سطح واسط در مبدل‌های حرارتی

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
جریان سیالات در مبدل حرارتی از راه‌های مختلفی (مستقیم یا غیر مستقیم) با هم تماس پیدا می‌کنند. در ادامه شکل‌های مختلف سطح تماس (interface) توضیح داده خواهند شد.

تیوب‌های ساده (plain tubes)


معمول‌ترین چیدمان این است که یک سیال در یک لوله مستقیم یا خمیده با سطح مقطع دایره‌ای و سیال دوم در خارج این لوله‌ها در یک جهت طولی، عمودی یا مایل حرکت کند. به همین دلیل این سطح واسط به صورت دیواره لوله و تماس غیر مستقیم خواهد بود. لوله‌ها اغلب به صورت سنجاق سر و یا کویل‌های مارپیچی شکل داده می‌شوند.
یک سیال درون لوله و سیال دیگر در خارج آن حرکت می‌کند. قطر تیوب، تعداد تیوب‌ها، طول تیوب، گام تیوب‌ها و آرایش تیوب‌ها می‌تواند تغییر کند و به همین جهت انعطاف‌پذیری زیادی در طراحی آن‌ها وجود دارد.
مبدل‌های حرارتی تیوبی (tubular heat exchangers) به سه دسته تقسیم می‌شوند:

  1. مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای یا مبدل‌های حرارتی دابل پایپ (double-pipe heat exchangers)
  2. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (shell-and-tube heat exchangers)
  3. مبدل‌های حرارتی تیوب مارپیچی یا اسپیرال (spiral tube type heat exchangers)

plain_tube_heat_exchangers.jpg
plain_tube_heat_exchangers2.jpg

spiral_heat_exchanger.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
صفحه‌ها

مبدل‌های حرارتی پلیتی (plate heat exchangers) از صفحات نازکی ساخته شده‌اند که کانال‌های جریان را تشکیل می‌دهند. جریان‌های سیالات به وسیله صفحات تختی که صاف هستند و یا بین آن‌ها فین‌های چین‌دار (corrugations fins) قرار دارد از هم جدا می‌شوند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای برای انتقال حرارت برای هر ترکیبی از جریان‌های گاز، مایع و دو فاز به کار می‌روند. این مبدل‌های حرارتی به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

  1. صفحه گسکتی (gasketed plate)
  2. صفحه اسپیرال یا مارپیچی یا (spiral plate)
  3. لاملا (lamella)

plate_heat_exchanger.jpg

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
سطوح فین‌دار (finned surfaces)


به دلیل این که انتقال حرارت در خارج تیوب‌ها اثر کم‌تری نسبت به داخل تیوب‌ها دارد، سطح خارجی لوله با استفاده از فین‌ها (fins) گسترش می‌یابد. این گسترش می‌تواند با دیوار لوله یک‌پارچه باشد و یا به آن لحیم‌کاری (soldered)، بریز (brazed) و یا جوش‌کاری (welded) شده باشد. فین‌ها می‌توانند دیسک‌های حلقوی (annular disks)، نوارهای مارپیچی (helical tapes) و یا ورق‌های تختی (plane sheets) در راستای محور تیوب باشند. حضور فین‌ها به این معنی است که به ازای واحد حجم مبدل حرارتی، سطح مشترک بیش‌تری بین فلز و سیال یک جریان نسبت به جریان دیگر وجود خواهد داشت. گاهی در داخل تیوب چنین فین‌هایی گذاشته می‌شود که این زمانی مناسب است که ضریب انتقال حرارت داخلی کم باشد.

