مقاله کامل مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی:
مبدل حرارتی وسیله‌ای است که برای انتقال حرارت موثر بین دو یا چند سیال ساخته شده است که در آن دو سسال توسط یک دیواره از هم جدا شده‌اند، بنابراین دو سیال هیچ وقت در همدیگر وخلوط نمی‌گردند.
بیشترین استفاده مبدل‌های حرارتی در: حرارت دادن‌های فضایی، یخچال‌ها، تهویه مطبوع، تجهیزات قدرت، واحد‌های شیمی، پتروشیمی، پالایشگاه‌ها و نصفیه گازهای طبیعی می‌باشد.
یک مثال ملموس از مبدل حرارتی، تشعشع حرارت در اتومبیل‌ها می‌باشدکه در آن حرارت توسط سیال خنکی از منبع حرارت که موتور ماشین می‌باشد گرفته می‌شود.

اجزاء مختلف مبدل‌ها:
مبدل‌های حرارتی موجود در صنایع و کارخانجات به خصوص صنعت پتروشیمی، معمولا «از نوع پوسته و لوله (Shell & Tube) می‌باشند. از مزایای این مبدل‌ها می‌توان به سطح تماس زیاد در حجم کم، طرح مکانیکی خوب و توزیع یکنواخت فشار و راحتی تمیز کردن آن‌ها اشاره کرد. می‌توان گفت که ساختمان مبدل‌ها شامل تعدادی لوله واست که در داخل یک استوانه قرار می‌گیرند، و دو سیال مورد نطر که یکی سرد و دیگری گرم است، بدون اینکه بطور مستقیم با یکدیگربرخورد کنند از طریق دیواره فلزی لوله‌ها با یکدیگر تبادل حرارت خواهند کرد. به عبارت دیگر یکی از این دو سیال در لوله‌ها و دیگری در اطراف لوله‌ها، درون پوسته جریان خواهد داشت.

با توجه به توضیح مختصری که داده شد، اجزاء یک مبدل حرارتی عبارتند از:

لوله‌ها (Tubes):
جنس، تعداد، قطر، طول و ضخامت لوله‌ها به طبیعت سیال (خورنده یا بی‌اثر، تمیز یا کثیف و...) مقدار جریان سیال، فشار و درجه حرارت سیال و بار حرارتی مبدل بستگی دارد. لوله ممکن است به صورت راست (دو سر باز) یا به شکل U روی صفحه‌ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند. لوله‌ها معمولا از جنس فولاد یا مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون ساخته می‌شوند.

پوسته (Shell):
جنس، قطر، ضخامت و حجم پوسته به طبیعت سیال، مقدار جریان سیال، فشار و درجه حرارت سیال و مشخصات دسته لوله (Tube Bundle) از نظر قطر و طول آن بستگی دارد. نوع کاربرد نیز تعیین کننده خواهد بود. از جمله پوسته مبدل‌های از نوع تبخیر کننده و همینطور جوشاننده دارای فضای تبخیر می‌باشند.

صفحه لوله (Tube Sheet):
صفحه‌ای دایره‌ای شکل که سر لوله‌ها روی آن قرار می‌گیرد، جنس و ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله‌ها، تعداد لوله‌ها و نوع مبدل حرارتی بستگی دارد. لوله‌ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلانج به آن متصل باشد.
لوله‌ها عموما» با دو آرایش مربعی یا مثلثی روی صفحه لوله‌ها نصب می‌گردند. در آرایش مربعی کمترین مقاومت در مقابل جریان و در نتیجه حداقل افت فشار به وجود می‌آید. یکی از معایب آرایش مربعی قرار گرفتن نعداد کمتر لوله در یک سطح معین می‌باشد. وقتی که آرایش لوله‌ها مثلثی باشد، افت فشار جریان پوسته بیشتر از وقتی است که آرایش مربعی باشد، اما میزان انتقال حرارت در آرایش مثلثی بیشتر است.

کانال (Channel):
جریان سیال به داخل لوله‌ها از طریق کانال صورت می‌کیرد. تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل موجود است. در مبدل‌های حرارتی چند گذره (Multipass) از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می‌شود تا کانال به دو یا چند قسمت تقسیم شود.

تیغه (Baffle):
تیغه‌ها به شکل دایره برش خورده یا دیسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته می‌شوند. برای افزایش زمان تبادل حرارتی بین لوله‌ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می‌شود. تیغه‌ها در داخل پوسته قرار گرفته و لوله‌ها از میان سوراخ‌های آن‌ها که به تعداد لوله‌ها می‌باشند عبور می‌کنند. این صفحات دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند. با ایجاد جریان‌های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله‌ها را از بین برده و ضریب انتقال حرارت را بالا می‌برند. همینطور لوله‌ها را نگهداشته و از خم شدن آن‌ها جلوگیری می‌کنند.
تیغه‌های طولی (Longitudinal Baffle) گاهی اوقات برای تقسیم کردن جریان پوسته به دو یا سه گذر قرار می‌گیرند.

