تعریف مبدل حرارتی

  مبدل حرارتی وسیله ای است که بخشی از گرمای سیال گرم را به سیال سرد منتقل می کند، یعنی یک ظرف بزرگ دربسته با آب یا رسانه های دیگر پر می شود و لوله هایی از داخل ظرف عبور می کنند.اجازه دهید آب گرم از طریق لوله ها جریان یابد.

به دلیل اختلاف دمایی بین آب لوله و آب سرد و گرم داخل ظرف، تبادل حرارتی رخ می دهد.برای تعادل حرارتی فیزیک دبیرستان، گرمای با دمای بالا همیشه به دمای پایین منتقل می شود، به طوری که گرمای آب لوله می تواند به آب سرد داخل ظرف مبادله شود.کویر بخاری.

طبقه بندی و ساختار مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:

کولر، کندانسور، بخاری، مبدل حرارتی، بویلر، مولد بخار، دیگ بخار هدر رفته (یا گرمای هدر رفته).

با توجه به روش تبادل حرارت، می توان آن را به موارد زیر تقسیم کرد:

مبدل های حرارتی تماس مستقیم (همچنین مبدل های حرارتی هیبریدی نامیده می شوند)، مبدل های حرارتی احیا کننده و مبدل های حرارتی جدا کننده دیواره.

موارد زیر عمدتا مبدل های حرارتی طبقه بندی شده بر اساس روش های تبادل حرارتی را معرفی می کند:

1) مبدل حرارتی تماس مستقیم

مبدل های تماس مستقیم برای انتقال حرارت به تماس مستقیم بین سیالات سرد و گرم متکی هستند.این روش انتقال حرارت از آلودگی و مقاومت حرارتی در پارتیشن انتقال حرارت و هر دو طرف جلوگیری می کند.تا زمانی که تماس بین سیالات خوب باشد، سرعت انتقال حرارت بیشتر خواهد بود.

بنابراین، مبدل های حرارتی هیبریدی را می توان در هر جایی که سیالات اجازه دارند با یکدیگر مخلوط شوند، مانند شستشو و خنک کننده گاز، خنک کننده آب در گردش، گرمایش مخلوط آب و بخار، تراکم بخار و غیره استفاده می شود. ، مهندسی تهویه مطبوع و بسیاری از بخش های تولیدی دیگر.

مبدل های حرارتی هیبریدی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: برج های خنک کننده، اسکرابرهای گازی، مبدل های حرارتی جت و کندانسورهای هیبریدی.

2) مبدل حرارتی احیا کننده

مبدل حرارتی احیا کننده وسیله ای است که برای تبادل حرارت احیا کننده استفاده می شود.برای ذخیره گرما با پر کردن جامد پر می شود.

به طور کلی شبکه آتش نشانی با آجرهای نسوز ساخته می شود (گاهی از تسمه های موجدار فلزی و ...) استفاده می شود.

تبادل حرارتی در دو مرحله انجام می شود.

در مرحله اول، گاز داغ با عبور از شبکه آتش نشانی، گرما را به شبکه آتش منتقل کرده و آن را ذخیره می کند.

در مرحله دوم گاز سرد از شبکه آتش نشانی عبور کرده و با دریافت گرمای ذخیره شده در شبکه آتش نشانی گرم می شود.

این دو مرحله به طور متناوب رخ می دهند.معمولاً از دو دستگاه احیا کننده به طور متناوب استفاده می شود، یعنی وقتی گاز داغ وارد یک دستگاه می شود، گاز سرد وارد دستگاه دیگر می شود.اغلب در صنایع متالورژی مانند احیا کننده کوره های فولادسازی با اجاق باز استفاده می شود.

همچنین در صنایع شیمیایی مانند پیش گرم کن های هوا یا محفظه های احتراق در کوره های گازی و کوره های ترک احیا کننده در کارخانه های نفت مصنوعی استفاده می شود.

3) مبدل حرارتی دیوار پارتیشن

در این نوع مبدل حرارتی سیالات سرد و گرم توسط فلزی از هم جدا می شوند تا این دو سیال با هم مخلوط نشوند و گرما را انتقال ندهند.

در تولید مواد شیمیایی، سیالات سرد و گرم اغلب نمی توانند به طور مستقیم در تماس باشند، بنابراین مبدل حرارتی دیواره تقسیم کننده رایج ترین مبدل حرارتی است.

