سلام به همه دوستان
کسی هست که در مورد مبدل های حرارتی مرتبط با مکانیک یا غیره مطلبی داشته باشه
اگه کسی هست و میتونه سایتی رو معرفی کنه لطفا به این ایمیل ارسال کنه
با تشکر از همه مهندسین گل وبا آرزوی موفقیت
alirezajalali.80@gmail.com
لینک1
مبدل های حرارتی [ Heat Exchangers ]
- شروع کننده موضوع پیرجو
- تاریخ شروع
لینک1
help
help
با سلام خدمت کاربران محترم
در زمینه موضوعات زیر نیازبه تحقیق به دارم.(مربوط به درس انتقال حرارت در مهندسی شیمی)
لذا خواهشمندم در صورت امکان کمک نمایید.
با تشکر
)تعیین ضریب هدایت حرارتی مواد
2)مبدل های حرارتی صفحه ای و لوله گرما یی
3)انتقال حرارت جا بجایی در لوله در دو حالتی که دیواره لوله در دمای ثا بت باشد و دیواره لوله در شار حرارتی ثا بتی قرار داشته باشد بررسی کنید
لازم به ذکر است که هر موضوع شامل 10 صفحه باشد.
help
با سلام خدمت کاربران محترم
در زمینه موضوعات زیر نیازبه تحقیق به دارم.(مربوط به درس انتقال حرارت در مهندسی شیمی)
لذا خواهشمندم در صورت امکان کمک نمایید.
با تشکر
)تعیین ضریب هدایت حرارتی مواد
2)مبدل های حرارتی صفحه ای و لوله گرما یی
3)انتقال حرارت جا بجایی در لوله در دو حالتی که دیواره لوله در دمای ثا بت باشد و دیواره لوله در شار حرارتی ثا بتی قرار داشته باشد بررسی کنید
لازم به ذکر است که هر موضوع شامل 10 صفحه باشد.
alireza jalali
عضو جدید
سلام آقای پیرجو ممنون از اطلا عات خوبتون
در مورد مقایسه مبدلهای حرارتی با یکدیگر مطلبی دارید اگر جواب مثبت لطفا تو سایت بزارین تا بتونم استفاده کنم
ترجیحا فارسی باشه
امدوارم در همه مراحل زندگی موفق باشی
در مورد مقایسه مبدلهای حرارتی با یکدیگر مطلبی دارید اگر جواب مثبت لطفا تو سایت بزارین تا بتونم استفاده کنم
ترجیحا فارسی باشه
امدوارم در همه مراحل زندگی موفق باشی
alireza jalali
عضو جدید
سلام
سلام
در مورد مقایسه مبدلهای حرارتی با همدیگر هم مطلبی داری
با تشکر
سلام
دیگه از این بیشتر ؟ توی این تاپیک که دیگه همه چیز در مورد مبدل حرارتی پیدا میشه . ولی بازم اگه چیز خاصی خواستی که اینجا نبود بگو .
موفق باشی
در مورد مقایسه مبدلهای حرارتی با همدیگر هم مطلبی داری
با تشکر
Niima
-
یه توضیح میدم خودت دیگه از توش چندتا کلمه کلیدی پیدا کن باهاشون سرچ کن شاید پیدا کنی...
واسه افزایش انتقال حرارت مبدل ها چند تا راه وجود داره :
1- افزایش طول مبدل
2-افزایش قطر مبدل
3-افزایش تعداد بافل ها جهت افزایش افت فشار سیال سمت پوسته و افزایش نرخ انتقال حرارت
4-عمودی نصب کردن مبدل جهت افزایش افت فشار در سمت لوله و افزایش نرخ انتقال حرارت
و کلا چیزایی که باعث میشه افت فشار زیاد شه سبب میشه انتقال حرارت هم بیشتر بشه
راستی استفاده از فلزات مایع هم بدلیل داشتن ضریب انتقال حرارت بالا ،میتونه راه خوبی باشه
اینم ببینشاید خوب باشه :
http://www.shana.ir/131675-fa.html
SPACER IN EXCHANGER
SPACER IN EXCHANGER
من با SPACER تو مبدلها خیلی مشکل دارم نمیتونم تصور کنم که فرقشون با TIE ROD چیه تو لودویگ نوشته:
SPACER IN EXCHANGER
من با SPACER تو مبدلها خیلی مشکل دارم نمیتونم تصور کنم که فرقشون با TIE ROD چیه تو لودویگ نوشته:
Tie rods with concentric tube spacers are used to space
the baffles and tube supports along the tube bundle
the baffles and tube supports along the tube bundle
ولی میخوام دقیقتر بدونم تفاوت TIEROD,SPACER چیه؟بعدشم تعداد SPACER چطور محاسبه میشه؟(برای تایرود جدول داریم SPACER رو چطوری محاسبه کنیم؟)
Niima
-
saeedi
عضو جدید
با سلام
دوست عزيز tie rod همان ميله اي است كه بافلها را بهم ميبندد وتشكيل اسكلت مبدل بدون تيوب را ميدهد وبا بستن مهره هاي ابتدا وانتهاي آن ميشه گفت بافلها را بسمت يكديگر ميكشاند .حال براي آنكه دراثر عبور جريان سيال درمبدل بافلها بهم نزديك نشوند وهمواره فاصله اوليه وثابت خود را از يكديگر حفظ كنند ؛ تعدادي لوله از جنس تيوب به طولهاي مشخص (فاصله بين بافلها) بريده وبين بافلها قرار ميدهند وtie rod را از ميان آن عبور ميدهند .اين قطعه لوله ها را spacer ميگويند.
hadi-petro
عضو جدید
شكل شماتيك مبدل حرارتي پوسته لوله
شكل شماتيك مبدل حرارتي پوسته لوله
سلام. باتشكرازعكسهايي كه فرستاديد.