سر پوسته (Shell Head):
معمولا «به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می‌شود و در مواقع لزوم برای بازرسی لوله‌ها برداشته می‌شود.

جریان در لوله‌ها و پوسته:
در پوسته یک گذر، سیال از یک انتهای مبدل وارد شده و از انتهای دیگر خارج می‌شود. در یک مبدل حرارتی دو گذر لازم است که سیال از یک انت‌ها وارد و از‌‌ همان انت‌ها خارج شود. در یک مبدل حرارتی دو گذر لازم است که سیال از یک انت‌ها وارد و از‌‌ همان انت‌ها خارج شود. انتخاب ترتیب جریان در پوسته بستگی به مقدار سرد یا گرم کردن و نیز افت فشار مورد نیاز و نوع کار دارد. مثلا» مبدل جوشاننده نوع کتری برای جریان‌های تبخیر شونده در پوسته مناسب است.
برا ی جریان در لوله‌ها از ۱ تا ۱۶ گذر ممکن است استفاده شود. در یک مبدل حرارتی که دارای دو گذر است، سیال در میان نیمی از لوله‌ها در یک جهت و در میان نیمی دیگر از لوله‌ها در جهت مخالف جریان می‌یابد. انجام این کار نیاز به یک صفحه تقسیم کننده در کانال ورودی دارد.

انواع مبدل‌های لوله و پوسته:

مبدل‌های سر ثابت (Fixed Tube Sheet Exchanger):
در مبدلهای نوع سر ثابت، صفحه لوله‌ها به پوسته جوش یا به وسیله پیچ و مهره محکم شده است، لذا با تغییرات درجه حرارت جائی برای انبساط لوله و پوسته هر یک به طور جداگانه وجود ندارد. انبساط یا انقباض هر یک از دو جزء فوق به تنهایی ممکن است موجب شکستن و یا خمیدگی لوله‌ها شود، لذا اختلاف درجه حرارت دو سیال که با هم تبادل حرارت می‌کنند نباید زیاد باشد.

برای غلبه بر این مشکل معمولا «از اتصالات انبساطی (Expansion Joint) روی پوسته مبدل استفاده می‌شود. وقتی که لوله و پوسته سرد شوند اتصال انبساطی و لوله‌ها منقبض می‌شوند و کشش وارده بر نقاط جوش خورده کاهش می‌یابد. به دلیل مشکلاتی که در بازرسی و تمیز کردن مبدل‌های سر ثابت وجود دارد عموما» در جایی استفاده می‌شوند که احتمال کثیف شدن پوسته محدود باشد.

مبدل‌های سر شناور (Floating Head Heat Exchanger):
در این نوع مبدل، یکی از صفحع لوله‌ها بین کانال و پوسته پیچ و مهره شده و در وضعیت ثابتی قرار می‌گیرد، اما صفحه لوله دیگر در داخل پوسته به صورت شناور در آمده، امکان انبساط یا انقباض برای هر یک از دو جزء حامل سیال یعنی لوله و پوسته وجود دارد. از این رو اختلاف درجه حرارت دو سیالی که با هم تبادل حرارت می‌کنند هر چند که زیاد باشد اشکالی ایجاد نخواهد کرد.
بعد از باز کردن صفحه ثابت، دسته لوله و سر شناور را می‌توان مانند واحد یکپارچه بیرون کشید. بدین طریق امکان امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله‌ها می‌سر می‌گردد. ایراد این مبدل‌ها فاصله نسبتا «زیاد بین پوسته و لوله می‌باشد. این فاصله برای تطبیق دادن صفحه شناور لوله‌ها با پوسته می‌باشد. چون در این فضا نمی‌توان لوله‌ای به کار برد، این فضا بلااستفاده می‌ماند و بازده این مبدل‌ها کاهش می‌یابد.

مبدل با لوله‌های U شکل (U – Tube Exchanger):
این نوع مبدل حرارتی شامل فقط یک کانال و یک صفحه لوله می‌باشد. از این رو ورودی و خروجی لوله‌ها از طریق یک کانال که به دو قسمت تقسیم شده است، صورت می‌گیرد. همانطور که از نام این مبدل حرارتی پیدا است لوله‌ها به شکل حرف لاتین U ساخته می‌شوند. با باز کردن پیچ و مهره‌ها، کانال از پوسته جدا می‌شود و صفحه لوله‌ها و دسته لوله‌ها را می‌توان از پوسته خارج نمود به طوری که امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت داخلی لوله‌ها می‌باشد. از طرفی نمی‌توان جریان‌های حاوی مواد جامد (کثیف) را به خاطر ایجاد ساییدگی در خم موجود در لوله‌ها استفاده کرد. این مبدل‌ها برای سیالاتی به کار می‌روند که اختلاف درجه حرارت زیادی داشته باشند، زیرا انتهای U شکل لوله‌ها، امکان انبساط و انقباض را تا حد زیادی به وجود می‌آورند.