Finned_Tube_heat_exchanger.jpg

کاملا مشخص است که ضریب انتقال حرارت در سمت گاز بسیار کم‌تر از سمت مایع است. سطوح انتقال حرارت فین‌دار برای افزایش سطح انتقال حرارت در سمت گاز به کار می‌روند. فین‌ها در مبدل‌های حرارتی گاز به گاز و گاز-مایع در زمانی که ضریب انتقال حرارت در یک یا هر دو سمت پایین و نیاز به یک مبدل حرارتی فشرده باشد به کار می‌روند. دو نوع معمول از مبدل‌های حرارتی با سطوح گسترش یافته، مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای فین‌دار (plate-fin heat exchangers) و مبدل‌های حرارتی تیوبی فین‌دار (tube-fin heat exchangers) هستند.

fin1.jpg

fin2.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
آرایش ماتریسی (matrix arrangements)

خلاقیت طراحان در ابداع روش‌های اقتصادی که در آن سطح مشترک در واحد حجم افزایش یابد به صورت گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. آرایش‌هایی که با این هدف ابداع شده‌اند از انواع تیوب‌های تخت یا تیوب‌های فین‌دار فاصله گرفته و ماتریس‌های مبدل حرارتی (heat exchange matrices)‌ نام گرفته‌اند.

بلوک‌های یک‌پارچه تیوب‌ها و فین‌هایی که در رادیاتور خودروها و در کولرهای گازی وجود دارند مثال‌های آشنایی هستند.

matrix_arrangement.jpg

فیلم‌ها (films)

در این مبدل‌های حرارتی تماس مستقیم بین یک جریان گاز از یک سمت و یک فیلم مایع که بر روی یک سطح جامد حرکت می‌کند از سمت دیگر برقرار است. در کاربردهای مهندسی مثال‌های بیش‌تری وجود دارند همانند برج جذب گازی (gas-absorption tower) که در آن حلال مایع بر روی سطح رینگ‌های پکینگ (packing rings) یا خرده سنگ به صورت فیلم با شکل نامنظم و به سمت پایین حرکت می‌کند در حالی که یک مخلوط گازی که یکی از اجزای آن با حل شدن در حلال مایع از آن جدا شده است، به سمت بالای خلل و فرج حرکت می‌کند.

films.JPG

مثال دیگر، برج‌های خنک کن نیروگاه‌ها هستند که در آن آبی که قرار است خنک شود از روی سطح ورق‌های آزبستی چین‌دار به سمت پایین حرکت می‌کنند. هوایی که در فضای بین این ورق‌ها به سمت بالا حرکت می‌کند گرم می‌شود و هم‌زمان بخار آب را نیز جذب می‌کند.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
اسپری‌ها (sprays)

در تجهیزات تماسی از نوع فیلمی بسیار نادر است که مایع همیشه به سطح جامد چسبیده بماند و زمانی که سرعت گاز بالا است، ناگزیر قطراتی تشکیل می‌شود. همچنین تجهیزات انتقال جرم و حرارتی نیز وجود دارند که در آن‌ها بخش زیادی از تعامل زمانی رخ می‌دهد که قطرات به وسیله اسپریر‌ها تشکیل می‌شوند و در فاز گازی آزادانه به پایین می‌افتند.

spray.jpg
تجهیزاتی از این نوع شامل دی‌سوپرهیترهای نیروگاه‌های بخار، رطوبت‌زن‌ها در تهویه مطبوع، تجهیزات تولید شیر خشک و تعداد زیادی از تجهیزات دیگر می‌باشد. حتی کوره‌ها و محفظه‌های احتراق موتور نیز در این دسته قرار می‌گیرند زیرا سوخت اغلب به صورت اسپری‌های قطرات تزریق و قبل از سوختن تبخیر می‌شود.


سطوح خراش‌دار (scraped surfaces)

تنها برای سیالات با وسیکوزیته پایین می‌توان یک جریان فیلمی با نرخ اقتصادی برقرار کرد به صورتی که تنها متکی به فرآیند‌های گرانشی و اصطکاک سیال باشیم. در صورتی که رفتار فیلمی از یک سیال با ویسکوزیته بالا مورد انتظار باشد، لازم است که از وسایل خاصی برای شکل‌دهی و نگه‌داری یک فیلم نازک استفاده کنیم. تجهیزات خراش‌دهنده برای این منظور به کار می‌روند که شامل به کار گیری یک سیستم با قدرت مکانیکی می‌شود.
 
بالا