مبدل حرارتی – قیمت و اجزای مبدل حرارتی

انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی (Heat exchanger) صورت می گیرد.

در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال برقرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو، مورد استفاده قرار می گیرند.

مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود. مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند. در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند.

مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق، پالایشگاه ها، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی، صنایع ذوب فلز و… بصورت گسترده به کار می روند.

مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار، مولد بخار، کندانسور، اواپراتور، تبخیر کننده ها، برج خنک کننده، پیش گرم کن فن کویل، خنک کن و گرم کن روغن، رادیاتور ها، کوره ها و … کاربرد فراوان دارد.

مبدل حرارتی

انواع مبدل های گرمایی

مبدل های گرمایی معمولاَ بر حسب آرایش جریان و نوع ساخت رده بندی می شوند. ساده ترین مبدل گرمایی مبدلی است که در آن سیالات گـرم و سـرد در جهت های یکسان یا مخالف در یک ساختـار لوله ای هم مرکز (tubular) حرکت می کند. مبدلی که جریان دو سیال گرم و سرد با هم در یک راستا باشد و همزمان با گرم شدن سیال سرد، سیال گرم سرد شود، مبدل حرارتی همسو (Cocurrent) نام دارد. اگر جهت حرکت دو سیال مخالف هم باشد، به آن مبدل حرارتی ناهمسو (Countercurrent) می گویند. در برخی از مبدلها جهت جریان های گرم و سرد بصورت متقاطع بر هم می باشد که به آن مبدل حرارتی جریان متقاطع (Crossflow) می گویند.

از نظر شکل و نحوه عملکرد، مبدلهای حرارتی به دو دسته تقسیم می شوند. اگر مبدلهای حرارتی به شکل استوانه ای شکل باشند که داخل آن لوله های با قطر یکسان جهت تبادل حرارت تعبیه شده باشد، به آنها مبدلهای حرارتی پوسته و لوله (Shell & Tube) گفته می شود. اگر مرز جدا کننده دو سیال سرد و گرم از هم به شکل صفحات موازی باشد به آن مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger) گفته می شود.

اجزاء یک مبدل حرارتی

1- لوله ها (Tubes):

جنس، تعداد، قطر، طول و ضخامت لوله ها به طبیعت سیال (خورنده یا بی اثر، 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 صفحه ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند. لوله ها معمولا” به قطر خارجی 1 اینچ و از جنس فولاد یا مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون ساخته می شوند.

2- 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 مبدل های از نوع تبخیر کننده و همینطور جوشاننده دارای فضای تبخیر می باشند.

3- صفحه لوله (Tube Sheet):

صفحه ای دایره ای شکل که سر لوله ها روی آن قرار می گیرد ، جنس و ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله ها ، تعداد لوله ها و نوع مبدل حرارتی بستگی دارد . لوله ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلانج به آن متصل باشد.

مطالعه کنید : پکینگ اسپلش

لوله ها عموما” با دو آرایش مربعی یا مثلثی روی صفحه لوله ها نصب می گردند. در آرایش مربعی کمترین مقاومت در مقابل جریان و در نتیجه حداقل افت فشار به وجود می آید. یکی از معایب آرایش مربعی قرار گرفتن تعداد کمتر لوله در یک سطح معین می باشد. وقتی که آرایش لوله ها مثلثی باشد، افت فشار جریان پوسته بیشتر از وقتی است ک آرایش مربعی باشد، اما میزان انتقال حرارت در آرایش مثلثی بیشتر است .

مبدل حرارتی

4- کانال (Channel):

جریان سیال به داخل لوله ها از طریق کانال صورت می گیرد. تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل موجود است. در مبدل های حرارتی چند گذره (Multipass) از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می شود تا کانال به دو یا چند قسمت تقسیم شود.

5- تیغه (Baffle):

تیغه ها به شکل دایره برش خورده یا دیسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته می شوند. برای افزایش زمان تبادل حرارتی بین لوله ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می شود. تیغه ها در داخل پوسته قرار گرفته و لوله ها از میان سوراخ های آنها که به تعداد لوله ها می باشند عبور می کنند. این صفحات دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند. با ایجاد جریان های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله ها را از بین برده و ضریب انتقال حرارت را بالا می برند. همینطور لوله ها را نگهداشته و از خم شدن آنها جلوگیری می کنند.

تیغه های طولی (Longitudinal Baffle) گاهی اوقات برای تقسیم کردن جریان پوسته به دو یا سه گذر قرار می گیرند.

6- سر پوسته (Shell Head):

معمولا” به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می شود و در مواقع لزوم برای بازرسی لوله ها برداشته می شود.

مبدل حرارتی

طراحی مبدل حرارتی

به منظور طراحی مبدل حرارتی باید اطلاعاتی نظیر دبی سیال گرم و سرد، دمای ورودی و خروجی سیال گرم و سرد، خواص فیزیکی سیالات نظیر جرم حجمی، ویسکوزیته و ضرایب انتقال حرارت در اختیار طراح قرار گیرد.

علاوه بر این جنس لوله ها و صفحات و شکل مبدل حرارتی در محاسبه ظرفیت و سطح تبادل حرارت بسیار حائز اهمیت است. امروز طراحی مبدل حرارتی توسط نرم افزارهایی نظیر ASPEN و HTRI صورت می پذیرد. بدین منظور قبل از شروع فرآیند طراحی باید اطلاعات اولیه جمع آوری و در اختیار طراح قرار گیرد.

محصول مرتبط : مبدل حرارتی صفحه ای