آیا می دانید مبدل حرارتی (Heat Exchanger) چیست و چه کاربرد های دارد؟
مبدل حرارتی یا مبدل گرمایی وسیله ای است که انرژی گرمایی را بین دو یا چند سیال منتقل می کند. سیالات موجود در این دستگاه ممکن است به صورت مستقیم به هم در تماس باشند یا به وسیله‌ی دیواره ای از هم جدا باشند. مبدل های گرمایی نه تنها در سیستم سرمایش، گرمایش و تهویه مطبوع ساختمان ها به کار می روند بلکه به ماشین آلات و موتور ها نیز کمک می کنند تا کارایی بیشتری داشته باشند. مبدل های گرمایی به طور گسترده ای در گرمایش فضای ساختمان، تبرید، تهویه مطبوع، نیروگاه های شیمیایی، پتروشیمی، پالایشگاه های نفت و گاز، تصفیه فاضلاب و ... کاربرد دارند.
در بیشتر مواقع از مبدل حرارتی جهت انتقال حرارت بین دو سیالی که مشخصات فیزیکی آن ها غیر همسان باشد استفاده می شود. این مشخصات می تواند شامل جنس سیال، فاز سیال، دمای سیال، سرعت سیال و ... باشد. در مواقعی که مشخصات فیزیکی سیال ها نزدیک به هم باشد، استفاده از مبدل‌حرارتی توجیه اقتصادی ندارد.
به عنوان مثال در سیستم های تهویه مطبوع، از مبدل های گرمایی در کندانسور، اواپراتور و کویل های زمینی استفاده می شود. سیال سرد تر به طور مستقیم یا غیر مستقیم گرما را از سیال گرم تر گرفته و دمای سیال سرد بالا می رود و در مقابل سیال گرم تر، حرارت خود را از دست داده و سرد می شود. این تبادل انرژی بر اساس اصول انتقال حرارت و جریان همرفتی توصیف می شود و برای هر سیال قابل محاسبه است.
مبدل‌های حرارتی در انواع مختلف لوله ای، پوسته و لوله، صفحه ای، هوا خنک یا پره ای و ... طراحی و تولید می شوند که مهندسان با توجه به نوع کاربری مبدل های گرمایی از آن ها در طراحی سیستم های تاسیساتی و صنعتی استفاده می کنند.
دسته بندی مبدل های گرمایی
مبدل های گرمایی اصولا بر اساس موارد ذیل دسته بندی می شوند:
- بر مبنای ساختمان مبدل
در بسیاری مواقع مبدل های گرمایی بر مبنای ساختمان تقسیم بندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از:
- مبدل حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)
- مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)
- مبدل حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)
- بازیاب حرارتی (Heat Recovers)
- بر مبنای پدیده انتقال
تبادل انرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیر مستقیم صورت می گیرد. در نوع مستقیم، حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکی از این دو سیال گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی قابل تفکیک هستند. در نوع غیر مستقیم، حرارت ابتدا به یک سطح جامد نفوذ نا پذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.
- بر مبنای تناوب جریان
در این نوع از مبدل های گرمایی، جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب می باشد و در این مبدل ها با جریان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. همچنین در آن ها دو مجرای جریان توسط یک جداره لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.
- بر مبنای نوع جریان
که شامل موارد زیر می شود:
- جریان همسو (Co-Current)
- جریان ناهمسو (Counter Current)
- جریان متقاطع (Cross Current)
کاربرد های مختلف مبدل حرارتی
- بویلر بخار
بویلر بخار یا دیگ بخار یک مبدل حرارتی است که معمولاً بر روی ستون تقطیر نصب می شود. بویلر بخار برای جدا سازی تقطیر جزئی همانند کندانسور تولید می کند که منجر به رفلاکس مایع می شود که به ستون تقطیر بازگردانده می شود. به طور کلی، بویلر ها مبدل های گرمایی هستند که برای تامین جریان گرما برای تقطیر و سایر فرآیند های مشابه استفاده می شوند.