تشخیص نوع و اندازه مبدل‌های پوسته و لوله:
اندازه نبدل با توجه به کد TEMA با قطر پوسته و طول لوله‌ها بر حسب اینچ مشخص می‌شود، مبدل با اندازه ۱۹۲ – ۲۳ داری قطر ۲۳ و طول لوله‌ها ۱۹۲ اینچ می‌باشد. با توجه به نوع سر ثابت (Stationary Head) نوع پوسته (Shell Type) و نوع سر انتهایی (Rear Head) نیز نوع مبدل توسط سه حرف لاتین مشخص می‌شود. مثلا» مبدلی با اندازه ۱۹۲ – ۱۷ نوع AES دارای پوسته‌ای به قطر ۱۷ اینچ می‌باشد. این مبدل دارای یک کانال و یک سرپوش قابل جدا کردن می‌باشد و دارای پوسته‌ای با یک گذر و دارای سر شناور با دو نیم حلقه می‌باشد.

مبدل‌های دو لوله‌ای (Double Pipe Heat Exchanger):
این مبدل حرارتی از دو لوله هم مرکز ساخته شده که یکی کوچک‌تر از دیگری می‌باشد. یکی از جریانات از داخل لوله کوچک‌تر و دیگری از بین دو لوله عبور می‌کند. گاهی اوقات برای ازدیاد سطح تماس و تبادل حرارتی بهتر سطح خارجی لوله داخلی با پره‌های (Fins) طولی پوشیده شده می‌شود. این مبدل‌ها برای بار حرارتی زیاد مناسب نیستند.

کولر یا خنک کننده هوایی (Fin Fan or Air Cooler):
کولر‌های هوایی برای خنک کردن سیالاتی چون گاز، مایعات نفتی، آب و نیز مایع کردن بخارات در صنایع به کار می‌روند. کولرهای هوایی به اشکال مختلف ساخته می‌شوند که در زیر شرح مختصری در مورد هر یک داده خواهد شد:
کولر‌های هوایی با پنکه مکنده (Induced Draft)، فن بالای کولر قرار می‌گیرد.
کولر‌های هوایی با پنکه دمنده (Forced Draft)، فن پایین کولر قرار می‌گیرد.
کولر‌های هوایی با جریان طبیعی هوا (Natural Draft)، بدون استفاده از فن، عمل خنک کردن سیالات را توسط جریان طبیعی هوا انجام می‌دهد.
کولر‌های هوایی با استفاده از هوای مرطوب (Humidity Air Cooler)، علاوه بر داشتن فن، در زیر آن حوضچه‌ای پرآب قرار دارد که هوای مورد نیاز را مرطوب می‌کند. در این حالت عمل خنک کردن بهتر صورت می‌گیرد.
ساختمان هر چهار نوع مبدل حرارتی فوق از تعداد زیادی لوله‌های افقی که در داخل آن‌ها سیالی جریان دارد تشکیل می‌شود. سطح خارجی لوله‌ها توسط پره‌های (Fins) عرضی پوشیده شده و در ارتفاعی بالا‌تر از سطح زمین نصب می‌گردد.

کاربرد هر یک از مبدل‌های حرارتی:
به طورکلی هریک ازمبدل‌های حرارتی یابرای گرمایش یا سرمایش جریان استفاده می‌شوند.

مبدل‌های حرارتی سرد کننده:
خنک کننده (Cooler):
در این نوع مبدل درجه حرارت بدون اینکه حالت سیال عوض شود کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر قسمتی از گرمای محسوس سیال گرفته می‌شود. اگر عمل سرد کردن توسط آب صورت گیرد به آن کولر آبی (Water Cooler) می‌گویند و دارای ساختمان معمولی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله می‌باشد.

چگالنده (Condenser):
وظیفه این مبدل تبدیل بخار به مایع است و بر این اساس لازم است که گرمای نهان تبخیر یک بخار را جذب تا به مایع تبدیل شود. این مبدل می‌تواند ساختمان یکی از انواع خنک کننده‌های آبی یا هوایی را داشته باشد و معمولا «به طور افقی نصب می‌شوند.

