مبدل های حرارتی

مقدمه

فرآیند تبادل گرما بین دو سیال با دماهای متفاوت که توسط دیواره جامدی از هم جدا شده­اند در بسیاری از کارهای مهندسی روی می­دهد. وسیله­ای را که برای این تبادل به کار می­رود مبدل گرمایی می­گویند، و موارد کاربرد آن را در سیستم های گرمایش ساختمان­ها، تهویه مطبوع، تولید قدرت، بازیابی گرمای هدر رفته و فرآوری شیمیایی می­توان یافت.

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال حرارت موثر بین دو سیال (گاز یا مایع) استفاده می‌گردد که معمولاً برحسب آرایش جریان و نوع ساخت رده­بندی می­شوند. مبدل­های حرارتی در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع، خودرو، نفت و گاز، صنایع غذایی و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساده­ترین مبدل، مبدلی است که جریان­های گرم و سرد در جهت های یکسان یا مخالف در یک ساختار لوله­ای هم مرکز حرکت می­کنند. در شکل زیر نمایی از این نوع مبدل­ها نشان داده شده است. مبدل­ها انواع مختلفی دارند.

مبدل حرارتی صفحه ای:

مبدل­هاي حرارتي صفحه ای از قرار گرفتن يك سري صفحات فلزي در كنار يكديگر در داخل يك قاب فلزي ساخته مي شوند. اين صفحات در داخل قاب توسط ميله­هاي بلند بهم فشرده مي شوند. طول اين ميله ها در شيارهايی، فاصله بين دو درپوش را طي مي­كنند و توسط مهره به درپوش محكم مي­گردند. اطراف هر صفحه واشری قرار داده مي­شود تا جريان سيال را در مجراي باريكي بين صفحات هدايت نمايد و همچنين از نشت آنها به بيرون جلوگيري كند. در گوشه­هاي هر صفحه، مجرايي جهت ورود و خروج سيال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعي كه صفحات روي هم فشرده مي شوند اين محل­هاي سوراخ شده در يك خط مستقيم قرار مي­گيرند و بدين وسيله هِدِرهاي توزيع سيال در طول مبدل را به وجود مي­آورند.

صفحات مي­توانند از هر فلزي با ابعاد معين ساخته شوند. آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالب­هاي مخصوص روي صفحات چاپ می گردد. هنگامي كه اين صفحات در محل خود در كنار يكديگر قرار مي­گيرند، شيارهاي موجود روي صفحات متوالي تشكيل يك سري كانال­هاي باريك جريان را مي­دهند. و سيال­ها از طريق مجراي خيلي باريك و ظريف بين صفحات متوالي عبور مي نمايند. در مبدل­هاي مختلف آرايش جريان مي­توانند متفاوت باشند. يكي از اين آرايش­ها به صورت موازي مختلف الجهت مي­باشد. در اين نوع آرايش جريان­هاي هر كدام از سيال­ها فقط يك بار ارتفاع صفحات را طي مي­كنند در حالي­كه در آرايش­هاي چندگذر يك سيال ممكن است دوبار و يا بيشتر ارتفاع مبدل را طي نمايد.

مبدل حرارتی صفحه­ای اساسا با توجه به نیازهای صنایع غذایی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شد 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 مبدل­ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانست از رقیب خود (مبدل­های لوله­ای) پیشی بگیرد. مبدل­های صفحه­ای واشردار از تعدادی صفحات نازک، برای جداکردن جریان سیال گرم و یا سرد تشکیل شده است. صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی چیدمان شده­اند که دو سیال عامل بصورت یک در میان صفحات جریان دارند.طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد می­کند که مجموعه ای از صفحات در کنار یگدیگر قرار گرفته و تشکیل یک مبدل صفحه­ای مناسب را بدهند.

هنگامیکه تعدادی از صفحات این نوع مبدل­ها بهم فشرده می­شوند و تشکیل مبدل صفحه­ای را می­دهند، سوراخ­های واقع در گوشه­های این صفحات تشکیل تونل­ها و یا مجاری پیوسته­ای را می­دهند که سیال را از مبدا ورودی به صفحات هدایت می­کند که در آنجا با توجه به شکل شیارهای صفحات بین آنها توزیع می­شود. مجموعه این دسته از صفحات با وسایل مکانیکی و یا هیدرولیکی بهم فشرده می شوند. جوی­های جریان سیال که در مابین صفحات و خروجی گوشه های آن تشکیل می­شود، به نحوی چیدمان شده است که جریان­های سرد و گرم انتقال حرارت به شکل یک درمیان در کنار یکدیگر قرار می­گیرند. در طی عبور از مبدل حرارتی، سیال گرم­تر بخشی از انرژی حرارتی خود را از طریق دیواره صفحه­ای نازک به سیال سردتر در سمت دیگر منتفل می­کند و در نهایت سیال­ها به حفره­های لوله­ای شکلی که در انتهای دیگر مجموعه صفحات وجود دارد سرازیر می شوند و از مبدل خارج می شود. این صفحات می­توانند تا صد عدد در یک مبدل در کنار هم قرار گیرند و خدمات حرارتی خود را به صنعت ارایه دهند.