- چیلر
چیلر ماشینی است که گرما را از یک مایع از طریق سیکل های تراکمی بخار یا جذب خنک کننده منتقل می کند. چیلر تراکمی بخار آب از چهار جزء اصلی سیکل خنک کننده تراکمی بخار (کمپرسور، اواپراتور، کندانسور و چندین نوع دستگاه اندازه گیری) تشکیل شده است. این دستگاه می تواند مبرد های مختلفی را انجام دهد. چیلر های جذبی از آب شهری به عنوان مبرد و سیلیکاژل خوش خیم به عنوان خشک کننده استفاده می کنند.
- خنک کننده نفت خام
HE به عنوان یک مبدل حرارتی بین نفت خامی که به داخل کوره می رود با پسمانده ای که به داخل خنک کننده می رود کار می کند تا از گرمای موجود در باقی مانده برای افزایش دمای نفت خام استفاده شود و بار کوره سبک تر شود. نوع HE مورد استفاده مبدل حرارتی Shell and Tube است که از 3 قطعه تشکیل شده است که به صورت سری چیده شده اند.
- مبدل دو لوله
مبدل دو لوله یک تجهیزات مبدل حرارتی است که از لوله های متمرکز یا لوله های دوتایی که یکی از دیگری کوچک تر است (لوله) تشکیل شده است. به طور کلی، سنجاق سر به شکل مبدل دو لوله (دو پایه متصل شده)، اما انواع دیگری همانند سنجاق سر چند لوله ای نیز وجود دارد. مبدل دو لوله یک جایگزین HE است که ارزان است زیرا می توان آن را با لوله های استاندارد مونتاژ کرد. به دلیل پیکربندی خود، این HE می تواند مایع پر فشار را در طرفین لوله کنترل کند.
- خنک کننده
یک طرف جریان سیال فرآیندی است که بدون تغییر فاز خنک می شود. رسانه های خنک کننده از ابزار هایی همانند آب خنک کننده یا هوا (بدون تغییر فاز) هستند. عملکرد خنک کننده برای کاهش دما یا خنک کردن فرآورده های نفتی خارج شده از ستون شکنش، ستون استریپر، مبدل حرارتی یا کندانسور با آب به عنوان یک محیط خنک کننده به دمای مورد نظر بدون تغییر فاز است.
- خنک کننده هوا
Airfin Cooler یک دستگاه خنک کننده سیال فرآیندی است که از جریان هوا با استفاده از فن استفاده می کند. توجه به انتخاب این نوع HE در مقایسه با استفاده از مبدل شل و لوله ارزان است. در حالی که استفاده از Shell & Tube Exchanger به معنای تهیه تاسیسات آب خنک کننده در مقادیر زیاد است که به معنی برج های خنک کننده اضافی، مواد شیمیایی، سیستم های لوله کشی با ابزار دقیق و کنترل آن ها، پمپ ها و ... می باشد.
- کندانسور
تجهیزاتی که برای کاهش دمای بخار به دمای مایع با سپردن حرارت به سیال دیگر استفاده می شود. یکی از جریان ها سیال (بخار) است که معمولاً بخار از بالای ستون تقطیر یا تفکیک می شود. رسانه های خنک کننده از ابزار هایی همانند آب خنک کننده یا هوا (بدون تغییر فاز) هستند. کندانسور برای متراکم کردن بخار از بالای ستون تقسیم عمل می کند.
- اواپراتور
اواپراتور یکی از ابزار هایی است که اغلب در فرآیند های صنعتی استفاده می شود. اواپراتور وسیله ای است که برای تبخیر یک محلول استفاده می شود. تبخیر خود به معنای خارج کردن آب از محلول با جوشاندن محلول در لوله اواپراتور است.
- بخار ساز
از بخار ساز ها برای تبخیر مایعات استفاده می شود. بخار تولید شده برای فرآیند های شیمیایی استفاده می شود نه به عنوان منبع گرما همانند بخار و با استفاده از عناصر گرمایش الکتریکی. بخار ساز یکی از اجزای دستگاه بیهوشی است که برای تبخیر بیهوشی های مایع فرار عمل می‌کند.