سرد کننده (Chiller):
می‌دانیم هر مایعی که بخواهیم تبخیر شود احتیاج به انرژی حرارتی دارد و اگر این انرژی را از محیط بگیرد به ناچار محیط سرد خواهد شد، در صنایع نفت برای تولید سرما از مایعات نفتی مثل پروپان و بوتان که در شرایط متعارفی بخارند استفاده می‌شود.
سرد کننده دارای ساختمان پوسته و لوله بوده و در قسمت فوقانی پوسته دارای فضایی جهت تبخیر پروپان می‌باشد. مایع پروپان از ته مبدل وارد و در اطراف لوله‌ها تبخیر و تولید سرما می‌کند.

مبدل‌های حرارتی گرم کننده:
تمام مبدل‌های حرارتی که وظیفه افزایش درجه حرارت مواد را به عهده دارند در حقیقت گرم کننده (Heater) می‌باشند. مانند جوشاننده، تبخیر کننده، کوره و...

جوشاننده (Reboiler):
این مبدل بر خلاف تبخیر کننده (Vaporizer)، تنها جزئی از کل مایع را که مورد نظر می‌باشد به حالت بخار تبدیل می‌کند. جوشاننده‌ها معمولا» دارای ساختمان لوله و پوسته و به قسمت پایین برج تفکیک متصل می‌شود

جوشاننده نوع سیفونی (Thermosyphon):
معمولا «به طور عمودی در کنار برج نصب می‌شود. جریان مایع از ته برج به لوله‌ها بر اساس خاصیت سیفونی برقرار می‌شود. به این ترتیب که تبخیر جزئی از مایع داخل لوله بر اساس خاصیت سیفونی بر قرار می‌شود. به این ترتیب که تبخیر جزئی از مایع داخل لوله توسط سیال گرم باعث می‌شود که سطح مایع در نبدل حرارتی نسبت به برج پایین‌تر رفته و به وجود آمدن این اختلاف سطح موجب جریان مایع از برج به مبدل حرارتی خواهد شد.

تحلیل مبدل حرارتی:

اگر نرخ کلی انتقال گرما بین سیال سرد و گرم باشد و انتقال گرمای بین مبدل حرارتی و محیط و تغییرات ارژی جنبشی و پتانسیل ناچیز باشد داریم-
q = mh cp، h (Th، i-Th، o)     (۱)

q = mc cp، c (Tc، o-Tc، i)     (۲)

رابطه مفید دیگر را می‌توان از ارتباط بین نرخ انتقال گرمای کل و اختلاف دمای لگاریتمی بین سیال بدست آورد. رابطه مورد نظر تعمیمی از قانون سرمایش نیوتن است.

q = UAΔTlm    (۳)

U=ضریب انتقال گرمای کلی
A=سطح تبادل گرمایی
ΔTlm= (ΔT۲- ΔT۱) /Ln (ΔT۲/ ΔT۱)

جریان همسو:
در آرایش جریان همسو سیال گرم وسرد از یک انتهای مبدل وارد می‌شوند، همسو جریان دارند و از یک انت‌ها خارج می‌شوند. در این جریان روابط زیر به کار گرفته می‌شود:
ΔT۱= Th، i- Tc، i

ΔT۲= Th، o- Tc، o

جریان ناهمسو:
در آرایش جریان ناهمسو سیال گرم وسرد از دو سمت جداگانه وارد مبدل می‌شوند، ناهمسو جریان دارند و از سمت‌های مخالف خارج می‌شوند. دمای خروجی سیال سرد در این حالت ممکن است از دمای خروجی سیال گرم بیشتر باشد. در این جریان روابط زیر به کار گرفته می‌شود:
ΔT۱= Th، i- Tc، o
ΔT۲= Th، o- Tc، i

شرح دستگاه:
مبدل حرارتی به کار رفته در این آزمایش از نوع دو لوله ایست که سیال گرم در لوله داخلی و سیال سرد از لوله بیرونی عبور می‌کند. آب گرم دستگاه توسط یک هی‌تر که به منبع پشت مبدل وصل است تامین می‌شود و بوسیله یک پمپ در مبدل جریان می‌یابد. شدت جریان اب گرم و سرد توسط دو دبی سنج تنظیم می‌شود. دمای آب نیز در ابتدا، وسط و انتهای لهله مبدل بوسیله سنسور خوانده می‌شود. دمای آب گرم را بوسیله خاموش و روشن کردن هی‌تر ثابت نگه می‌داریم