منظورم يه تصويريانقشه شماتيك ازمدارساختاردرون مبدل پوسته لوله هست (كه بانرم افزار مثل اتوكدكشيده شده باشه) وعملكرداجزاي داخلي اين مبدل رونشون بده.
اگه كسي ازاين عكسهاداره لطفابراي ماهم بفرسته.
شكل شماتيك مبدل حرارتي پوسته لوله
سلام. باتشكرازعكسهايي كه فرستاديد.
منظورم يه تصويريانقشه شماتيك ازمدارساختاردرون مبدل پوسته لوله هست (كه بانرم افزار مثل اتوكدكشيده شده باشه) وعملكرداجزاي داخلي اين مبدل رونشون بده.
اگه كسي ازاين عكسهاداره لطفابراي ماهم بفرسته.
specific enthalpy or cumulative load
specific enthalpy or cumulative load
سلام ,
برای انجام محاسبات حرارتی با نرم افزار های طراح ی مبدل حرارتی چه وقت به specific enthalpy or cumulative load نیاز است.مگه این طور نیست زمانی که properties به عهده کاربر باشه وتغییر فاز داشته باشیم و حالت multi vaporization or condensation را انتخاب کرده باشیم برای تخمین نمودار VLE توسط نرم افزار باید specific enthalpy or cumulative load را در VLE page مشخص کرد.
specific enthalpy or cumulative load
سلام ,
برای انجام محاسبات حرارتی با نرم افزار های طراح ی مبدل حرارتی چه وقت به specific enthalpy or cumulative load نیاز است.مگه این طور نیست زمانی که properties به عهده کاربر باشه وتغییر فاز داشته باشیم و حالت multi vaporization or condensation را انتخاب کرده باشیم برای تخمین نمودار VLE توسط نرم افزار باید specific enthalpy or cumulative load را در VLE page مشخص کرد.
نه لازم نيست، خودش بهت specific enthalpy رو مي دهد اما وقتي كه شما بخواهيد خواص رو تعريف كنيد ميتوانيد با دو جز ديگر اين كار رو انجام دهيد.
ممنونم از پاسختون ولی چطور لازم نیست وقتی که برای نرم افزار تعریف می کنیم که تغییر فاز داریم صفحه liquid,VLE,vapour فعال میشوند و تا وقتی که همه مشخصه های لازم وارد نشوند صفحهات تیک نمی خورند و یکی از این مشخصه ها specific enthalpy or cumulative load است و تا زمانی که این داده ها رو وارد نکنیم نمی تونیم run بگیریم .
@chemical@
عضو جدید
چند تا عکس از HEX
اگه بازم از این عکس ها می خواید می تونید یه سر به این لینک بزنید
مطالب بدرد بخور زیاد داره
مطالبی از HEXو...........
http://www.www.www.iran-eng.ir/showthread.php?t=123981
اگه بازم از این عکس ها می خواید می تونید یه سر به این لینک بزنید
مطالب بدرد بخور زیاد داره
مطالبی از HEXو...........
http://www.www.www.iran-eng.ir/showthread.php?t=123981
Hamid Reza.M
مدیر بازنشسته
oghab_aseman
عضو جدید
مبدلهای حرارتی
مبدلهای حرارتی
مبدل هاي حرارتي دستگاه هايي هستند که به کمک آنها مي توان در اثر تماس غير مستقيم دو سيال، سيالي را گرم يا سرد نمود. کاربرد اصول انتقال حرارت در طراحي تجهيزات براي مقاصد خاص مهندسي اهميت بسيار زيادي و هدف از به کارگيري اصول انتقال حرارت در طراحي، تلاش براي رسيدن به هدف توسعه توليد براي سوددهي اقتصادي است. در حقيقت دانستن نوع مبدل براساس سيال هايي که از آن عبور مي کنند نقش مهمي در طراحي و محاسبات اقتصادي مبدل هاي حرارتي به دنبال خواهد داشت.
◄ دسته بندي مبدل هاي حرارتي
1) بر مبناي پيوستگي يا تناوب جريان:
جريان سيال داخل مجاري مبدل هاي حرارتي پيوسته يا متناوب است. در مبدل هاي حرارتي با جريان پيوسته مجاري سيال گرم و سرد از هم تفکيک شده اند، به طوري که سيال گرم در مجاري مخصوص خود و سيال سرد نيز در مجاري مربوط به خود جريان دارند. دو مجراي جريان توسط يک جداره لوله يا يک ورق از هم جدا شده اند.
2) بر مبناي پديده انتقال:
تبادل انرژي بين دو سيال به صورت تماس مستقيم يا غيرمستقيم صورت مي گيرد: در نوع مستقيم، حرارت بين دو سيال که با هم تماس مستقيم دارند مبادله مي شود. معمولا يکي از اين دو سيال گاز و ديگري مايع است که با فشار بخار خيلي پايين و پس از تبادل حرارت به سادگي قابل تفکيک هستند.
در نوع غيرمستقيم، حرارت ابتدا به يک سطح جامد نفوذ ناپذير منتقل مي شود و سپس از آن به سيال سرد انتقال مي يابد.
3) بر مبناي ساختمان مبدل:
در بسياري مواقع مبدل هاي حرارتي بر مبناي ساختمان تقسيم بندي مي شوند. مبدل هاي حرارتي از نظر ساختمان به چهار دسته تقسيم بندي مي شوند که عبارت اند از :
1) مبدل هاي حرارتي لوله اي (Pipe Heat Exchanger)
2) مبدل هاي حرارتي صفحه اي (Plate Heat Exchanger)
3) مبدل هاي حرارتي پره اي (Fin Heat Exchanger)
4) بازياب حرارتي (Heat Recovers)
4) بر مبناي نوع جريان :
که شامل موارد زير مي شود :
1) جريان همسو (Co-Current)
2) جريان ناهمسو (Counter Current)
3) جريان متقاطع (Cross Current)
◄ مبدل هاي حرارتي لوله اي
در اين مبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غير مستقيم مي باشد و مکانيزم انتقال حرارت جابه جايي مي باشد. اين مبدل ها به دو دسته عمده تقسيم بندي مي شوند:
1) دو لوله اي (Two Pipes) ، 2) پوسته و لوله (Shell & Tube)
- مبدل هاي حرارتي دو لوله اي:
ساده ترين نوع مبدل هاي حرارتي دو لوله اي هستند که يک سيال از درون لوله داخلي مي گذرد و سيال ديگر در فضاي بين دو لوله جريان دارد. مبدل هاي حرارتي دو لوله اي زماني کاربرد دارند که سطح تبادل کمي مورد لزوم باشد و در سرمايش و گرمايش هوا يا گازها کاربرد دارند.
- مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله :
نوعي از مبدل هاي حرارتي که در صنايع فرايندهاي شيميايي بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد از نوع پوسته-لوله مي باشد. يک سيال در لوله ها جريان مي يابد در حالي که سيال ديگر درون پوسته و از روي لوله ها عبور مي کند. جهت اطمينان از اين که سيال درون پوسته از روي لوله ها مي گذرد و در نتيجه انتقال حرارت بيشتري صورت مي گيرد، موانعي در داخل پوسته قرار داده مي شود.
◄ مبدل هاي حرارتي صفحه اي:
اين مبدل ها از صفحات نازک که کانال هاي جريان را تشکيل مي دهد ساخته شده اند. جريان هاي سيال توسط صفحات مسطح که يا به صورت صاف يا موج دارند از هم جدا مي شود. اين مبدل ها براي انتقال گرما بين گاز، مايع يا جريانهاي دو فاز استفاده مي شوند. اين مبدل ها به سه دسته زير تقسيم مي شوند :
1) صفحه هاي واشردار
2) Gasket Plate صفحه هاي حلزوني (Spiral Plate)
3) لاملا (Lamella)
- مبدل هاي صفحه اي واشردار :
اين مبدل ها شامل تعدادي از صفحات نازک با سطح چين دار يا موج دار مي باشد که سيال هاي گرم و سرد را از هم جدا مي سازد. صفحات داراي قطعاتي در گوشه ها هستند که به نحوي آرايش داده شده اند که دو ماده اي که بايستي گرما بين آنها مبادله شود، يکي در ميان در فضاي بين صفحات جريان مي يابند.
- مبدل هاي صفحه اي حلزوني :
مبدل هاي صفحه اي حلزوني با پيچاندن دو صفحه بلند موازي به شکل يک حلزوني با استفاده از يک ميله اصلي و جوش دادن به لبه هاي صفحات مجاور به صورتي که يک کانال را تشکيل دهند، شکل داده مي شوند.
- مبدل هاي لاملا :
مبدل هاي گرمايي لاملا شامل مجموعه کانال هاي ساخته شده از صفحات فلزي نازک است که به طور موازي جوشکاري شده اند و يا به شکل لاملا (لوله هاي تخت يا کانال هاي مستطيلي) مي باشند که به صورت طولي در يک پوسته قرار گرفته اند.
◄ مبدل هاي حرارتي پره اي:
نوع مبدل هاي پره دار عمدتا براي کاربردهاي گاز- گاز استفاده مي شود. در اکثر کاربرد ها کاهش جرم و حجم مبدل از اهميت ويژه اي برخوردار است. به دليل دست يافتن به اين کاهش حجم و وزن، مبدل هاي فشرده گرما همچنين به صورت وسيع در تبريد با دماي خيلي کم، بازيابي انرژي، صنايع فرايندي، تبريد و سيستم هاي تهويه مطبوع استفاده مي گردند. مبدل هاي صفحه اي پره دار براي استفاده در توربين گازي، نيروگاه هاي هسته اي و مهندسي پيشرانه و تبريد و گرمايش و تهويه سيستم هاي بازيابي گرماي اضافه و صنايع شيميايي و سرمايش کاربرد دارند. اين مبدل ها به چهار دسته زير تقسيم مي شوند :
1) پره ساده
2) Plain Fin پره ساده سوراخ دار (Plain Perforated Fin)
3) پره دندانه اي يا کنگره اي
4) Serrated Fin پره هاي جناغي يا موجي شکل (Herring Bake Fin)
◄ مبدل هاي حرارتي براساس جريان:
- جريان همسو (هم جهت) :
در اين نوع مبدل ها سيال سرد و گرم هر دو در يک جهت حرکت مي کنند و در حين عبور از مبدل تبادل حرارتي انجام مي دهند.
- جريان ناهمسو (مخالف جهت) :
در اين نوع مبدل سيال سرد در يک جهت و سيال گرم در جهت عکس آن وارد مبدل مي شود و بدين ترتيب تبادل حرارتي صورت مي پذيرد. در شرايط يکسان براي يک مبدل با جريان ناهمسو ميزان انتقال حرارت بيشتر خواهد بود.
- جريان متقاطع :
چنانچه يک سيال در لوله و سيال ديگر به صورت عمود بر لوله ها جريان داشته باشد، نوع جريان متقاطع خواهد بود. مبدل هاي حرارتي با جريان متقاطع در گرمايش و سرمايش هوا يا گازها کاربرد وسيعي دارند
مبدلهای حرارتی
مبدل هاي حرارتي دستگاه هايي هستند که به کمک آنها مي توان در اثر تماس غير مستقيم دو سيال، سيالي را گرم يا سرد نمود. کاربرد اصول انتقال حرارت در طراحي تجهيزات براي مقاصد خاص مهندسي اهميت بسيار زيادي و هدف از به کارگيري اصول انتقال حرارت در طراحي، تلاش براي رسيدن به هدف توسعه توليد براي سوددهي اقتصادي است. در حقيقت دانستن نوع مبدل براساس سيال هايي که از آن عبور مي کنند نقش مهمي در طراحي و محاسبات اقتصادي مبدل هاي حرارتي به دنبال خواهد داشت.