مزایای مبدل­های صفحه­ای

يكي از امتيازات مهم و اساسي مبدل هاي حرارتي صفحه ای اين است كه سطح انتقال حرارت مبدل به آساني از هم جدا مي شوند. بعد از برداشتن مهره ها و ميله هاي نگه دارنده و جداسازي صفحه متحرك انتهايي صفحات با لغزيدن روي صفحه باريكي براي معاينه از هم جدا مي شوند. اين امتياز كه صفحات به آساني تميز شوند و يا تعويض گردند باعث شده كاربرد اين مبدل ها در صنايع غذايي و لبنيات توسعه يابد. از ديگر امتيازات مهمي كه اين مبدل­ها نسبت به مبدل­هاي پوسته و لوله دارند اين است كه در مقايسه با مبدل­هاي پوسته و لوله، برای انتقال بار حرارتي معيني، به حدود يك سوم تا يك چهارم سطح انتقال حرارت لازم دارند. علتش را مي­توان به این صورت خلاصه نمود که آشفتگی زياد جریان که به علت حركت سيال در مجاري باريك و ناهموار بوجود می آید، سبب افزايش ضريب انتقال حرارت مي گردد. فاصله نزديك به همِ صفحات، مانند اين است كه از لوله هاي با قطر كوچك استفاده شده است كه اين کار ضريب انتقال حرارت را افزايش مي دهد. آشفتگی زياد جریان سبب تقليل سرعت كثيف شدن مي شود. كاهش سطح انتقال حرارت باعث كاهش حجم و وزن و در نتیجه هزینه تمام شده نیز مي شود. دیگر مزایای این مبدل ها عبارتند از:

  • تنوع در طراحی صفحات و چیدمان شیارها و سایز و زوایا.
  • تغییر سطح انتقال حرارت با توجه به امکان در تغییر تعداد صفحات و شکل­ بندی آن به راحتی ممکن است.
  • انتقال حرارت بهینه که بدلیل درهم بودن جریان و کوچکی قطر هیدرولیکی برای هر دو سیال عامل رخ می دهد.
  • باتوجه به فشردگی صفحات، سطح انتفال حرات به حجم ارزشمند است.
  • اتلاف حرارت بسیار ناچیز دارد و نیاز به عایق کاری ندارد.
  • در صورت خرابی واشر لاستیکی، دو سیال تحت هیچ شرایطی مخلوط نمی­شوند.
  • مبدل­های حرارتی صفحه­ای بدلیل آشفتگی جریان، درصد رسوبگذاری بسیار کمی دارند.

با وجود تمام محاسن ذكر شده، يك عيب مهم در مورد اين مبدل ­ها وجود دارد و آن اين است كه سطوحي كه بايد توسط واشر آب ­بندي شود زياد است. اغلب از مواد لاستيكي براي اين كار استفاده مي­شود، اما ماكزيمم فشار و درجه حرارت كاربردي نبايد از 7/2 مگاپاسکال و 400 کلوین تجاوز نمايد. از واشرهاي فيبري و پنبه نسوز كمپرس شده نيز مي­توان استفاده نمود كه براي آن حداكثر درجه حرارت همان 400 کلوین مي­باشد. يكي از مشكلاتي كه معمولاً در هنگام كار اين مبدل­ها بوجود مي­آید، عدم آب­بندي كامل و صحيح واشر­ها است.

مبدل حرارتی صفحه ای:

برای انتقال حرارت بهتر بین دو سیال، مبدل­های حرارتی متعددی طراحی شده است. درمتداول­ترین طراحی، انتقال حرارت بین یک سیال در حال گذر از درون دسته­ای ازلوله­ها و سیال دیگر که از سطح بیرونی لوله­ها و عمود بر لوله ها می­گذرد، انجام می­شود. چنین مبدل­های حرارتی را مبدل حرارتی جریان متقاطع "Cross Flow Heat Exchanger" می­نامند.

طرح­های مختلفی در نحوه چیدن لوله­ها برای بهبود انتقال حرارت در مبدل­های فوق پیشنهاد شده است. از آنجا که در شرایط بهینه انتقال حرارت سطح حرارتی کمتری برای انتقال مقدار معینی حرارت لازم خواهد بود، هدف تمام طراحی­ ها افزایش تلاطم در جریان سیال گذرنده از روی سطح است.