جدول نتایج:
                  ۱     ۲       ۳       ۴
نوع جریان    همسو    ناهمسو    ناهمسو    همسو
دبی آب گرم    ۱۰    ۱۰    ۱۰    ۱۰
دبی آب سرد    ۱۰    ۱۰    ۲۰    ۲۰
دمای آب گرم ورودی    ۴۴    ۴۴    ۴۴    ۴۴
دمای آب سرد ورودی    ۲۱. ۴    ۲۱. ۲    ۲۰. ۴    ۲۱. ۲
دمای آب گرم در وسط    ۲۸. ۶    ۳۲. ۳    ۳۴    ۳۴. ۵
دمای آب سرد در وسط    ۲۳. ۲    ۲۳. ۴    ۲۲. ۵    ۲۳
دمای آب گرم خروجی    ۲۷. ۳    ۲۶. ۶    ۲۶. ۵    ۲۸. ۲
دمای آب سرد خروجی    ۲۳. ۵    ۲۵    ۲۳. ۶    ۲۳. ۲
    T (C) m (gr/s)

محاسبات:
۱) بدست آوردن دمای آب سرد خروجی
با استفاده از رابطه ۱ و با داشتن دبی آب گرم، دمای ورودی و خروجی آب گرم گرمای منتقل شده در مبدل را بدست آورده وبا استفاده از رابطه ۲ دمای آب سرد خروجی در حالت تئوری بدست می‌آید. باید توجه داشت که کلیه خواص مورد نظر باید در دمای متوسط سیستم خوانده شود. دمای متوسط برای آب گرم و سرد برابر است با:

Th، ave= (Th، i+Th، o) /۲
Tc، ave= (Tc، i+Tc، o) /۲

مرحله آزمایش    mh (gr/s)     mc
(gr/s)     Th، ave    Tc، ave    Cp، h    Cp، c    Tc    Tc real
۱    ۱۰    ۱۰    ۳۵. ۶    ۲۲. ۴    ۴. ۱۷۸    ۴. ۱۸۱    ۳۰    ۲۳. ۵
۲    ۱۰    ۱۰    ۳۵. ۳    ۲۳. ۱    ۴. ۱۷۸    ۴. ۱۸۱    ۳۸. ۵    ۲۵
۳    ۱۰    ۲۰    ۳۵. ۲    ۲۲    ۴. ۱۷۸    ۴. ۱۸۱    ۲۹. ۱    ۲۳. ۶
۴    ۱۰    ۲۰    ۳۶. ۱    ۲۲. ۲    ۴. ۱۷۸    ۴. ۱۸۱    ۲۹. ۰۹    ۲۳. ۲LMTD بدست آوردن ضریب انتقال گرمای کلی به روش (۲
با استفاده از گرمای انتقالی بدست آمده از مرحله قبل، سطح تبادل گرما، اختلاف دمای لگاریتمی و رابطه ۳ می‌توان ضریب انتقال گرمای کلی را بدست آورد.
L = ۱۳۴ cm
Di = ۱۲. ۱۶ mm
Do = ۱۲. ۷۴ mm
A = л. DiL =۰. ۰۵۱ m۲
مرحله آزمایش    نوع جریان    q (w)     ΔTlm    U) w/m۲. k)
۱    همسو    ۶۹۷. ۷        ۱۰. ۵    ۱۲۹۴. ۱
۲    ناهمسو    ۷۲۶. ۹    ۱۰. ۸    ۱۳۱۴. ۲
۳    ناهمسو    ۷۳۱. ۱    ۱۱. ۸    ۱۲۰۸. ۲
۴    همسو    ۶۶۰. ۱    ۱۱. ۷    ۱۱۰۱. ۰۹

بدست آوردن ضریب انتقال گرمای کلی به روش تئوری: (۳
. ودر نتیجه Nu و مشخص کردن نوع جریان (آرام یا مغشوش) می‌توان عدد Re در این روش با بدست آوردن عدد
ضریب جابه جایی لوله داخلی و خارجی را بدست آورد. ضریب انتقال گرمای کلی از رابطه زیر بدست می‌آید:

U-۱= (۱/hi) + (۱/ho)
همچنین داریم:

Rei= (۴mh) / (лDiμ)     برای لوله داخلی (آب گرم)

لوله بیرونی (آب سرد)

Reo=) ρumDh) /μ = [ρ (Do –Di) / μ]. [mc/ (ρл (Do۲–Di۲) /۴)] = (۴mc) / (л (Do+Di) μ)

در نتیجه: (Re <۲۳۰۰ بدست آمده نشان می‌دهد هر دو جریان آب سرد و گرم در ناحیه آرام قرار دارند (Re

Nui=۳. ۶۶    لوله داخلی (آب گرم)

Nuo=۴. ۹ for (Di/ Do) =۰. ۹۵        لوله بیرونی (آب سرد)

Do –Di باید از قطر هیدرولیکی استفاده کنیم که برابر است با: ho برای محاسبه
جدول خواص در دمای متوسط