◄ دسته بندي مبدل هاي حرارتي
1) بر مبناي پيوستگي يا تناوب جريان:
جريان سيال داخل مجاري مبدل هاي حرارتي پيوسته يا متناوب است. در مبدل هاي حرارتي با جريان پيوسته مجاري سيال گرم و سرد از هم تفکيک شده اند، به طوري که سيال گرم در مجاري مخصوص خود و سيال سرد نيز در مجاري مربوط به خود جريان دارند. دو مجراي جريان توسط يک جداره لوله يا يک ورق از هم جدا شده اند.
2) بر مبناي پديده انتقال:
تبادل انرژي بين دو سيال به صورت تماس مستقيم يا غيرمستقيم صورت مي گيرد: در نوع مستقيم، حرارت بين دو سيال که با هم تماس مستقيم دارند مبادله مي شود. معمولا يکي از اين دو سيال گاز و ديگري مايع است که با فشار بخار خيلي پايين و پس از تبادل حرارت به سادگي قابل تفکيک هستند.
در نوع غيرمستقيم، حرارت ابتدا به يک سطح جامد نفوذ ناپذير منتقل مي شود و سپس از آن به سيال سرد انتقال مي يابد.
3) بر مبناي ساختمان مبدل:
در بسياري مواقع مبدل هاي حرارتي بر مبناي ساختمان تقسيم بندي مي شوند. مبدل هاي حرارتي از نظر ساختمان به چهار دسته تقسيم بندي مي شوند که عبارت اند از :
1) مبدل هاي حرارتي لوله اي (Pipe Heat Exchanger)
2) مبدل هاي حرارتي صفحه اي (Plate Heat Exchanger)
3) مبدل هاي حرارتي پره اي (Fin Heat Exchanger)
4) بازياب حرارتي (Heat Recovers)
4) بر مبناي نوع جريان :
که شامل موارد زير مي شود :
1) جريان همسو (Co-Current)
2) جريان ناهمسو (Counter Current)
3) جريان متقاطع (Cross Current)
◄ مبدل هاي حرارتي لوله اي
در اين مبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غير مستقيم مي باشد و مکانيزم انتقال حرارت جابه جايي مي باشد. اين مبدل ها به دو دسته عمده تقسيم بندي مي شوند:
1) دو لوله اي (Two Pipes) ، 2) پوسته و لوله (Shell & Tube)
- مبدل هاي حرارتي دو لوله اي:
ساده ترين نوع مبدل هاي حرارتي دو لوله اي هستند که يک سيال از درون لوله داخلي مي گذرد و سيال ديگر در فضاي بين دو لوله جريان دارد. مبدل هاي حرارتي دو لوله اي زماني کاربرد دارند که سطح تبادل کمي مورد لزوم باشد و در سرمايش و گرمايش هوا يا گازها کاربرد دارند.
- مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله :
نوعي از مبدل هاي حرارتي که در صنايع فرايندهاي شيميايي بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد از نوع پوسته-لوله مي باشد. يک سيال در لوله ها جريان مي يابد در حالي که سيال ديگر درون پوسته و از روي لوله ها عبور مي کند. جهت اطمينان از اين که سيال درون پوسته از روي لوله ها مي گذرد و در نتيجه انتقال حرارت بيشتري صورت مي گيرد، موانعي در داخل پوسته قرار داده مي شود.
◄ مبدل هاي حرارتي صفحه اي:
اين مبدل ها از صفحات نازک که کانال هاي جريان را تشکيل مي دهد ساخته شده اند. جريان هاي سيال توسط صفحات مسطح که يا به صورت صاف يا موج دارند از هم جدا مي شود. اين مبدل ها براي انتقال گرما بين گاز، مايع يا جريانهاي دو فاز استفاده مي شوند. اين مبدل ها به سه دسته زير تقسيم مي شوند :
1) صفحه هاي واشردار
2) Gasket Plate صفحه هاي حلزوني (Spiral Plate)
3) لاملا (Lamella)
- مبدل هاي صفحه اي واشردار :
اين مبدل ها شامل تعدادي از صفحات نازک با سطح چين دار يا موج دار مي باشد که سيال هاي گرم و سرد را از هم جدا مي سازد. صفحات داراي قطعاتي در گوشه ها هستند که به نحوي آرايش داده شده اند که دو ماده اي که بايستي گرما بين آنها مبادله شود، يکي در ميان در فضاي بين صفحات جريان مي يابند.
- مبدل هاي صفحه اي حلزوني :
مبدل هاي صفحه اي حلزوني با پيچاندن دو صفحه بلند موازي به شکل يک حلزوني با استفاده از يک ميله اصلي و جوش دادن به لبه هاي صفحات مجاور به صورتي که يک کانال را تشکيل دهند، شکل داده مي شوند.
- مبدل هاي لاملا :
مبدل هاي گرمايي لاملا شامل مجموعه کانال هاي ساخته شده از صفحات فلزي نازک است که به طور موازي جوشکاري شده اند و يا به شکل لاملا (لوله هاي تخت يا کانال هاي مستطيلي) مي باشند که به صورت طولي در يک پوسته قرار گرفته اند.
◄ مبدل هاي حرارتي پره اي:
نوع مبدل هاي پره دار عمدتا براي کاربردهاي گاز- گاز استفاده مي شود. در اکثر کاربرد ها کاهش جرم و حجم مبدل از اهميت ويژه اي برخوردار است. به دليل دست يافتن به اين کاهش حجم و وزن، مبدل هاي فشرده گرما همچنين به صورت وسيع در تبريد با دماي خيلي کم، بازيابي انرژي، صنايع فرايندي، تبريد و سيستم هاي تهويه مطبوع استفاده مي گردند. مبدل هاي صفحه اي پره دار براي استفاده در توربين گازي، نيروگاه هاي هسته اي و مهندسي پيشرانه و تبريد و گرمايش و تهويه سيستم هاي بازيابي گرماي اضافه و صنايع شيميايي و سرمايش کاربرد دارند. اين مبدل ها به چهار دسته زير تقسيم مي شوند :
1) پره ساده
2) Plain Fin پره ساده سوراخ دار (Plain Perforated Fin)
3) پره دندانه اي يا کنگره اي
4) Serrated Fin پره هاي جناغي يا موجي شکل (Herring Bake Fin)
◄ مبدل هاي حرارتي براساس جريان:
- جريان همسو (هم جهت) :
در اين نوع مبدل ها سيال سرد و گرم هر دو در يک جهت حرکت مي کنند و در حين عبور از مبدل تبادل حرارتي انجام مي دهند.
