به نام خدا
انواع مبدل ها
فهرست
مقدمه
دسته بندی مبدل های حرارتی
بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم
بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها
اصول طراحی مبدل های حرارتی
1- تعیین مشخصات فرآیند و طراحی
2- طراحی حرارتی و هیدرولیکی
3- طراحی مکانیکی
4- ملاحظات مربوط به تولید و تخمین هزینه ها
5- فاکتورهای لازم برای سبک و سنگین کردن
6- طراحی بهینه
7- سایر ملاحظات
نتایج ( Results )
منابع و مواخذ
مقدمه
مبدل گرمایی یا مبدل حرارتی (غلط مصطلح از مبادله کننده حرارتیبه انگلیسی: Heat exchanger) دستگاهی است که برای انتقال حرارت موثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می شود. از رایج ترین مبدل های حرارتی رادیاتور خودرو و رادیاتور شوفاژ است.
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع، خودرو، نفت و گاز و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار می گیرند.
انواع مبدل
انواع مبدل های حرارتی
مبدل حرارتی چرخه حفاظتی دما
مبدل های هوا خنک
مبدل های پوسته و لوله
مبدل های صفحه ای
مبدل های کروی
استانداردهای مرتبط
TEMA که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل های لوله ای (آمریکا) تدوین شده است. برای طراحی و ساخت مبدل های پوسته لوله ای مورد استفاده قرار می گیرد.
API ۶۶۰ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساخت مبدل های پوسته لوله ای استفاده می گردند.
API ۶۶۱ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحی و ساخت مبدل های هوا خنک استفاده می گردند.
ASME Sec VIII که برای طراحی مکان یکی مبدل های حرارتی فشار بالا استفاده می گردد.
اصول طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی صفحه ای اساساً" با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدل ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدل های لوله ای) پیشی بگیرد. به دلیل تنوع بسیار زیاد محدوده های طراحی این نوع مبدل ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکت های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمی کنند.
مبدل های صفحه ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا می کنند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند و به نحوی چیدمان شده اند که دو سیال عامل بصورت یک در میان میان صفحات جریان دارند. طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد می کند که مجموعه از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه ای مناسب را بدهند. مبدل های حرارتی صفحه ای معمولاً "در جریان سیالتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می شوند. از آنجا که کانالهای جریان کاملاً کوچک هستند جریان قوی گردابه ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می گردد بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می شود. واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می نمایند. شکل جریان عموماً" به نحوی انتخاب می شوند که جریان سیالها خلاف جهت یکدیگر باشند.
انواع مبدل های صفحه ای
صفحه ای حلزونی
مبدل حرارتی حلزونی سیال گرم ۱ و سیال سرد ۲
با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شود. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می دهد این نوع مبدل های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعاً گران قیمت می باشند. سطح انتقال حرارت برای این مبدل ها در محدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشار کارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ سانتیگراد محدوده می شود. این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می شود.
مجموعه صفحات و فریم اصلی
هنگامیکه تعدادی از صفحات این نوع مبدل ها بهم فشرده می شوند و تشکیل مبدل صفحه ای را می دهند سوراخهای واقع در گوشه های این صفحات تشکیل تونلها و یا مجاری پیوسته ای را می دهند که سیال را از مبدا ورودی به صفحات هدایت می کند که در آنجا با توجه به شکل شیارهای صفحات بین آنها توزیع می شود. مجموعه این دسته از صفحات با وسائل مکانیکی و یا هیدرولیکی بهم فشرده می شوند. جویهای جریان سیال که در مابین صفحات و خروجی گوشه های آن تشکیل می شود به نحوی چیدمان شده است که جریانهای سرد و گرم انتقال حرارت بشکل یک در میان در کنار یکدیگر قرار می گیرند بطوریکه همیشه دارای چیدمان مخالف جهت حرکت جریان می باشند. در طی عبور از مبدل حرارتی، سیال گرمتر بخشی از انرژی حرارتی خود را از طریق دیواره صفحه ای نازک به سیال سردتر در سمت دیگر منتفل می کند و در نهایت سیالها به حفره های لوله ای شکلی که در انتهای دیگر مجموعه صفحات وجود دارد سرازیر می شوند و از مبدل خارج می شود. این صفحات می توانند تا صد عدد در یک مبدل در کنار هم قرار گیرند و خدمات حرارتی خود را به صنعت ارائه دهند. مجموعه صفحات بین دو صفحه فلزی انتهائی بوسیله پیچ بهم وصل می شوند. صفحات و قطعات منفصل فریم از میله حامل بالائی آویزان هستند و در انتهای مبدل بوسیله میله راهنما نگهداری می شوند. میله حامل و میله راهنما به قطعه ثابت فریم پیچ و مهره می شود و بجز مبدل های کوچک بقیه به تکیه گاه انتهائی متصل می شوند هر چند این نمی تواند همیشه یک قاعده کلی باشد. مجموعه صفحات مانند دسته لوله ها در مبدل های پوسته ای و لوله ای است با این تفاوت مهم که دو سمت جریان گرم و سرد در یک مبدل حرارتی صفحه ای معمولاً دارای مشخصه های هیدرودینامیکی یکسانی می باشد. صفحه فلزی مبدل جزء اساسی این سیستم حرارتی محسوب می شود که اندازه بزرگترین صفحه از ۳/۴ متر ارتفاع و ۱/۱ متر عرض می باشد. نرخ انتقال حرارت برای یک صفحه در محدوده رنج ۰۱/۰تا ۶/۳ متر مربع قرار دارد که برای اجتناب از توزیع غیریکسان سیال درعرض صفحه، حداقل نسبت طول/عرض حدود ۸/۱ انتخاب می شود. ضخامت صفحات مبدل در محدوده رنج ۵/۰ تا ۲/۱ میلی متر که در فواصل ۵/۲ تا ۵ میلی متر از یکدیگر قرار گرفته اند تا قطر هیدرولیکی ۴ تا ۱۰ میلی متر را برای کانال عبور جریان ایجاد کند.
