آرایش جریان در مبدل‌های حرارتی

[P O U R I A]

مشخصه اصلی مبدل‌های حرارتی، آرایش نسبی جریان به معنی ارتباط هندسی بین جریان‌ها است. باید توجه کرد که آرایش‌هایی که در این‌جا توضیح داده می‌شوند، ایده‌آل شده آن‌چه در عمل رخ می‌دهد هستند ولی در عمل هیچ‌گاه نمی‌توان الگوهای جریان را مطابق با حالت ایده‌آل برقرار کرد.

جریان متقابل

در یک مبدل حرارتی جریان متقابل (counter-flow heat exchanger)، دو سیال به صورت موازی ولی در جهت مخالف یک‌دیگر جریان می‌یابند. در شکل زیر، چنین آرایشی به صورت شماتیک نشان داده شده است که در آن یک تیوب با قطر کم‌تر به صورت هم‌مرکز درون یک تیوب با قطر بیش‌تر قرار گرفته است. دو سیال درون تیوب داخلی و درون فضای حلقه‌ای که دو لوله را از هم جدا می‌کند جریان می‌یابند. در عمل می‌توان تعداد زیادی تیوب را درون یک تیوب خارجی با قطر بزرگ قرار داد که به آن پوسته (shell) می‌گویند.



مبدل‌های حرارتی جریان متقابل کاراترین مبدل‌ها هستند زیرا از اختلاف دمای موجود به‌ترین استفاده را می‌کنند و می‌توانند بیش‌تری تغییر دما را در هر یک از سیالات ایجاد کنند.

 

[P O U R I A]

جریان موازی


در یک مبدل حرارتی جریان موازی (parallel-flow heat exchanger)، دو سیال به موازات هم و در یک جهت حرکت می‌کنند. شکل زیر این آرایش را به صورت شماتیک نشان داده است. مبدل‌های جریان موازی در زمانی که دمای هر کدام از سیالات تغییر زیادی کند، از اختلاف دمای موجود استفاده کمی می‌کنند و در این شرایط در صورتی که راندمان دارای اهمیت باشد، این نوع مبدل مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. البته این مبدل‌ها نسبت به مبدل‌های جریان متقابل، دمای دیواره یک‌نواخت‌تری دارند.

 

[P O U R I A]

جریان متقاطع


در یک مبدل حرارتی جریان متقاطع (cross-flow heat exchanger)، دو جریان دارای زاویه عمود بر هم هستند. به عنوان مثال جریان اول می‌تواند از مجموعه‌ای از لوله‌ها رد شود و جریان دوم راه خود را از فضای بین لوله‌ها و در راستایی که معمولا عمود بر محور تیوب‌ها است پیدا کند.





مبدل‌های حرارتی جریان متقاطع معمولا به صورت شماتیک همانند شکل زیر نشان داده می‌شوند. راندمان آن‌ها بین مبدل‌های جریان موازی و جریان متقابل است و به دلایل کاربردی مربوط به کانال‌کشی سیالات به سمت سطح مبدل حرارتی، ساخت آن‌ها ساده‌تر از دو نوع دیگر است. رادیاتورهای خودرو از نوع مبدل‌های جریان متقاطع هستند.

 

[P O U R I A]

جریان متقاطع متقابل


گاهی آرایش واقعی جریان مبدل‌های حرارتی به صورت تقریبی با آن‌چه در شکل زیر نشان داده شده است. مطابقت دارد. به این مبدل‌های حرارتی، مبدل‌های جریان متقاطع-متقابل (cross-counter-flow) می‌گویند. انواع دو، سه و چهار پاسه (pass) نشان داده شده‌اند و البته تعداد پاس‌های ممکن نامحدود است. مبدل‌های جریان متقاطع-متقابل را می‌توان به عنوان توافقی بین راندمان لازم و سادگی در ساخت در نظر گرفت. هر چه تعداد پاس‌ها بیش‌تر شود، نزدیکی به حالت اقتصادی جریان متقابل بیش‌تر می‌شود.

 

[P O U R I A]

پوسته و لوله‌ای چند پاسه


می‌توان ویژگی‌های جریان موازی و جریان متقابل را در یک مبدل حرارتی در کنار هم قرار داد که در این حالت تیوب‌ها درون یک پوسته یک یا چند بار رفت و برگشت می‌کنند که باعث می‌شود با استفاده از هدرهای تقسیم‌کننده مناسب، همان اثر لوله‌های مستقیم به دست آید. آرایش شبیه تیوب U یا سنجاق سر، دارای مزیت ساخت ساده هستند زیرا تنها به سوراخ‌کاری یک پوسته نیاز است و نه دو تا.







مثال‌هایی از آرایش‌های ایده‌آل در شکل زیر نشان داده شده‌اند. در شکل زیر هم‌چنین آرایش‌هایی که در آن چند پوسته با هم کوپل شده‌اند نشان داده شده‌اند. البته نشان دادن تمام احتمالاتی که می‌توان در عمل از آن استفاده کرد در چند شکل ممکن نیست.

 

[P O U R I A]

حالت عمومی آرایش جریان

آرایش‌های جریانی که تاکنون توضیح داده شدند، حالت‌های خاصی از مبدل با چند جریان وارد شده از محل‌های مختلف است که مشخصات آن به صورت زیر می‌باشد:

چند جریان از تعداد نقاط ورودی مشخص، به یک حجم عمومی وارد می‌شوند و از تعداد نقاط خروجی مشخص آن را ترک می‌کنند.

جریان‌های مختلف پس از ورود درون حجم تقسیم می‌شوند و در نقاط خروجی دوباره به هم ملحق می‌شوند.

جریان‌های مختلف در حجم مبدل حرارتی با یک‌دیگر تماس گرمایی پیدا می‌کنند و در نتیجه آن دمای آن‌ها تغییر می‌کنند.

شکل زیر یک نمایش شماتیک از جریان‌ها را نشان می‌دهد. جریان‌ها به صورت سه بعدی درون فضای مبدل توزیع می‌شوند و ممکن است در آن‌جا مناطق سیرکوله شدن ایجاد شود که در آن‌جا خطوط جریان بسته هستند.