- جريان ناهمسو (مخالف جهت) :
در اين نوع مبدل سيال سرد در يک جهت و سيال گرم در جهت عکس آن وارد مبدل مي شود و بدين ترتيب تبادل حرارتي صورت مي پذيرد. در شرايط يکسان براي يک مبدل با جريان ناهمسو ميزان انتقال حرارت بيشتر خواهد بود.
- جريان متقاطع :
چنانچه يک سيال در لوله و سيال ديگر به صورت عمود بر لوله ها جريان داشته باشد، نوع جريان متقاطع خواهد بود. مبدل هاي حرارتي با جريان متقاطع در گرمايش و سرمايش هوا يا گازها کاربرد وسيعي دارند
سلام، خدمت شما. یک پروژه کامل هم در تاپیک پروزه و کارآموزی ها گذاشتم که خیلی می تونه کمکتون کنه.
مبدلهای گرمایی فشرده و بهبود بازیافت حرارت
دسته بندی مبدل های حرارتی
مبدل های حرارتی را می توان از جنبه های مختلف دسته بندی کرد :
1- مبدل های حرارتی نوع Recuperative
در این مبدل سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت می گیرد. اکثر مبدل های موجود در صنعت از این دسته هستند.
2- مبدل های حرارتی نوع Regenerative
در این مبدل ، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می گیرند. این نوع مبدل ها بیشتر در مقیاس های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند.
3- مبدل های حرارتی نوع تماس مستقیم
در این نوع مبدل های حرارتی ، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده ( هیچ دیواره ای بین جریانهای سرد و گرم وجود ندارد ) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می گیرد. در مبدل های تماس مستقیم ، جریانها ، دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. نمونه ای از این مبدل ها ، برج های خنک کن ، کولرهای آبی و گرم کن های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه های بخار می باشند .
بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
بر این اساس مبدل های حرارتی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند :
الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو
الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو
در این نوع مبدل ها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آن ها موافق یکدیگر می باشند. یعنی دو جریان سیال ، از یک انتها به مبدل وارد می شوند و هر دو در یک جهت جریان می یابند و از انتهای دیگر خارج می شوند. نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم بکارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می باشد.
ب- مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو
در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان غیر همسو می نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدل ها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدلها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل های همسو برخوردار هستند.
ج- مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم
در این نوع مبدل ها جهت جریان های سرد و گرم عمود بر هم می باشند. به عنوان متداول ترین نمونه می توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم ، بسته به طراحی ، جریان مخلوط یا غیر مخلوط نامیده می شود. سیال داخل لوله ها چون اجازه حرکت در راستای عرضی را نخواهد داشت غیر مخلوط است. سیال بیرونی برای لوله های بی پره مخلوط است چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و برای لوله های پره دار غیر مخلوط است زیرا وجود پره ها مانع از جریان آن در جهتی عمود بر جهت اصلی جریان می شود.
بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم
مبدل های حرارتی بر طبق مکانیزم انتقال گرما ، می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
1- جابجایی یک فاز در هر دو سمت
2- جابجایی یک فاز در یک سمت ، جابجایی دو فاز در سمت دیگر
3- جابجایی دو فاز در هر دو سمت
در مبدل های حرارتی از قبیل اکونومایزرها ( مبدل هایی که در آن سیال از شرایط مایع مادون اشباع بسمت شرایط مایع اشباع می رود) و گرمکن های هوا در دیگ بخار ، خنک کن های میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای ، رادیاتور خودروها ، ژنراتورها ، خنک کن های روغن ، گرم کن های مورد استفاده در گرمایش اطاقها و غیره ، در هر دو سمت سیال سرد و گرم ، انتقال گرما از طریق جابجایی یک فاز اتفاق می افتد. چگالنده ها ، دیگ های بخار و مولدهای بخار در راکتورهای آب تحت فشار در نیروگاه های هسته ای ، تبخیرکننده ها و رادیاتورهای مورد استفاده در تهویه مطبوع و گرمایش ، دارای مکانیزم های چگالش و جوشش در یکی از سطوح مبدل های حرارتی می باشند. همچنین انتقال گرمای دو فاز می تواند در هر دو سمت مبدل ، مانند شرایطی که چگالش در یک سمت و جوشش در سمت دیگر سطح انتقال گرما است ، اتفاق بیفتد. هر چند ، بدون تغییر فاز نیز می توان شکلی از انتقال گرمای جریان دوفاز داشت ، همانطور که بسترهای سیال ، مخلوط گاز و ذرات جامد ، به سطح گرمایی ، یا از آن سطح ، گرما منتقل می کنند.
بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها
مبدل های حرارتی از نوع تماس غیر مستقیم ( مبدل های با انتقال گرما از طریق دیواره ) اغلب بر حسب مشخصات ساختاریشان توصیف می شوند. انواع عمده دسته بندی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار آن ها ، شامل لوله ای ، صفحه ای و سطح پره دار است.
1- مبدل های لوله ای
این مبدل ها از لوله هایی با مقطع دایره ای ساخته شده اند. یک سیال در داخل لوله ها و سیال دیگر در خارج از لوله جریان دارد. قطر ، تعداد ، طول ، گام و آرایش لوله ها می تواند تغییر کند. بنابراین انعطاف پذیری قابل ملاحظه ای در طراحی آنها وجود دارد.