مزایای مبدل های صفحه ای
تنوع در طراحی صفحات و چیدمان شیارها و سایز و زوایا
سطح انتقال حرارت با توجه به امکان در تغییر تعداد صفحات و شکل بندی آن براحتی قابل وصول است.
انتقال حرارت بهینه که بدلیل درهم بودن جریان و کوچکی قطر هیدرولیکی برای هر دو سیال عامل دارای ضریب انتقال حرارت بزرگ هستند.
باتوجه به فشردگی صفحات سطح انتفال حرات به حجم ارزشمند است.
اتلاف حرارت بسیار ناچیز دارد و نیاز به عایقکاری ندارد
در حالت خراب واشر لاستیکی دو سیال تحت هیچ شرایطی مخلوط نمی شوند.
مبدل های حرارتی صفحه ای بدلیل توربولانس جریان درصد بسیار کمی رسوب گذاری دارد.
مبدلهای حرارتی
فرایند تبادل بیشگرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی از هم جدا شده اند در بسیاری از کاربردهای مهندسی روی می دهد. وسیله ای را که برای این تبادل به کار می رود مبدل گرمایی می گویند، و موارد کاربرد آن را در سیستم های گرمایش ساختمان ها، تهویه مطبوع، تولید قدرت، بازیابی گرمای هدر رفته، و فرآوری شیمیایی می توان یافت. ما در فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی نیاز به گرم کردن و یا سرد کردن سیالاتی داریم که مورد استفاده قرار می گیرند. برای تبادل گرمای دو سیال بدون آنکه با هم آمیخته شوند، نیاز به سطح انتقال حرارت داریم.
امروزه در سراسر دنیا کارخانه های فراوانی یافت می شوند که در زمینه ساخت مبدل های حرارتی فعالیت می کنند. آن ها بر اساس نیاز مشتری خود و بر اساس استانداردهای تعیین شده به طراحی و ساخت مبدل های حرارتی در سایزها و گونه های مختلف مبادرت می ورزند. در زیر به طور خلاصه به بررسی مبدل ها و روابط کلی انتقال حرارت در آنها می پردازیم.
مبدل گرمایی با جریان ناهمسو
بر خلاف مبدل با جریان همسو ، در مبدل با جریان ناهمسو انتقال گرما بین قسمت های گرم دو سیال در یک سر ، و همچنین بین قسمت های سرد دو سیال در سر دیگر روی می دهد . به همین دلیل اختلاف دما ، در طول مبدل در هیچ جا به بزرگی ناحیه ورودی مبدل با جریان همسو نیست . توجه کنید که دمای خروجی سیال سرد در اینجا می تواند بزرگ تر از دمای خروجی سیال گرم باشد . برای مبدل با جریان ناهمسو اختلاف دما در نقاط انتهایی به صورت زیر تعریف می شود :
باید دانست که ، برای دماهای ورودی و خروجی یکسان ، اختلاف دمای میانگین لگاریتمی در جریان ناهمسو از اختلاف دمای میانگین لگاریتمی در جریان همسو بیشتر است . لذا ، با فرض مقدار U یکسان ، مساحت سطح لازم برای ایجاد آهنگ انتقال گرمای معین q در جریان ناهمسو کمتر از مساحت لازم در جریان همسو است
جهت جر یا نها در مبدل دو لوله ای
Double Pipe Heat Exchenger
Sprial Heat Exchenger
حالت جریان در مبدل حلزونی
Plate
خطوط مختلف روی صفحات
حالت جریان در مبدل
Plate
اتصال لحیمی مبدل
Plate
Air Cooler
جهت جریان هوا در Air Cooler
Induced Air Cooler
Forced Air Cooler
Rear Head,StationeryHead,Shell,Tube
تبادل حرارت سیالات در مبدل
دسته بندی مبدلهای حرارتی
U TYPE
Floating Head Exchenger
Expantion Joint
انواع مبدل ها ازنظر نوع حرکت جریان
Co Current
Counter Current
Co & Counter Current
Cross Current
Cross Current
با تشکر