مرحله آزمایش    نوع جریان    kh. ۱۰۳    kc. ۱۰۳    μh. ۱۰۶    μc. ۱۰۶
۱    همسو    ۶۲۴    ۶۰۶    ۷۴۰    ۹۵۹
۲    ناهمسو    ۶۲۴    ۶۰۵    ۷۴۰    ۹۵۹
۳    همسو    ۶۲۴    ۶۰۶    ۷۴۰    ۹۵۹
۴    ناهمسو    ۶۲۸    ۶۰۶    ۶۹۵    ۹۵۹

ضریب انتقال گرمای کلی به روش تئوری

مرحله آزمایش    نوع جریان    Rei    Reo    hi    ho    U
۱    همسو    ۱۴۱۴. ۹    ۵۳۳. ۲    ۱۸۷. ۸    ۵۲۷۱. ۷    ۱۸۱. ۳۴
۲    ناهمسو    ۱۴۱۴. ۹    ۵۳۳. ۲    ۱۸۷    ۵۲۰۰    ۱۸۰
۳    ناهمسو    ۱۴۱۴۹    ۱۰۶۶. ۴    ۱۸۰    ۸۱۷۸    ۱۸۰
۴    همسو    ۱۵۰۶. ۵    ۱۰۶۶. ۴    ۱۸۱. ۵    ۵۲۰۰    ۱۷۵. ۴

بدست آمده در دو روش به خاطر رسوبات درون لوله هاست که تاثیر زیادی روی ضریب انتقالUاختلاف زیاد
گرما و همچنین بازده مبدل حرارتی دارد. بنابراین در طراحی مبدل حرارتی تاثیر رسوبات نیز بوسیله فاکتوری به نام ضریب رسوب اعمال می‌شود تا بازده مطلوب مبدل در دسترس باشد.

آرایش جریان در مبدل‌های حرارتی:
یک گونه طبقه بندی مبدل‌های حرارتی، بر حسب آرایش و نحوه حرکت جریان سیال در آن‌ها است. در مبدل‌های حرارتی ((جریان موازی))، دو سیال وارد شده، هر دو از یک سوی مبد وارد آن می‌شوند و یه صورت موازی همراه یکدیگر تا رسیدن به آن سوی مبدل حرکت می‌کنند. در مبدل‌های حرارتی با جریان‌های نا‌همسو، سیالات وارد شده به مبدل حرارتی، از دو سوی مخالف وارد گشته و جهت حرکت آن‌ها مخالف یکدیگر است. این نوع مبدل بسیار موثر‌تر از نوع جران نوازی یا ((همسو)) می‌باشد زیرا میزان حرارت انتقال یافته از دو سیال به یکدیگر بیشتر است. برای اینکه بازده مبدل‌های حرارتی بالا‌تر رود، طوری آن را طراحی می‌کنند که بیشترین سطح تماس و کمترین مقاومت حرکتی بین دو سیال ایجاد گردد. کارایی مبدل‌های حرارتی با اضافه کردن فین‌ها و موج‌های اضافی، حتی بیشتر خواهد شد زیرا سطح تماس بیشتر از قبل شده و در سیال ایجاد تلاطم می‌کند.
حرارت انتقال یافته توسط نبدل حرارتی، به موقعیت آن نیز بستگی دارد. برای این منظور از LMTD استفاده می‌کنند تا وضعیت بهتری به مبدل اعمال کنند. ولی گاهی اوقات، اطلاعاتی از LMTD در دسترس نیست، بنابراین به ناچار از روش NTU در چنین مواردی استفاده می‌گردد.

انواع مبدل‌های حرارتی به طور خلاصه:
*مبدل حرارتی پوسته-لوله: این نوع نبدل‌ها، حاوی یک سری از لوله‌ها می‌باشند. یک دسته از این لوله‌ها مختص سیالی است که باید انتقال حرارات بر روی آن انجام گردد. سیال دیگر، بر روی لوله‌ها و در پوسته حرکت می‌کند، بنابراین هم می‌تواند حرارت را تز سیال به درون خود جذب کند یا به سیال حرارت دهد، هم می‌تواند آن حرارت را به بیرون پوسته انتقال دهد. لوله‌ها اقسان مختلفی دارند: لوله‌های پهن، صفحه‌ای، پره دار بلند و.... این نوع مبدل‌های حرارتی، در فشار‌های بالا (حدود و بیشتر از ۳۰ بار) و دماهای بالا‌تر از ۲۶۰ سانتیگراد کاربرد دارند که دلیل آن، قابلیت تحمل این شکل از نبدل‌ها در چنین شرایطی است.