ضریب کلی انتقال حرارت درمبدل حرارتی جریان متقاطع به سه عامل زیر بستگی دارد:

  1. ضریب انتقال حرارت سیال گذرنده از داخل لوله­ها
  2. ضریب هدایتی و ضخامت لوله­ها
  3. ضریب انتقال حرارت سیال گذرنده از بیرون لوله ها

به منظور افزایش دو مورد اول باید سرعت سیال داخل لوله را افزایش داد و ضخامت لوله­ها را کم کرد. مورد سوم نیز با افزایش سرعت جریان بیرون لوله ها بزرگترخواهد شد. بنابراین برای هر یک ازلوله­ها باید عدد رینولدز خارجی افزایش یابد که این کار با نحوه قرار گرفتن لوله­ها روی سطح و افزایش تلاطم در سیستم امکان پذیر است. بهترین شرایط زمانی است که هر ردیف لوله طوری قرار گرفته باشد که جریان متلاطم ایجاد شده توسط ردیف قبلی، در مقابل ردیف دیگر قرار گیرد بنابراین یک اثر متوالی ایجاد می­شود به گونه­ای که با اضافه شدن عمق دسته لوله ها اثر تلاطم نیز بیشتر می­شود.

تلاطم با توجه به افزایش عدد رینولدز در مقدار ضریب انتقال حرارت سطح اثر می­گذارد. در صورتی که جریان سیال موجود در بیرون لوله­ها گاز باشد، ضریب انتقال حرارت با اضافه شدن سطح (مثلا (Fin افزایش می­یابد. به این دلیل و نیز به دلیل کاربرد فراوان مبدل­های حرارتی جریان متقاطع درصنعت، بهتر است که مهندسان و صنعتگران با چگونگی بازدهی و طراحی آنها آشنا باشند.

جریان بر روی استوانه

به طور کلی در صنعت، انتقال حرارت از یک استوانه یا دسته­ای از استوانه­ها که در مسیر جریان قرار می­گیرد دارای اهمیت فراوانی می­باشد. انتقال حرارت از استوانه به جریان گذرنده بر روی آن به شدت وابسته به رژیم جریان می­باشد. هنگامی که آشفتگی جریان بر روی استوانه افزایش می­یابد، انتقال حرارت نیز افزایش می­یابد. به دلیل ماهیت پیچیده رژیم جریان بر روی استوانه، امکان ارائه رابطه تحلیلی برای اتقال گرما وجود نداشته و محققین رابطه تجربی (1) را برای محاسبه عدد ناسلت و یا ضریب جابجایی انتقال حرارت ارائه داده­اند.

که در این رابطه ضرایب C و n در جدول زیر در بازه­های متفاوت رینولدز ارایه شده است. خواص مورد استفاده در این رابطه، در درجه حرارت فیلم جریان ارزیابی شده­اند و به همین دلیل از زیرنویس f استفاده شده است.

n

C

Reynolds

0.330

0.989

0.4-4

0.385

0.911

4-40

0.466

0.683

40-4000

0.618

0.193

4000-40000

0.805

0.0266

40000-400000

جریان سیال بر روی مجموعه لوله ­ها

از آنجا که آرایش بسیاری از مبدل­های حرارتی شامل چندین ردیف است، مشخصه­های انتقال حرارت برای مجموعه لوله­ها از نظر علمی جالب است. با توجه به اینکه سرعت موثر در عدد رینولدز روی مجموعه لوله­ها باید از سرعت محاسبه شود، زورکاوسکاس برای مجموعه لوله­ها رابطه زیر را برای محاسبه عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت ارایه کرده است.

تمام خواص مربوط به Prw در دمای T تعیین می­شوند و مقادیر ثابت رابطه در جدول های زیر بیان شده است. این رابطه برای پرانتل بین 7/0 تا 500 و رینولدز بین 500 تا 106 کاربرد دارد. این جدول ثابت C را مشخص می کند.

20

16

10

8

6

5

4

3

2

N

1

0.99

0.98

0.97

0.94

0.92

0.89

0.84

0.77

مثلثی

1

0.99

0.98

0.97

0.94

0.92

0.90

0.80

0.70

مربعی

 

پس از تعیین ضریب C، عدد n نیز بسته به رینولدز تعیین می­شود.

بزرگتر از 105 *2

103 تا 2*105

100 تا 103

10 تا 100

رینولدز

0.84

0.63

مانند تک لوله عمل شود.

0.4

مثلثی

0.84

0.60

0.60

مربعی