مبدل های حرارتی لوله ای می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
الف- دو لوله ای ( ( Double pipe
الف- مبدل های حرارتی دو لوله ای
مبدل های دو لوله ای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لوله ای دیگر با قطر بزرگتر قرار می گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند. مبدل های حرارتی دو لوله ای می توانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند. استفاده عمده مبدل های دو لوله ای ، برای گرمایش و سرمایش محسوس سیال های فرآیندی است که در آنها سطوح انتقال گرمای کوچکی مورد نیاز می باشد. این شکل بندی ، همچنین در حالتیکه یک یا هر دو سیال سرد و گرم ، در فشار زیاد باشند ، مناسب است. عیب اصلی این مبدلها آنست که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم بوده . به عبارت دیگر برای ظرفیت گرمایی مشخص ، بزرگ و گران قیمت هستند. اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بین لوله داخلی و خارجی کوچک باشد ، لوله ( یا لوله های ) داخلی دارای پره های طولی می توانند استفاده شوند.
ب- مبدل های حرارتی پوسته و لوله
مبدل های پوسته و لوله ، از لوله های با مقطع دایره ای که در پوسته های استوانه ای بزرگ نصب شده اند ، ساخته می شوند به طوری که محور لوله ها موازی با محور پوسته است. این مبدل ها به صورت وسیعی به عنوان خنک کن های روغن ، چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاه ها ، و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاه های هسته ای و در کاربرد های صنایع فرآیندی و شیمیایی استفاده می شوند.
در مبدل های دارای بافل ( تیغه ها و صفحات هدایت کننده جریان ) ، جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالیکه از فاصله مابین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود ، موازی با لوله ها ، جهت می یابد. بسته به کاربرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله ، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آنها وجود دارد.
اهداف اصلی طراحی در این مبدل ها ، در نظر گرفتن انبساط حرارتی پوسته و لوله ها ، تمیز کردن آسان مجموعه ، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبه ها ، کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنهاست.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت( Fixed tube sheet ) ، پوسته به صفحه لوله جوش داده شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج از دسته لوله ، برای تمیز کاری وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است که می تواند اندکی توسط فانوسی های انبساط ، افزایش یابد. در این نوع از مبدلها ، تمیز کردن لوله ها ، ساده است.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است ، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند ، نمیتواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.
آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و لوله ، بسته به ظرفیت گرمایی ، افت فشار ، سطح فشار ، تشکیل رسوب ، شیوه های ساخت و هزینه بری ، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری ، استفاده می شوند. بافل ها برای افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده میگردند. مبدل های پوسته و لوله ، بر حسب نیاز ، برای هر ظرفیت و شرایط کارکرد ، طراحی می شوند. این مشخصه مبدل های پوسته و لوله ، متفاوت با بسیاری از انواع دیگر مبدل ها می باشد.
ج- مبدل های حرارتی لوله ای حلزونی
این مبدل ها شامل کویل هایی هستند که به صورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند و یا به صورت چگالنده های هم مرکز و تبخیر کننده های هم مرکز هستند که در سیستم های تبرید استفاده می شوند. ضریب انتقال گرما ، در لوله حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم ، بیشتر است. این مبدل ها، برای انبساط گرمایی و سیال های تمیز مناسب هستند ، زیرا تمیز کردن آنها تقریبا غیر ممکن است.
2- مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل های حرارتی صفحه ای ، از صفحات نازک که کانال های جریان را تشکیل می دهد ، ساخته می شوند. جریان های سیال ، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موجدار هستند ، از هم جدا می شوند. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز ، مایع یا جریان های دو فاز ، استفاده می شوند. این مبدل ها می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
الف- صفحه ای واشردار ( Gasketed-plat )
الف- مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار
مبدل های صفحه ای واشردار شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار است که سیال های گرم و سرد را از یکدیگر جدا می کند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما بین آنها مبادله شود ، یکی در میان فضای صفحات ، جریان یابند. طراحی و واشر بندی مناسب ، امکان آن را ایجاد می کند که مجموعه ای از صفحات ، توسط پیچ ها که از صفحات ابتدا و انتها نیز می گذرند ، در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. واشرها از نشتی به بیرون جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات ، به شکل مورد نظر ، هدایت می نمایند. شکل جریان ، عموماً به نحوی انتخاب می شود که جریان سیال ها در خلاف جهت یکدیگر باشند. مبدل های صفحه ای معمولا به جریان سیال با فشار پایین تر از bar25 و دمای کمتر از حدود 250درجه سانتیگراد محدود می شوند. جریان قوی گردابه ای موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال گرما و افت فشارها می گردد ، بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی ، باعث کاهش تشکیل رسوب می شود. این مبدل ها ، سطح انتقال حرارتی نسبتاً فشرده و با وزن کم ایجاد می کنند. دما و فشار آنها به دلیل جزئیات ساخت و واشربندی ، محدود هستند. این مبدل ها به آسانی تمیز .و استریلیزه میشوند زیرا می توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده ای در صنایع غذایی دارند.
ب- مبدل های حرارتی صفحه ای حلزونی
مبدل های صفحه ای حلزونی ، با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی ( مندرل ) و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند ، شکل داده می شوند. فاصله بین صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی ، با استفاده از پین های فاصله انداز که به ورق فلزی جوش می شوند ، حفظ می شود. طول پین های فاصله انداز می تواند بین 5 تا 20mm تغییر کند. به همین دلیل است که با توجه به نرخ جریان ، می توان فواصل مختلفی برای کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل و بنابراین کوچکترین سطوح گرمایش ممکن ، بدست می آیند.
در هر یک از دو مسیر حلزونی ، یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال گرما را افزایش ، و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این مبدل ها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود ، نسبتاً گران قیمت می باشند.
