم آبند هستند). یک لوله جریان سیال گرم و یک لوله جریان سیال سرد به صورت یکی در میان به صفحات متصل می شود، طوری که یکی در میان در فضای خالی بین صفحات، سیال سرد و گرم جاری می شود. بدین ترتیب سطح انتقال حرارت افزایش و انتقال حرارت از دیواره صفحات بین سیالات صورت می پذیرد.

این مبدل ها همانند نوع پوسته و لوله قادر به تحمل دماها و فشارهای بالا نیستند ولی چون سطوح انتقال دهنده حرارت در آنها زیاد است، ابعاد جمع و جورتر و کوچکتری دارند و امروزه از این نوع نیز به طور گسترده در صنعت استفاده می شود. بیشتر کاربردها و موارد استفاده آن در جاهایی است که فشار سیالات زیاد نیست و نیز جاهایی که بخواهیم مبدل فضای کمی را (به خاطر ابعاد جمع و جوری که دارد) اشغال کند. قیمت انواع مبدل صفحه ای نسبت به انواع پوسته و لوله بیشتر بوده و تولید آنها نیز سخت تر است و فروش نوع صفحه ای نسبت به پوسته و لوله به خاطر این مواردی که اشاره کردیم محدودتر است.

3 . طرز کار مبدل حرارتی هوا خنک

رادیاتور اتومبیل مثال خوبی از یک مبدل حرارتی هوا خنک است. همانطور که می دانید درون رادیاتور، آب داغ در جریان است که توسط هوای دمیده شده فن ، خنک می شود. طرز کار مبدل حرارتی هوا خنک به این شکل است که هوا با سرعت زیاد از اطراف لوله های فین دار (لوله های پره دار) عبور کرده و سیال جاری در لوله ها، گرمای خود را به هوای محیط می دهد. علت استفاده از فین (پره) در اطراف لوله ها، افزایش سطح انتقال حرارت است. به مجموعه لوله ها و فین ها در کل کویل گفته می شود که در شکل زیر نمونه ای از آن (نوع V شکل) نشان داده شده است. این مبدل ها در طرح ها و انواع مختلف و مخصوصا سه نوع V شکل ، افقی و عمودی طراحی و تولید می شوند و به طور گسترده در بازار به فروش می رسند که طرز کار همه آنها مشابه یکدیگر است.

مطالعه بیشتر درباره اجزا ، طرز کار ، انواع و کاربردهای نوع هوا خنک در این مقاله ⇐ مبدل هوا خنک

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست و ساختار 3 نوع آن به چه شکل است ؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب) نوعی مبدل است که بیشترین کاربرد را در صنعت دارد و مناسب ترین نوع مبدل در کاربردهای فشار بالا و دما بالا است. مبدل های حرارتی پوسته و لوله از دسته ای از لوله ها (تیوب ها tubes) که درون یک پوسته (shell) سیلندری شکل جاسازی شده اند، تشکیل می شود که به آن مبدل حرارتی شل اند تیوب نیز گفته می شود. یک سیال از داخل تیوب ها و یک سیال هم از اطراف تیوب ها (داخل پوسته) جریان پیدا کرده و بر اثر اختلاف دمای میان آن دو ، حرارت از یک سیال به سیال دیگر و از طریق دیواره تیوب ها منتقل می شود. در تصویر زیر هم نمای 2 بعدی و هم نمای 3 بعدی از مهترین اجزا و قطعات این دستگاه و نیز نحوه ورود و خروج دو سیال با دماهای متفاوت نشان داده شده است.

