مبدل حرارتی چیست؟

انواع مبدل حرارتی در پایپینگ Heat Exchanger piping برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال مایع، بخار، گاز با دماهای مختلف طراحی شده‌اند. بر اساس ساختار مبدل حرارتی، فرایند انتقال حرارت می‌تواند گاز به گاز، مایع به گاز یا مایع به مایع باشد. این در حالی است که در استفاده از مبدل حرارتی سیالات به طور مستقیم در تماس با یکدیگر نیستند.

در این بخش از دانستنی‌های آهن نرخ بر روی انواع مبدل حرارتی، کاربرد، عملکرد و  ملاحظات مختلف طراحی تمرکز می‌نماییم.

در این مقاله می‌خوانید:

• ترمودینامیک انتقال حرارت در انواع مبدل حرارتی
• انواع مبدل حرارتی
• ساختار مبدل حرارتی
• مبدل حرارتی دو لوله Double pipe heat exchanger
• جریان سیال در مبدل حرارتی دو لوله
• مزایا و کاربردهای مبدل حرارتی دو لوله
• مبدل حرارتی پوسته و لوله Shell and tube heat exchanger
• ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله
• مزایا و کاربردهای مبدل حرارتی پوسته و لوله

ترمودینامیک انتقال حرارت در انواع مبدل حرارتی

 طراحی انواع مبدل حرارتی در پایپینگ مستقیماً با علم ترمودینامیک مرتبط است که دانش چگونگی حرکت جریان انرژی گرمایی، دما و روابط با سایر اشکال انرژی است. برای درک ترمودینامیک مبدل های حرارتی باید به ۳ روش انتقال گرما یعنی رسانایی، همرفت و تابش توجه کنیم.

انتقال حرارت رسانایی Conduction

رسانایی عبارت است از عبور انرژی حرارتی یا دما بین موادی که مستقیماً با یکدیگر در تماس هستند. دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی مولکول‌ها در یک ماده است و اجسامی که  در دمای بالاتری هستند، حرکت مولکولی سریع‌تری دارند. مبدل حرارتی با عملکرد رسانایی زمانی در پایپینگ کاربرد دارد که جسمی با دمای بالاتر با جسمی در دمای پایین‌تر در تماس قرار می‌گیرد. به‌این‌ترتیب انتقال انرژی حرارتی بین دو ماده اتفاق می‌افتد و این روند تا رسیدن به تعادل حرارتی ادامه خواهد داشت.

انتقال حرارت همرفت convection

همرفت به انتقال انرژی حرارتی از یک سطح به سطحی دیگر، از طریق حرکت سیالی مانند هوا یا آب گرم اطلاق می‌شود. مبدل حرارتی در پایپینگ که با روش همرفت عمل می‌کند، از ویژگی انبساط سیالات هنگام گرم‌شدن بهره می‌برد. در مبدل حرارتی همرفتی وقتی قسمتی از سیال گرم و منبسط می‌شود؛ نسبت به سایر قسمت‌های  سیال که خنک‌تر هستند، چگالی کمتری پیدا می‌کند و بالا می‌رود. 

به‌عنوان‌مثال؛ هنگامی که هوای اتاق گرم می‌شود، به دلیل انبساط و چگالی کمتر، به سمت سقف بالا می‌رود. به‌این‌ترتیب با این جابه‌جایی هوای گرم، انرژی گرمایی با برخورد با هوای سردتر اتاق به مولکول‌های دیگر هوا منتقل می‌شود. مولکول‌های گرم با ازدست‌دادن حرارت، انبساط را از دست می‌دهند و متراکم‌تر و در نتیجه سنگین‌تر می‌شوند و دوباره به سمت پایین می‌آیند. این فرایند یک جریان همرفت طبیعی یا آزاد ایجاد می‌کند که اساس کار بسیاری از مبدل های حرارتی است. جریان همرفت اجباری یا همرفت کمکی در یک سیستم لوله‌کشی صنعتی یا پایپینگ به‌وسیله پمپاژ آب گرم در لوله‌های مبدل حرارتی بسیار کاربردی است.