سطح انتقال گرما برای این مبدل ها ، در محدوده 0.5 می باشد. حداکثر فشار کارکرد( تا 15 bar) و دمای کارکرد ( تا 500درجه سانتیگراد ) در این مبدل ها محدود هستند.
مبدل های حرارتی حلزونی به ویژه در کاربرد سیال لجن آلود ، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع- جامد ، استفاده می شوند. مبدل های حلزونی ، در سه نوع اصلی که در اتصالات و آرایش های جریان ، تفاوت دارند ، ساخته می شود.
ج- مبدل های حرارتی لاملا
مبدل های حرارتی لاملا ( ریمن ) شامل مجموعه کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که به طور موازی جوشکاری شده اند و یا به شکل لاملا ( لوله های تخت یا کانال های مستطیلی ) می باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند. این مبدل ، شکل اصلاح شده ای از مبدل های حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است ، لوله های تخت شده که به آن ها لاملا نیز گفته میشود ، از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته ، به یکدیگر جوش نقطه ای یا درزی شده اند ، ساخته شده است . شکل دهی خاص صفحات باریک ، فضای داخل لاملاها را ایجاد می کند و برجستگی هایی به سمت خارج ، بیرون می زند که به صورت فاصله دهنده ، بین لاملاها ، برای ایجاد مقاطع جریان در سمت پوسته بکار می رود. لاملاها در هر دو انتها با قرار دادن میله های فولادی در وسط آنها به یکدیگر جوش می شوند.
اندازه میله های فولادی بسته به فاصله مرد نیاز بین لاملاها دارد. هر دو انتهای دسته لاملا بوسیله جوش های محیطی ، به درپوش کانال متصل می شوند که آن هم خود ، در انتهای خارجی به نازل ورودی و خروجی جوش شده است. بنابراین سمت لاملا کاملاً توسط جوشها آب بندی شده است.
سطوح ما بین لاملاها برای تمیز کاری شیمیایی مناسب هستند بنابراین سیال های رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند. جریان سمت پوسته عموماً یک گذر حول صفحات است و به صورت طولی در فضای بین کانال ها جریان می یابد. هیچگونه بافلی در سمت پوسته وجود ندارد و بنابراین مبدل های لاملا می توانند برای آرایش جریان مخالف جهت واقعی در نظر گرفته شوند. به دلیل آشفتگی زیاد جریان ، توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف ، لاملاها به سادگی رسوب نمی گیرند.
دسته صفحه می تواند به راحتی برای بازرسی و تمیز کاری بیرون آورده شود . این طرح دارای ظرفیت تحمل فشار تا 35 bar و تحمل دما تا 200 درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و 500 درجه سانتیگراد برای واشرهای آزبست می باشد.
3- مبدل های حرارتی با سطوح پره دار
مبدل های حرارتی با سطوح پره دار ، دارای پره ها و یا ضمائمی در سطح اصلی ( لوله ای یا صفحه ای ) انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از سمت مایع است ، سطوح انتقال گرمای پره دار ، در سمت گاز برای افزایش سطوح انتقال گرما استفاده می شوند. پره ها به صورت وسیع در مبدل های حرارتی گاز – گاز یا گاز – مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل های حرارتی فشرده نیاز باشد استفاده می گردند. دو نوع از رایج ترین مبدل های حرارتی دارای صفحات پره دا عبارتند از :
الف- مبدل های صفحه ای پره دار
نوع مبدل های صفحه ای پره دار عمدتاً برای کاربردهای گاز- گاز و مبدل های لوله ای پره دار برای کاربردهای مایع- گاز استفاده می شوند. در اکثر کاربردها ( ماشین های باری ، اتومبیل ها و هواپیماها ) کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به دلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن ، مبدل های حرارتی فشرده همچنین به صورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم ( کرایوژنیک ) ، بازیابی انرژی ، صنایع فرآیندی ، تبرید وسیستم های تهویه استفاده می گردند.
جریان های سیال با صفحات تخت که بین آن ها پره های موج دار قرار داده شده اند ، از هم جدا می شوند. آن ها می توانند با توجه به جریان های سیال با شکل بندی های متفاوت آرایش داده شوند . این واحد های بسیار فشرده دارای سطح انتقال گرما در واحد حجم حدود2000 میباشند. صفحات عموماً دارای ضخامت 0.5 تا mm 1 و پره ها دارای ضخامت 0.15 تا mm 0.75 می باشند. کل مبدل از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است و اجزاء مختلف ، در حمام نمک یا کوره خلاء به یکدیگر لحیم می شوند.
ورق های موج دار که بین صفحات تخت قرار داده شده اند ، باعث ایجاد سطح انتقال گرمای بیشتر می شوند و هم تکیه گاهی برای صفحات تخت ایجاد می کنند. شکل های مختلف بسیاری از ورق های موجدار در این مبدل ها استفاده می شوند ولی رایجترین آنها عبارتند از : پره ساده ، پره ساده سوراخدار ، پره دندانه ای یا کنگره ای ، پره جناغی یا موجی شکل.
با استفاده از پره ها که در راستای جریان پیوسته نباشند ، لایه های مرزی کاملاً شکسته می شوند و بهم می خورند ، اگر سطح در راستای جریان دارای موج باشد ، لایه های مرزی یا نازک می گردند و یا قطع می شوند که نتیجه آن ضرایب بزرگتر انتقال گرما و افت فشار بزرگتر است.
کانال های جریان در مبدل های صفحه ای پره دار کوچک هستند که بدین معناست که سرعت جرمی جریان در آنها نیز باید کوچک باشد ( 10 تا 300 ) تا از افت فشار اضافی ، اجتناب شود. این موضوع کانال را مستعد برای تشکیل رسوب نماید ، با توجه به این موضوع که این مبدلها نمی توانند به صورت مکانیکی تمیز شوند ، استفاده از این مبدل های صفحه ای پره دار منحصر به سیال های تمیز است. آنها به وفور برای مصارف چگالش در واحدهای مایع سازی هوا استفاده می شوند.