آیا می دانید مبدل حرارتی (Heat Exchanger) چیست و چه کاربرد های دارد؟
مبدل حرارتی یا مبدل گرمایی وسیله ای است که انرژی گرمایی را بین دو یا چند سیال منتقل می کند. سیالات موجود در این دستگاه ممکن است به صورت مستقیم به هم در تماس باشند یا به وسیله‌ی دیواره ای از هم جدا باشند. مبدل های گرمایی نه تنها در سیستم سرمایش، گرمایش و تهویه مطبوع ساختمان ها به کار می روند بلکه به ماشین آلات و موتور ها نیز کمک می کنند تا کارایی بیشتری داشته باشند. مبدل های گرمایی به طور گسترده ای در گرمایش فضای ساختمان، تبرید، تهویه مطبوع، نیروگاه های شیمیایی، پتروشیمی، پالایشگاه های نفت و گاز، تصفیه فاضلاب و ... کاربرد دارند.
در بیشتر مواقع از مبدل حرارتی جهت انتقال حرارت بین دو سیالی که مشخصات فیزیکی آن ها غیر همسان باشد استفاده می شود. این مشخصات می تواند شامل جنس سیال، فاز سیال، دمای سیال، سرعت سیال و ... باشد. در مواقعی که مشخصات فیزیکی سیال ها نزدیک به هم باشد، استفاده از مبدل‌حرارتی توجیه اقتصادی ندارد.
به عنوان مثال در سیستم های تهویه مطبوع، از مبدل های گرمایی در کندانسور، اواپراتور و کویل های زمینی استفاده می شود. سیال سرد تر به طور مستقیم یا غیر مستقیم گرما را از سیال گرم تر گرفته و دمای سیال سرد بالا می رود و در مقابل سیال گرم تر، حرارت خود را از دست داده و سرد می شود. این تبادل انرژی بر اساس اصول انتقال حرارت و جریان همرفتی توصیف می شود و برای هر سیال قابل محاسبه است.
مبدل‌های حرارتی در انواع مختلف لوله ای، پوسته و لوله، صفحه ای، هوا خنک یا پره ای و ... طراحی و تولید می شوند که مهندسان با توجه به نوع کاربری مبدل های گرمایی از آن ها در طراحی سیستم های تاسیساتی و صنعتی استفاده می کنند.
دسته بندی مبدل های گرمایی
مبدل های گرمایی اصولا بر اساس موارد ذیل دسته بندی می شوند:
- بر مبنای ساختمان مبدل
در بسیاری مواقع مبدل های گرمایی بر مبنای ساختمان تقسیم بندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از:
- مبدل حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)
- مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)
- مبدل حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)
- بازیاب حرارتی (Heat Recovers)
- بر مبنای پدیده انتقال
تبادل انرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیر مستقیم صورت می گیرد. در نوع مستقیم، حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکی از این دو سیال گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی قابل تفکیک هستند. در نوع غیر مستقیم، حرارت ابتدا به یک سطح جامد نفوذ نا پذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.
- بر مبنای تناوب جریان
در این نوع از مبدل های گرمایی، جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب می باشد و در این مبدل ها با جریان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. همچنین در آن ها دو مجرای جریان توسط یک جداره لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.
- بر مبنای نوع جریان
که شامل موارد زیر می شود:
- جریان همسو (Co-Current)
- جریان ناهمسو (Counter Current)
- جریان متقاطع (Cross Current)
کاربرد های مختلف مبدل حرارتی
- بویلر بخار
بویلر بخار یا دیگ بخار یک مبدل حرارتی است که معمولاً بر روی ستون تقطیر نصب می شود. بویلر بخار برای جدا سازی تقطیر جزئی همانند کندانسور تولید می کند که منجر به رفلاکس مایع می شود که به ستون تقطیر بازگردانده می شود. به طور کلی، بویلر ها مبدل های گرمایی هستند که برای تامین جریان گرما برای تقطیر و سایر فرآیند های مشابه استفاده می شوند.