در زیر به طور عمده طبقه بندی مبدل های حرارتی جدا کننده دیوار را معرفی می کند:

a) مبدل حرارتی روکش دار

این نوع مبدل حرارتی با نصب ژاکت بر روی دیواره بیرونی ظرف ساخته می شود و ساختاری ساده دارد.اما سطح گرمایش آن توسط دیواره ظرف محدود شده و ضریب انتقال حرارت آن زیاد نیست.

به منظور بهبود ضریب انتقال حرارت و حرارت دادن مایع داخل کتری به طور یکنواخت می توان یک همزن در کتری نصب کرد.

هنگامی که آب خنک کننده یا عامل گرمایش بدون تغییر فاز وارد ژاکت می شود، پارتیشن های مارپیچی یا سایر اقدامات برای افزایش تلاطم نیز می توانند در ژاکت نصب شوند تا ضریب انتقال حرارت در یک طرف ژاکت افزایش یابد.

به منظور جبران کمبود سطح انتقال حرارت، می توان لوله های کویل دار را نیز در داخل کتری نصب کرد.

مبدل های حرارتی روکش دار به طور گسترده برای گرم کردن و خنک کردن فرآیندهای واکنش استفاده می شوند.

ب) مبدل حرارتی لوله مار

مبدل حرارتی لوله کویل شده بیشتر به یک مبدل حرارتی لوله سیم پیچ غوطه ور و یک مبدل حرارتی لوله سیم پیچ اسپری شده تقسیم می شود.

لوله های مار بیشتر از لوله های فلزی خم شده به اشکال مختلف و مناسب ظرف ساخته می شوند و در مایع درون ظرف غوطه ور می شوند.

مزایای آن عبارتند از: ساختار ساده، می تواند فشار بالا را تحمل کند و می تواند از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته شود.

معایب: تلاطم مایع در ظرف کم است و ضریب انتقال حرارت در خارج از لوله کم است.

لوله های تبادل حرارت را به صورت ردیفی روی قاب فولادی ثابت کنید.

مایع داغ در لوله جریان می یابد و آب خنک کننده به طور یکنواخت روی دستگاه ریخته می شود.

مزایا: سیال داغ در لوله جریان دارد و آب خنک کننده به طور یکنواخت بالای دستگاه می ریزد.ضریب انتقال حرارت زیاد است، بنابراین اثر انتقال حرارت مبدل حرارتی اسپری بهتر از مبدل حرارتی سیم پیچ غوطه ور است.

با این حال، باید در هوای آزاد قرار گیرد.مساحت زیادی را اشغال می کند و آب به راحتی به محیط اطراف می پاشد و استفاده از آن را ناخوشایند می کند.

ج) مبدل حرارتی روکش دار

زیرا سرعت جریان سیال در داخل لوله و خارج از لوله بزرگتر است.سیالات سرد و گرم می توانند در جریان مخالف خالص جریان داشته باشند، بنابراین ضریب انتقال حرارت آنها زیاد است و اثر انتقال حرارت خوب است.گرمایش آب معمولی یک مبدل حرارتی ساده از نوع آستین است.

د) مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و لوله معمولی ترین مبدل های حرارتی جدا کننده دیوار هستند.آنها سابقه طولانی کاربرد در صنعت دارند و هنوز هم در بین تمام مبدل های حرارتی جایگاه غالب را به خود اختصاص می دهند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله عمدتاً از یک پوسته، یک دسته لوله، یک صفحه لوله و یک سر تشکیل شده است.پوسته عمدتاً گرد است، با بسته‌های لوله موازی در داخل، و هر دو انتهای دسته لوله روی صفحه لوله ثابت می‌شوند.

دو نوع سیال وجود دارد که در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله تبادل گرما می‌کنند: یکی در داخل لوله جریان دارد و حرکت آن سمت لوله نامیده می‌شود.دیگری خارج از لوله جریان دارد و سکته مغزی آن سمت پوسته نامیده می شود.سطح دیواره باندل لوله، سطح انتقال حرارت است.

به منظور بهبود ضریب انتقال حرارت سیال در خارج از لوله، معمولاً تعداد معینی بافل عرضی در پوسته نصب می شود.

بافل ها نه تنها از اتصال کوتاه سیال جلوگیری می کنند و سرعت سیال را افزایش می دهند، بلکه سیال را مجبور می کنند تا چندین بار طبق مسیر تعیین شده از طریق دسته لوله عبور کند و درجه تلاطم را به شدت افزایش می دهد.دو بافل معمولی وجود دارد: گرد و دیسکی شکل (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است).اولی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

هر بار که سیال از داخل بسته لوله در لوله عبور کند، عبور لوله و هر بار عبور سیال از پوسته، پاس پوسته نامیده می شود.