انتقال حرارت تابشی – تشعشع Radiation

تابش حرارتی در اثر انتقال انرژی گرمایی با انتشار امواج الکترومغناطیسی از یک سطح یا جسم گرم اتفاق می‌افتد. مبدل حرارتی در پایپینگ که با روش تابشی کار می‌کند، بر خلاف مکانیزم رسانایی و همرفت، برای حمل انرژی موج نیازی به یک محیط میانی ندارد. برای مبدل حرارتی تشعشعی تمام اجسامی که دمای آنها بالاتر از صفر مطلق تا 273.15- درجه سانتی‌گراد هستند، حکم منتشرکننده حرارت را دارند. اصول عملکرد مبدل های حرارتی صرف‌نظر از نوع و طراحی، همگی از اصول اساسی یکسانی پیروی می‌کنند و آن؛ انتقال یا تبادل گرما از یک سیال به سیال دیگر است. باتوجه‌به آنچه درمورد ترمودینامیک انتقال حرارت گفته شد؛ بهتر می‌توانید بر انتخاب مبدل حرارتی در پایپینگ و سیستم لوله‌کشی صنعتی و نحوه عملکرد آن مدیریت داشته باشید.

انواع مبدل حرارتی

 به طور عمده ۵ نوع مبدل حرارتی در سیستم لوله کشی صنعتی و پایپینگ صنایع فرایندی استفاده می‌شود:

• مبدل حرارتی دو لوله Double pipe heat exchanger
• مبدل حرارتی پوسته و لوله Shell and tube heat exchanger
• مبدل حرارتی صفحه ای Plate heat exchanger
• کندانسورها Condensers
• اواپراتورها evaporators
• بویلرها boilers

در این مقاله به بررسی ۲ مدل از پرکاربردترین انواع مبدل حرارتی می‌پردازیم. در مقاله انواع مبدل در پایپینگ های حرارتی پوسته و لوله – ساختار و کاربرد در پایپینگ صنایع در ادامه این مطلب به معرفی سایر مبدل های حرارتی پرداخته‌ایم.

مبدل حرارتی دو لوله Double pipe heat exchanger

 مبدل حرارتی دو لوله یکی از ساده‌ترین انواع مبدل های حرارتی در پایپینگ است که در سیستم لوله‌کشی تاسیسات و پایپینگ استفاده می‌شود. نام این مبدل حرارتی به دلیل نوع ساختار آن است که از دو لوله‌ای تشکیل می‌شود که یکدیگر را دربرگرفته‌اند. در مبدل حرارتی دو لوله یک سیال درون لوله داخلی جریان دارد و سیال دیگر روی آن لوله و داخل لوله بیرونی، آن را احاطه کرده است. ساختار مبدل حرارتی دو لوله از لوله‌های متحدالمرکز تشکیل شده که ترجیحاً از استانداردهای لوله مانیسمان در آن‌ها استفاده می‌شود. برای آشنایی بیشتر مطلب تفاوت ساختاری لوله مانیسمان (بدون درز) و لوله درزدار فولادی را بخوانید.

جریان سیال در مبدل حرارتی دو لوله

حرکت سیال در مبدل حرارتی دو لوله را می‌توانید به‌صورت جریان موازی در یک جهت یا خلاف جریان یکدیگر مدیریت کنید. به‌طورکلی دو نوع الگوی جریان سیال در مبدل حرارتی پایپینگ وجود دارد: الگوی جریان هم‌زمان است یا دو جریان سیال مخالف یکدیگر هستند. عملکرد مبدل حرارتی دو لوله در پایپینگ به این صورت است که سیال فرایندی داغ که جریان اصلی پایپینگ است، در لوله داخلی در حرکت است. جریان اصلی، گرمای خود را به آب خنک‌کننده‌ای که در لوله بیرونی در حرکت است، منتقل می‌کند. انتقال حرارت تا زمانی که شرایط تغییر کند، ادامه می‌یابد.

در مبدل حرارتی با تغییر دمای ورودی سیال، سرعت جریان، خواص و ترکیب سیال در لوله‌ها، میزان گرمای منتقل شده نیز تغییر می‌کند. این رفتار گذرای سیال در مبدل حرارتی آن‌قدر در دمای فرایند جاری در پایپینگ تغییر ایجاد می‌کند تا سیستم توزیع دما ثابت شود. توجه: در سیستم لوله‌کشی صنعتی و پایپینگ برای افزایش سرعت انتقال حرارت می‌توانید از مبدل حرارتی دو لوله به‌صورت سری یا موازی جفت شده استفاده کنید.