مهمترین اجزا و قطعات مبدل پوسته و لوله (Shell and Tube) و عوامل تاثیر گذار بر قیمت آن

1 . تیوب های مسی (لوله های مسی)

برای رسیدن به راندمان حداکثری ، سطح انتقال حرارت بین دو سیال که همان تیوب ها هستند باید تا حد ممکن افزایش یابد و به همین خاطر از تعداد زیادی لوله (تیوب) از جنس مس ، استیل و غیره استفاده می شود. تیوب ها ممکن است به شکل مستقیم باشند و یا شکل خم شده (U) داشته باشند. اکثر مبدل های حرارتی پوسته و لوله در طرح های 1 ، 2 یا 4 پاس ساخته می شوند. منظور از تعداد پاس، تعداد مسیرهای رفت و برگشتی است که سیال پس از ورود به درون تیوب ها تا خروج از آن، طی می کند. برای مثال در طرح یک پاس، سیال از یک سمت وارد تیوب ها شده و از سمت دیگر مستقیما خارج می شود. در طرح 2 پاس (همانند شکل بالا) ، سیال پس از ورود به تیوب ها و رسیدن به انتهای آن، 180 درجه تغییر جهت داده و از همان سمت ورودی، خارج می شود. هر چه تعداد پاس ها بیشتر باشد قیمت دستگاه نیز افزایش می یابد. در ضمن انتخاب جنس لوله ها (اینکه از مس باشد یا استیل و غیره) به عوامل مختلفی بستگی دارد (مس مزایا و کاربردهای بیشتری دارد) که در قیمت نهایی دستگاه بسیار تاثیر گذار است.

2 . تیوب شیت

انتهای همه تیوب ها (لوله ها) به تیوب شیت متصل است و در واقع وظیفه آن مهار و آب بندی تیوب ها نسبت به یکدیگر است. از نظر نوع تیوب شیت ها، دو نوع مبدل حرارتی پوسته و لوله وجود دارد. در نوع اول هر دو تیوب شیت ابتدا و انتهای مبدل با پوسته و به طور ثابت مهار می شوند. در نوع دوم یکی از تیوب شیت ها با پوسته مهار شده و تیوب شیت سمت دیگر می تواند آزادانه شناور شود و از بوجود آمدن مشکلات ناشی از اختلاف انبساط حرارتی جلوگیری شود. در ضمن تیوب ها قابلیت دسترسی برای پاکسازی مکانیکی و نگهداری را خواهند داشت.

3 . بافل ها

درون پوسته صفحاتی به نام بافل (baffle) به عنوان صفحات هدایت کننده جریان سیال ، جاسازی می شود تا در سیال جاری درون پوسته ، جریان مغشوش به وجود آید و راندمان انتقال حرارت به حداکثر خود برسد. در شکل زیر نمونه ای از تیوب های (لوله های) مسی دارای خم U شکل ، تیوب شیت و صفحات بافل (صفحات سفید رنگ) نشان داده شده است که همگی درون یک پوسته جاسازی می شوند. در این نوع از مبدل پوسته و لوله ، تنها از یک تیوب شیت در یک سمت لوله ها استفاده شده و سمت دیگر لوله ها به شکل U خم خورده اند.

دسته بندی انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله در 3 مدل مختلف

معمولا با توجه به نحوه ورود و خروج سیال جاری در لوله ها و نیز تعداد تیوب شیت ها، این نوع از مبدل ها در 3 نوع پر کاربرد دسته بندی می شوند و هر طرحی مزایا و معایب خاص خود را دارد که ساختار آنها به ترتیب توضیح داده شده است.

1 . نوع تک پاس با دو تیوب شیت

منظور از تعداد پاس ، تعداد رفت و برگشت های سیال جاری در لوله ها است. مطابق شکل زیر و جهت های نشان داده شده حرکت سیال در لوله ها، سیالی که از سمت چپ وارد لوله ها می شود (بعد از گذر از تیوب شیت سمت چپ) یک مسیر مستقیم را طی کرده و پس از عبور از تیوب شیت سمت راست، از مجرای سمت راست خارج می گردد و بنابرین در این طرح یک پاس و دو تیوب شیت وجود دارد. یکی از مزایای این طرح این است که اگر لوله ها دچار رسوب و گرفتگی شوند، به راحتی با ابزار فیزیکی می توان داخل آنها را نظافت کرد.