به منظور افزایش سرعت سیال در لوله می توان پارتیشن های مناسبی را در سرها در دو انتها تعبیه کرد تا تمامی لوله ها به طور مساوی به چند گروه تقسیم شوند.

به این ترتیب، سیال می تواند تنها از بخشی از لوله ها عبور کند و هر بار چندین بار به دسته لوله بازگردد که به آن عبور چند لوله می گویند.

به همین ترتیب، به منظور افزایش سرعت جریان در خارج از لوله، می توان بافل های طولی را در پوسته نصب کرد تا سیال چندین بار از فضای پوسته عبور کند که به آن پاس چند پوسته می گویند.

در مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل دمای متفاوت سیال داخل و خارج لوله، دمای پوسته و باندل لوله نیز متفاوت است.اگر اختلاف دما بین این دو زیاد باشد، تنش حرارتی زیادی در داخل مبدل حرارتی ایجاد می‌شود که ممکن است باعث خم شدن، شکستن یا شل شدن لوله‌ها از ورق لوله شود.

بنابراین، زمانی که اختلاف دما بین دسته لوله و پوسته از 50 درجه سانتیگراد بیشتر شود، باید اقدامات جبرانی مناسب برای کاهش یا کاهش تنش حرارتی انجام شود.

روش جبران خسارت:

یک حلقه انبساط را به پوسته وصل کنید یا از مبدل حرارتی لوله U شکل و مبدل حرارتی سر شناور استفاده کنید.

➪ مبدل حرارتی صفحه ای لوله ثابت

زمانی که اختلاف دما بین سیالات سرد و گرم زیاد نباشد، می توان از مبدل حرارتی صفحه ای لوله ثابت استفاده کرد.

ساختاری ساده و کم هزینه دارد، اما تمیز کردن آن دشوار است و برای سیالاتی که در معرض پوسته پوسته شدن هستند و سیالاتی با اختلاف دمای زیاد مناسب نیست.

اگر اختلاف دما خیلی زیاد نباشد، می توان از مبدل حرارتی صفحه ای لوله ثابت با حلقه جبران استفاده کرد.

ه) مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای از مجموعه ای از صفحات نازک مستطیلی فلزی انتقال حرارت تشکیل شده است که با یک قاب روی براکت گیره و مونتاژ می شوند.

لبه های دو صفحه مجاور با واشر (ساخته شده از لاستیک های مختلف یا آزبست فشرده و غیره) برای فشرده سازی اندود شده اند.در چهار گوشه صفحات سوراخ های گرد وجود دارد تا کانال های سیال را تشکیل دهند.

تفاوت مبدل حرارتی صفحه ای و مبدل حرارتی پوسته و لوله:

a.ضریب انتقال حرارت بالا

از آنجایی که صفحات موجدار مختلف با یکدیگر وارونه می شوند تا یک کانال جریان پیچیده را تشکیل دهند، سیال به صورت چرخشی سه بعدی در کانال جریان بین صفحات موجدار جریان می یابد که می تواند جریان آشفته ای را با عدد رینولدز پایین ایجاد کند (به طور کلی Re = 50). ~200)، بنابراین انتقال حرارت است ضریب بالا است، به طور کلی 3 تا 5 برابر نوع پوسته و لوله در نظر گرفته می شود.

باختلاف دمای میانگین لگاریتمی زیاد و اختلاف دمای انتهایی کوچک است.

در مبدل حرارتی پوسته و لوله، دو سیال به ترتیب در سمت لوله و سمت پوسته جریان دارند.به طور کلی، جریان متقاطع است و میانگین لگاریتمی ضریب تصحیح اختلاف دما کوچک است.با این حال، مبدل حرارتی صفحه ای بیشتر دارای یک حالت جریان همزمان یا جریان مخالف است.و ضریب تصحیح آن معمولاً حدود 0.95 است.علاوه بر این، جریان سیالات سرد و گرم در مبدل حرارتی صفحه ای موازی با سطح تبادل حرارت است و جریان جانبی وجود ندارد.بنابراین، اختلاف دما در انتهای مبدل حرارتی صفحه کوچک است و تبادل حرارت با آب می تواند زیر 1 درجه سانتیگراد باشد، در حالی که مبدل های حرارتی پوسته و لوله معمولاً 5 درجه سانتیگراد هستند.