مزایا و کاربردهای مبدل حرارتی دو لوله

هنگام استفاده از مبدل حرارتی در پایپینگ می‌توانید برای جریان سیالات خورنده از لوله‌های داخلی استفاده کنید. به‌این‌ترتیب از خوردگی لوله بیرونی جلوگیری می‌نمایید. همچنین لازم است بخار را از لوله‌های بیرونی، و آب خنک‌کننده را در لوله‌های داخلی جریان ‌دهید. در مبدل حرارتی دو لوله اگر ماهیت هر دو مایع به یک اندازه خورنده یا غیر خورنده باشد، سیال سرد در لوله‌های بیرونی جریان می‌یابد تا اتلاف حرارتی کم شود. مطلب انواع متریال پایپینگ + جدول متریال لوله‌کشی در صنایع اطلاعات خوبی دراین‌ارتباط به شما می‌دهد.

مزایای مبدل حرارتی دو لوله:

• ساده و ارزان: مبدل حرارتی دو لوله یکی از ساده‌ترین، ارزان‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین انواع مبدل حرارتی در پایپینگ است.
• مناسب برای دمای بالا: از این مبدل حرارتی می‌توانید برای خدمات سیال با دمای بالا، فشار بالا و با چسبندگی زیاد استفاده کنید.
• افزایش سرعت انتقال حرارت: با اضافه‌کردن پره‌های طولی متصل به لوله داخلی در مبدل حرارتی سرعت انتقال حرارت در پایپینگ را افزایش می‌دهید.
• محدودیت‌های مبدل حرارتی دو لوله
• سطح انتقال حرارت کم: در مقایسه با سایر انواع مبدل حرارتی در پایپینگ از سطح انتقال حرارت کمتری در واحد طول لوله‌ها برخوردار است.
• عدم تحمل تنش: مبدل حرارتی دو لوله توانایی بالایی در تحمل تلاطم جریان سیال از طریق لوله‌ها در سیستم پایپینگ را ندارد.

 کاربردهای مبدل حرارتی دو لوله:

بیش‌ترین موارد استفاده این مبدل حرارتی در سیستم لوله‌کشی صنعتی و پایپینگ صنایع فرایندی زیر است:

• صنعت پلیمر
• صنایع لبنی
• صنایع شیمیایی

مبدل حرارتی پوسته و لوله Shell and tube heat exchanger

این یک مبدل حرارتی همه‌کاره است. از بین انواع مبدل حرارتی می‌توانید در هر زمان، هر مکان، و برای هر کاربردی از مبدل حرارتی پوسته‌ و لوله استفاده کنید. یک مبدل حرارتی از نوع پوسته و لوله شامل تعدادی لوله ثابت، و سطوح بستر مانند است که درون پوسته‌ای استوانه‌ای جای گرفته‌اند. طراحی این نوع مبدل حرارتی امکان انعطاف‌پذیری در طیف وسیعی از فشارها و دماها را فراهم می‌کند. اگر نیاز به خنک‌کردن یا گرم‌کردن مقدار زیادی سیال یا گاز در سیستم لوله‌کشی صنعتی و پایپینگ دارید، مبدل حرارتی پوسته و لوله گزینه‌ای بسیار مناسب است.

ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله

ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله شامل یک پوسته، دسته بندیل لوله، بستر مسطح لوله، بافل، میله اتصال و دو سر یا کلاهک در هر دو انتهای پوسته است. با انتخاب طرح‌های مختلف از این قطعات اصلی، و چیدمان متفاوت می‌توانید انواع مختلفی از مبدل حرارتی پوسته و لوله را هماهنگ با نیازتان سامان‌دهی کنید.