2 . نوع دو پاس با دو تیوب شیت

مطابق شکل زیر در این طرح نیمی از لوله ها وظیفه حمل سیال از یک سمت به سمت دیگر را بر عهده دارند و نصف دیگر نیز برعکس آن عمل کرده و بدین ترتیب سیال دو بار مسیر رفت و برگشت را در مبدل طی کرده و فرصت بیشتری برای انتقال حرارت پیدا می کند. همانطور که مشاهده می کنید، سیال از بالا سمت راست وارد نیمی از لوله ها شده (پس از عبور از تیوب شیت سمت راست) و درون لوله ها به سمت چپ حرکت و وقتی به انتهای مسیر رسید، 180 درجه تغییر جهت داده و این بار وارد نیمی دیگر از لوله ها می شود و از سمت چپ به راست حرکت می کند و همزمان با سیالی که وارد پوسته شده، تبادل حرارتی انجام می دهد. مزیت این طرح این است که ضمن فراهم آمدن امکان نظافت فیزیکی لوله ها (در صورت گرفتگی یا رسوب) سیال با حرکت رفت و برگشتی فرصت کافی برای انتقال حرارت را پیدا می کند. طبیعتا این مدل نسبت به مدل قبلی قیمت بالاتری دارد.

3 . نوع تک پاس با یک تیوب شیت

مطابق شکل زیر در این طرح سیال ورودی به لوله ها (پایین سمت راست) وارد دسته ای از لوله ها می شود که انتهای آنها 180 درجه خم خورده و سیال مسیر بیشتری را طی میکند تا حرارت را به خوبی تبادل کند. مزیت آن این است که تنها از یک تیوب شیت در کل دستگاه استفاده شده و هزینه ساخت آن کمتر و نیز آبندی سیستم بهتر انجام خواهد شد ولی در این طرح نمی توان از روش های فیزیکی برای رفع انسداد لوله ها استفاده کرد و باید از روش های شیمیایی برای این کار بهره برد.

مزایا و برتری های مبدل شل اند تیوب

1 . قابلیت تحمل بالاترین دماها و فشارهای سیالاتی با توجه به ساختار مستحکم آن

2 . به حداکثر رساندن سطح انتقال حرارت در یک فضای محدود با به کار بردن دسته ای از لوله های با فاصله کم در کنار یکدیگر

3 . قیمت اولیه کمتر (نسبت به انواع مبدل هوا خنک ، صفحه ای و …)

4 . قابلیت رسوب زدایی در بازه های زمانی کوتاه مدت و بلند مدت به صورت فیزیکی و شیمیایی (طراحی به نحوی که به راحتی مونتاژ و دمونتاژ گردد)

5 . قابلیت طراحی و ساخت با مواد اولیه مخصوص (مانند استیل) در کاربردهای خاص که سیالات خاصیت خورندگی داشته باشند.

6 . در صورت بروز نشتی در تیوب ها به راحتی می توان محل نشت را شناسایی و آن را ترمیم کرد.

کاربردها

در هر جایی از صنعت که نیاز به انتقال گرما (بدون تماس مستقیم) بین دو سیال باشد از انواع مبدل های حرارتی استفاده می شود که مهمترین کاربردها و موارد استفاده آنها عبارتند از :

1 . دستگاه ها و صنایع تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی

2 . موتورخانه ها

3 . صنعت تولید غذا و دارو

4 . صنعت تولید مواد شیمیایی

5 . صنایع نفت ، گاز ، پتروشیمی

6 . نیروگاه ها

7 . و هر صنعتی که در آن به تبادل حرارت بین دو یا چند سیال نیاز باشد.

مراحل ساخت مبدل حرارتی پوسته و لوله

ساخت مبدل حرارتی پوسته و لوله باید مطابق با استانداردهای روز این صنعت انجام شود. طراحی و ساخت مبدل حرارتی پوسته و لوله چند مرحله دارد. ابتدا بایستی که نقشه های مربوط به آن، پس از جمع آوری اطلاعات لازم و توسط مهندسان متخصص این زمینه تهیه شود. علاوه بر آن ، این نقشه ها از نظر جانمایی و نصب آن در محل پروژه بررسی و سپس مطابق با استانداردهای موجود ساخته شود. نکته اینکه از شرکتی محصول مورد نظر را خریداری کنید که تجربه چندین ساله در طراحی و ساخت مبدل حرارتی پوسته و لوله برای کاربری های مختلف و در طرح ها، ابعاد و ظرفیت های گوناگون را دارد