- چیلر
چیلر ماشینی است که گرما را از یک مایع از طریق سیکل های تراکمی بخار یا جذب خنک کننده منتقل می کند. چیلر تراکمی بخار آب از چهار جزء اصلی سیکل خنک کننده تراکمی بخار (کمپرسور، اواپراتور، کندانسور و چندین نوع دستگاه اندازه گیری) تشکیل شده است. این دستگاه می تواند مبرد های مختلفی را انجام دهد. چیلر های جذبی از آب شهری به عنوان مبرد و سیلیکاژل خوش خیم به عنوان خشک کننده استفاده می کنند.
- خنک کننده نفت خام
HE به عنوان یک مبدل حرارتی بین نفت خامی که به داخل کوره می رود با پسمانده ای که به داخل خنک کننده می رود کار می کند تا از گرمای موجود در باقی مانده برای افزایش دمای نفت خام استفاده شود و بار کوره سبک تر شود. نوع HE مورد استفاده مبدل حرارتی Shell and Tube است که از 3 قطعه تشکیل شده است که به صورت سری چیده شده اند.
- مبدل دو لوله
مبدل دو لوله یک تجهیزات مبدل حرارتی است که از لوله های متمرکز یا لوله های دوتایی که یکی از دیگری کوچک تر است (لوله) تشکیل شده است. به طور کلی، سنجاق سر به شکل مبدل دو لوله (دو پایه متصل شده)، اما انواع دیگری همانند سنجاق سر چند لوله ای نیز وجود دارد. مبدل دو لوله یک جایگزین HE است که ارزان است زیرا می توان آن را با لوله های استاندارد مونتاژ کرد. به دلیل پیکربندی خود، این HE می تواند مایع پر فشار را در طرفین لوله کنترل کند.
- خنک کننده
یک طرف جریان سیال فرآیندی است که بدون تغییر فاز خنک می شود. رسانه های خنک کننده از ابزار هایی همانند آب خنک کننده یا هوا (بدون تغییر فاز) هستند. عملکرد خنک کننده برای کاهش دما یا خنک کردن فرآورده های نفتی خارج شده از ستون شکنش، ستون استریپر، مبدل حرارتی یا کندانسور با آب به عنوان یک محیط خنک کننده به دمای مورد نظر بدون تغییر فاز است.
- خنک کننده هوا
Airfin Cooler یک دستگاه خنک کننده سیال فرآیندی است که از جریان هوا با استفاده از فن استفاده می کند. توجه به انتخاب این نوع HE در مقایسه با استفاده از مبدل شل و لوله ارزان است. در حالی که استفاده از Shell & Tube Exchanger به معنای تهیه تاسیسات آب خنک کننده در مقادیر زیاد است که به معنی برج های خنک کننده اضافی، مواد شیمیایی، سیستم های لوله کشی با ابزار دقیق و کنترل آن ها، پمپ ها و ... می باشد.
- کندانسور
تجهیزاتی که برای کاهش دمای بخار به دمای مایع با سپردن حرارت به سیال دیگر استفاده می شود. یکی از جریان ها سیال (بخار) است که معمولاً بخار از بالای ستون تقطیر یا تفکیک می شود. رسانه های خنک کننده از ابزار هایی همانند آب خنک کننده یا هوا (بدون تغییر فاز) هستند. کندانسور برای متراکم کردن بخار از بالای ستون تقسیم عمل می کند.
- اواپراتور
اواپراتور یکی از ابزار هایی است که اغلب در فرآیند های صنعتی استفاده می شود. اواپراتور وسیله ای است که برای تبخیر یک محلول استفاده می شود. تبخیر خود به معنای خارج کردن آب از محلول با جوشاندن محلول در لوله اواپراتور است.
- بخار ساز
از بخار ساز ها برای تبخیر مایعات استفاده می شود. بخار تولید شده برای فرآیند های شیمیایی استفاده می شود نه به عنوان منبع گرما همانند بخار و با استفاده از عناصر گرمایش الکتریکی. بخار ساز یکی از اجزای دستگاه بیهوشی است که برای تبخیر بیهوشی های مایع فرار عمل می‌کند.
آشنایی با چیلر و انواع آن