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله بر اساس نحوه طراحی‌شان به ۴ نوع متفاوت طبقه‌بندی می‌شوند:

• مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت
• مبدل حرارتی لوله U
• مبدل حرارتی شناور
• مبدل حرارتی ریبویلر Reboiler یا مبدل حرارتی جوشاننده

مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت Fixed shell and tube heat exchanger

 مبدل حرارتی از نوع پوسته و لوله ثابت از دسته‌ای لوله بدون انحنا تشکیل شده که روی بستری مسطح ثابت شده‌اند و در دو انتها به پوسته جوش داده می‌شوند. در این مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت در پایپینگ صنایع فرایندی بسیار مورداستفاده قرار می‌گیرند، زیرا هیچ احتمالی برای اختلاط سیال‌ها وجود ندارد.

مبدل حرارتی پوسته و لوله از این اجزای اصلی ساخته می‌شود:

• باندل لوله: دسته لوله از مجموعه‌ای لوله تشکیل می‌شود که ناحیه انتقال حرارت را بین دو سیال در داخل لوله‌ها و سیالی که داخل پوسته می‌چرخد فراهم می‌کند.
• ورق لوله یا بستر لوله: ورق لوله در مبدل حرارتی یک صفحه فلزی با تعدادی سوراخ به تعداد لوله‌های باندل است.

لوله‌های باندل در سوراخ‌ها قرار می‌گیرند و  با انبساط یا جوش ثابت می‌شوند.

• بافل‌ها: در مبدل حرارتی از بافل‌ها برای کنترل جهت کلی جریان در داخل پوسته استفاده می‌شود و همچنین بافل می‌تواند برای لوله‌ها تکیه‌گاه ایجاد کند.
• میله بند یا بست میله: از این قطعه بست برای جداکردن دو بافل و ثابت‌کردن آن‌ها استفاده می‌شود.
• پوسته و اتصالات: در مبدل حرارتی به پوشش استوانه‌ای کل مجموعه که سیال دوم در آن جریان دارد، پوسته گفته می‌شود. پوسته مبدل حرارتی در پایپینگ از صفحه‌ای فولادی به شکل استوانه‌ که به‌صورت طولی با جوش متصل شده، تشکیل می‌شود. پوسته مبدل حرارتی دارای اتصالات نازل برای لوله‌های ورودی و خروجی سیال ثانویه است.

• سرهای قابل جابجایی: اتصالات سرهای متحرک در مبدل حرارتی به دو انتهای صفحات لوله متصل می‌شوند و هدف آن‌ها تأمین انتقال حرارت از طریق تشعشع حرارتی لوله‌ها است.

مزایا و کاربردهای مبدل حرارتی پوسته و لوله

• مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت برای کلیه خدمات مربوط به کمبود اختلاف دما در پایپینگ کارخانه‌های فرایندی قابل‌استفاده است.
• مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت را می‌توانید به دو صورت عمودی و افقی نصب کنید.
• محدودیت‌های مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت
• ثابت‌بودن دسته لوله روی پوسته: در مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت نمی‌توانید باندل لوله را از پوسته جدا کنید.
• عدم امکان تمیزکردن مکانیکی: در مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت به علت نداشتن دسترسی به بخش داخلی پوسته، باید آن را با مواد شیمیایی تمیز کنید.
• محدود در دما‌های پایین‌تر: برای استفاده از مبدل حرارتی پوسته و لوله در دماهای بسیار پایین، محدودیت وجود دارد.
• مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله
• تعمیر و نگهداری ساده: مبدل حرارتی پوسته و لوله ثابت در جریان تعمیر و نگهداری پایپینگ به‌سادگی قابل‌رسیدگی هستند.
• ساختار ساده: ساختار قابل‌جداسازی به شما امکان می‌دهد لوله‌های مبدل حرارتی را پس از برداشتن کلاهک سر به‌صورت مکانیکی تمیز کنید.
• برای تمیزکردن لوله از داخل می‌توانید از برس سیمی استفاده کنید.
• نشتی نادر
• کم‌هزینه و مقرون‌به‌صرفه
• ساخت‌وساز ساده و امکان طراحی هماهنگ با هدف عملکرد

برای تهیه و خرید تجهیزات لوله کشی هماهنگ با نیاز شما، مشاورین آهن نرخ همراه شما هستند. برای خرید تجهیزات پایپینگ و لوله و اتصالات جهت صنایع مختلف با ما در آهن نرخ تماس بگیرید.