در طراحی چنین مبدل‌های حرارتی، موارد زیر بهتر است که نادیده گرفته نگردد:
ابعاد لوله: هرچه ابعاد لوله کمتر باشد، مبل حرارتی کوچک‌تر و اقتصادی تری خواهیم داشت و پر شدن مبدل نیز راحت‌تر انجام گردد ولی تمیز سازی مکانیکی آن در عوض، مشکل‌تر خواهد شد.
ضخامت لوله: که باید بهینه باشد زیرا:
مقاومت در برابر خوردگی بالا رود، مقاومت در برابر ضریه‌های جریان سیال بالا‌تر رود، مقاومت محوری بیشتر گردد،.
بلندی لوله
تراکم و تعداد لوله‌ها
میزان موج‌های لوله‌ها که هر چه موارد یاد شده بهینه‌تر باشند، میزان انتقال حرارت بیشتر خواهد بود.
جانمایی و زاویه نصب لوله‌ها: چهار نوع چیدمان عمده عبارتند از:
مثلثی: تصب لوله‌ها با زاویه ۳۰ درجه نسبت به محور
مثلثی وارونه: نصب لوله‌ها با زاویه ۶۰ درجه نسبت به محور
مربعی: نصب لوله‌ها با زاویه ۹۰ درجه نسبت به محور
مریعی وارونه: نصب لوله‌ها با زاویه ۴۵ درجه نسبت به محور
و در آخر نیز باید به طراحی پره‌ها اشاره کرد که بحث راجب آن‌ها از حوصله این مبحث خارج است.

*مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای: نوع دیگر از مبدل‌های حرارتی، مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای است که از صفحه‌های چندگانه، نازک، پهن و جدا از هم که سطح زیادی از سیال را در بر می‌گیرد تشکیل شده است.

راندمان این نوع مبدل‌های حرارتی نسبت به مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله کمتر است، چیدمان آن‌ها راحت‌تر است ولی بر خلاف ظاهرشان، طراحی سخت تری داند ولی هزینه تمام شده برای ستخت آن‌ها ارزان‌تر از مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله است.

*مبدل‌های حرارتی بازیافت کننده: نوع سوم از مبدل‌های حرارتی می‌باشد که در آن، سیالی که باید انتقال حرارت از آن انجام گردد در قاب پوسته، و سیال دوم بر روی پوسته حرکت می‌کند.
نکته‌ای جلب توجه می‌کند، این است که سیال دوم توسط عمال سومی خنک (یا در بعضی مواقع، گرم) می‌گردد و به هیچ عنوان از مبدل حرارتی خارج نمی‌گردد. این نوع مبدل‌ها، جزء گران‌ترین مبدل‌ها از لحاظ تولید و باصرفه‌ترین مبدل‌ها از لحاظ صنعتی هستند.

*مبدل‌های حرارتی آدیاباتیک غلتکی و و مبدل‌های حرارتی صفحه پره‌ای و مبدل‌های حرارتی سیالات خاصّ نیز دیگر انواع مبدل‌های حرارتی هستند که توضیحات بیشتر را می‌توانید از منابع آخر این گزارش کار بدست آورید.
مبدل‌های حرارتی بر اساس:
۱_ پیوستگی یا تناوب جریان
۲_ فرآیندانتقال
۳_ فشردگی یا تناوب جریان
۴ _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
۵ _ درجه حرارت کارکرد
۶_ سازوکار انتقال حرارت
۷_ تعداد سیال
۸_ آرایش جریان
دسته بندی می‌شوند.

انواع مبدل‌های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد:
۱-مبدل‌های حرارتی لوله‌ای (tube» heat exchanger «):
این نوع از مبدل‌ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دستهٔ مختلف تقسیم بندی می‌شوند:
۱_ تک لوله‌ای
۲_ دولوله‌ای
۳_ لوله مار پیچ
۴_ چند لوله‌ای
۵_ لوله پوسته

مبدل حرارتی دو لوله‌ای (Double tube» heat exchanger «)
ساده‌ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می‌شود مبدل حرارتی دو لوله‌ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می‌شود. که از دو لولهٔ هم محور و به شکل U تشکیل شده است. در این نوع مبدل یکی از سیال‌ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می‌کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می‌پذیرد.

لوله‌های هم محور ری که درون هم قرار می‌گیرد در یک انت‌ها توسط یک زانوی ۱۸۰ درجه مطابق شکل فوق برگشت داده می‌شود. در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور می‌کند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می‌شود. به شکل زیر توجه کنید:
از مزایای این نوع مبدل‌ها می‌توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم، محاسبات و طراحی آسان، کنترل ساده جریانهای سیال در دو مسیر، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد.
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل‌ها استفاده می‌شود.
مبدل‌های حرارتی لوله مارپیچ (» hellflow spiral «heat exchanger)
این نوع ازمبدل‌های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده‌اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می‌شود و محفظه‌ای اطراف آن را می‌پوشاند. معمولا جنس لوله‌های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ‌های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می‌باشد.
معمولا ابعاد این دسته از مبدل‌ها در مقایسه با سایر مبدل‌های لوله‌ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر‌های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است.