ج.ردپای کوچک

مبدل حرارتی صفحه ای ساختار فشرده ای دارد و سطح تبادل حرارت در واحد حجم 2 تا 5 برابر نوع پوسته و لوله است.بر خلاف نوع پوسته و لوله، که نیاز به یک فضای نگهداری اختصاصی برای استخراج بسته‌بندی لوله دارد، مبدل حرارتی صفحه می‌تواند به همان انتقال حرارت دست یابد.مساحتی که مبدل حرارتی اشغال می کند حدود 1/5 ~ 1/8 مبدل حرارتی پوسته و لوله است.

دتغییر منطقه تبادل حرارت یا ترکیب فرآیند آسان است

تا زمانی که چند صفحه اضافه یا حذف شود، منطقه تبادل حرارتی را می توان افزایش یا کاهش داد.با تغییر آرایش صفحه یا جایگزینی چند صفحه، می توان ترکیب فرآیند مورد نیاز را به دست آورد و با شرایط جدید تبادل حرارتی سازگار کرد.تقریباً غیرممکن است که سطح انتقال حرارت مبدل های حرارتی پوسته را افزایش دهید

e.سبک وزن

ضخامت صفحات مبدل حرارتی صفحه ای فقط 0.4 ~ 0.8 میلی متر است، در حالی که ضخامت لوله های تبادل حرارتی مبدل حرارتی پوسته و لوله 2.0 ~ 2.5 میلی متر است.پوسته نوع پوسته و لوله بسیار سنگین تر از قاب مبدل حرارتی صفحه ای است.، مبدل های حرارتی صفحه ای معمولاً تنها حدود 1/5 وزن مبدل های حرارتی پوسته و لوله هستند.

f.قیمت پایین

با استفاده از مواد مشابه و همان منطقه تبادل حرارتی، قیمت مبدل های حرارتی صفحه ای حدود 40 تا 60 درصد کمتر از مبدل های حرارتی پوسته و لوله است.

g.آسان برای ساخت

صفحات انتقال حرارت مبدل های حرارتی صفحه ای با درجه استانداردسازی بالا مهر و پردازش می شوند و می توانند در مقادیر زیاد تولید شوند.مبدل های حرارتی پوسته و لوله عموماً با دست ساخته می شوند.

ساعتآسان تمیز میشود

تا زمانی که پیچ‌های تراکمی مبدل حرارتی صفحه‌ای از نوع قاب شل شده باشند، بسته‌های صفحه را می‌توان شل کرد و صفحات را می‌توان برای تمیز کردن مکانیکی جدا کرد.این برای فرآیند تبادل حرارتی که نیاز به تمیز کردن مکرر تجهیزات دارد بسیار راحت است.

من.اتلاف حرارت کوچک

در مبدل های حرارتی صفحه ای، تنها صفحه پوسته صفحه انتقال حرارت در معرض اتمسفر است، بنابراین تلفات اتلاف حرارت ناچیز است و نیازی به اقدامات عایق نیست.مبدل های حرارتی پوسته و لوله تلفات حرارتی زیادی دارند و نیاز به عایق حرارتی دارند.

jظرفیت کم

این 10٪ تا 20٪ از مبدل حرارتی پوسته و لوله است.من.افت فشار در واحد طول زیاد است.از آنجایی که شکاف بین سطوح انتقال حرارت کوچک است و سطوح انتقال حرارت مقعر و محدب هستند، افت فشار بیشتر از لوله های صاف سنتی است.

ک.مقیاس پذیری آسان نیست

به دلیل تلاطم داخلی کافی، مقیاس بندی آن آسان نیست و ضریب پوسته پوسته شدن آن تنها 1/3 ~ 1/10.k از مبدل حرارتی پوسته و لوله است.فشار کاری نباید خیلی زیاد باشد و دمای متوسط ​​نباید خیلی زیاد باشد، زیرا ممکن است مبدل حرارتی نوع صفحه ای نشت کند.مبدل حرارتی با یک واشر مهر و موم شده است، فشار کاری معمولاً نباید از 2.5 مگاپاسکال تجاوز کند و دمای متوسط ​​باید کمتر از 250 درجه سانتیگراد باشد، در غیر این صورت ممکن است نشتی رخ دهد.

l.به راحتی مسدود می شود

از آنجایی که کانال‌های بین صفحات بسیار باریک هستند، معمولاً فقط 2 تا 5 میلی‌متر، زمانی که محیط تبادل حرارتی حاوی ذرات بزرگ‌تر یا مواد فیبر باشد، مسدود کردن کانال‌های بین صفحات آسان است.