از معایب و مزایای این نوع از مبدل‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
معایب:
۱_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آن‌ها مشکل و زمانبر است
۲_ بدلیل مارپیچ بودن لوله‌ها تمیز کردن ان‌ها عملا مشکل است

مزایا:
۱_ راندمان بالا
۲_ مونتاژ آسان
۳_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
۴_ مناسب برای دبی‌های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل‌های حرارتی لوله _ پوسته (» shell & tube «heat exchanger)
متداول‌ترین و پرکاربرد‌ترین نوع مبدل‌های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد مبدل‌های حرارتی لوله- پوسته می‌باشد که برای کاربرد‌های مختلف و در اندازه‌های گوناگون طراحی و ساخته می‌شود. از این نوع مبدل‌ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می‌شود. اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از:
لوله، صفحه لوله، پوسته، سر جلو، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل‌ها)
این نوع از مبدل‌ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می‌باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که‌‌ همان بدنه یا جداره لوله است امکان می‌پذیرد پس باید جنس لوله‌ها به گونه‌ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت، رسانای خوب گرما نیز باشد.

در مبدل‌های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می‌گیرد که به تعداد لوله‌های داخل مبدل بر روی این ورقه‌ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله‌ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده‌اند.

دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله‌ها هدایت شود و پس از عبور از لوله‌ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می‌کند باید به گونه‌ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله‌ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد. برای دستیابی به این هدف از قطعه‌ای به نام بافل (Baffle) استفاده می‌شود. بافل‌ها به دو منظور در مبدل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله‌ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی. با نصب بافل‌ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله‌ها می‌شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می‌گردد.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای » plate «heat exchanger
این نوع مبدل‌ها از ورق‌های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه‌ای ساخته می‌شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می‌روند. که خود به به سه دسته صفحه و شاسی، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می‌شوند. در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود:

مبدل حرارتی صفحه و شاسی » plate & farme «heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می‌توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آن‌ها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می‌گیرد. بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار‌های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل‌ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده می‌شود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد. از این نوع مبدل‌ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می‌شود.

مبدل‌های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل‌های پره دار استفاده می‌شود.
مبدل حرارتی صفحه پره flat plate exchanger
در مبدل‌های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال‌ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره‌هایی قرار می‌گیرد. این پره‌ها مو جب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می‌شوند. علاوه بر آن پره‌ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار‌ها ی بالا می‌گردد.
این نوع از مبدل‌ها در تهویهٔ مطبوع، پیش گرم کن‌های هوا و بازیاب در توربین‌های گازی استفاده می‌شود.

اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی:
مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای را درنظر بگیرید. سیال ممکن است به صورت موازی یا مختف الجهت جریان یابد و پروفایل‌های درجه حرارت برای این دو حالت بدست می‌آید. انتقال حرارت در این آرایه دو لوله‌ای برابراست با:
در نمودار‌های زیر پرو فایل درجه حرارت برای جریان‌های همسو و ناهمسو نشان داده شده است.

این متن ناقص است برای مشاهده متن کامل آن را دانلود نمایید.

در صورت خراب بودن لینک دانلود " در قسمت نظر دهید " به ما اطلاع دهید تا مشکل را رفع کنیم

حجم فایل : 500 کیلو بایت | فرمت فایل : Doc | زبان : فارسی

دانلود مستقیم | پسورد فایل : kimiagari.ir

گزارش کارهای آز مکانیک سیالات - جمعه سیزدهم مرداد 1391
گزارش کار اندازه گيري دبي به كمك وسايل اندازه گيري - جمعه سیزدهم مرداد 1391
کلمه شیمی یعنی چی؟؟ - جمعه سیزدهم مرداد 1391
زندگینامه آلبرت انیشتین+ عکس رنگی! - جمعه سیزدهم مرداد 1391
معرفی سایتی در زمینه مواد شیمیایی - جمعه سیزدهم مرداد 1391
معرفی کامل رشته شیمی محض و کاربردی - جمعه سیزدهم مرداد 1391
دانلود کتاب تشریح مسائل مکانیک سیالات استریتر - پنجشنبه دوازدهم مرداد 1391

مقاله کامل مبدل های حرارتی

مطالب مشابه :

مقاله کامل مبدل های حرارتی

گزارش کار مبدل حرارتی دو لوله‏‏ ای (آب-آب)

گزارش کار مبدل حرارتی آزمایشگاه انتقال حرارت

گزارش کار انتقال حرارت

مقاله کامل مبدل های حرارتی

نام تجهیز : مبدل حرارتی (Heat Exchanger)

گزارش کار انتقال حرارت

دانلود جزوه طراحی مبدل های حرارتی

گزارش کارهایی از کارگاه انتقال حرارت