مبدل های صفحه ای پره دار برای استفاده در توربین های گاز ، نیروگاههای مرسوم و هسته ای ، مهندسی پیشرانه (هواپیماها ، ماشین های باری و خودروها) ، تبرید ، گرمایش ، تهویه و تهویه مطبوع ، سیستم های بازیابی گرمای اضافه ، صنایع شیمیایی و سرمایش وسایل الکترونیکی بوجود آمده اند.
ب- مبدل های لوله ای پره دار
این مبدل ها شامل آرایه ای از لوله ها با پره هایی که در سمت بیرونی ثابت شده اند ، می باشد. پره های سمت خارجی لوله ها ممکن است عمود بر محور لوله ها ، اریب یا مارپیچ نسبت به محور ، یا طولی (محوری) و در امتداد محور لوله باشند. پره های طولی معمولاً در مبدل های دو لوله ای یا پوسته و لوله ای که دارای بافل نیستند استفاده می شوند.
در مبدل های لوله ای پره دار عموماً لوله هایی با مقاطع گرد ، مستطیلی یا بیضوی استفاده می شوند. پره ها با لحیم کاری ، جوش برنجی ، جوشکاری ، اکستروژن ، جا زدن مکانیکی ، پیچاندن کششی و غیره به لوله وصل می شوند. این مبدل ها بطور متداول در سیستم های گرمایش ، تهویه ، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. سطوح داخلی در سمت لوله ها عموماً در چگالنده ها و تبخیر کننده های سیستم های تبرید استفاده می گردند.
چگالنده های خنک شونده با هوا و دیگ های بخار بازیافت ، مبدل های حرارتی لوله ای پره دار هستند که شامل یک دسته افقی از لوله ها است که هوا یا گاز از میان لوله ها و متقاطع با آن ها در سمت خارجی دمیده می شود و چگالش یا جوشش ، در سمت داخل لوله ها اتفاق می افتد.
مبدل های حرارتی را می توان از جنبه های مختلف دسته بندی کرد :
- بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
- بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
- بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم
- بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدلها
1- مبدل های حرارتی نوع Recuperative
در این مبدل سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت می گیرد. اکثر مبدل های موجود در صنعت از این دسته هستند.
2- مبدل های حرارتی نوع Regenerative
در این مبدل ، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می گیرند. این نوع مبدل ها بیشتر در مقیاس های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند.
3- مبدل های حرارتی نوع تماس مستقیم
در این نوع مبدل های حرارتی ، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده ( هیچ دیواره ای بین جریانهای سرد و گرم وجود ندارد ) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می گیرد. در مبدل های تماس مستقیم ، جریانها ، دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. نمونه ای از این مبدل ها ، برج های خنک کن ، کولرهای آبی و گرم کن های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه های بخار می باشند .
بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
بر این اساس مبدل های حرارتی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند :
الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو
- مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو
الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو
در این نوع مبدل ها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آن ها موافق یکدیگر می باشند. یعنی دو جریان سیال ، از یک انتها به مبدل وارد می شوند و هر دو در یک جهت جریان می یابند و از انتهای دیگر خارج می شوند. نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم بکارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می باشد.
ب- مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو
در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان غیر همسو می نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدل ها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدلها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل های همسو برخوردار هستند.
ج- مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم
در این نوع مبدل ها جهت جریان های سرد و گرم عمود بر هم می باشند. به عنوان متداول ترین نمونه می توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم ، بسته به طراحی ، جریان مخلوط یا غیر مخلوط نامیده می شود. سیال داخل لوله ها چون اجازه حرکت در راستای عرضی را نخواهد داشت غیر مخلوط است. سیال بیرونی برای لوله های بی پره مخلوط است چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و برای لوله های پره دار غیر مخلوط است زیرا وجود پره ها مانع از جریان آن در جهتی عمود بر جهت اصلی جریان می شود.
بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم
مبدل های حرارتی بر طبق مکانیزم انتقال گرما ، می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
1- جابجایی یک فاز در هر دو سمت
2- جابجایی یک فاز در یک سمت ، جابجایی دو فاز در سمت دیگر
3- جابجایی دو فاز در هر دو سمت
در مبدل های حرارتی از قبیل اکونومایزرها ( مبدل هایی که در آن سیال از شرایط مایع مادون اشباع بسمت شرایط مایع اشباع می رود) و گرمکن های هوا در دیگ بخار ، خنک کن های میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای ، رادیاتور خودروها ، ژنراتورها ، خنک کن های روغن ، گرم کن های مورد استفاده در گرمایش اطاقها و غیره ، در هر دو سمت سیال سرد و گرم ، انتقال گرما از طریق جابجایی یک فاز اتفاق می افتد. چگالنده ها ، دیگ های بخار و مولدهای بخار در راکتورهای آب تحت فشار در نیروگاه های هسته ای ، تبخیرکننده ها و رادیاتورهای مورد استفاده در تهویه مطبوع و گرمایش ، دارای مکانیزم های چگالش و جوشش در یکی از سطوح مبدل های حرارتی می باشند. همچنین انتقال گرمای دو فاز می تواند در هر دو سمت مبدل ، مانند شرایطی که چگالش در یک سمت و جوشش در سمت دیگر سطح انتقال گرما است ، اتفاق بیفتد. هر چند ، بدون تغییر فاز نیز می توان شکلی از انتقال گرمای جریان دوفاز داشت ، همانطور که بسترهای سیال ، مخلوط گاز و ذرات جامد ، به سطح گرمایی ، یا از آن سطح ، گرما منتقل می کنند.
بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها
مبدل های حرارتی از نوع تماس غیر مستقیم ( مبدل های با انتقال گرما از طریق دیواره ) اغلب بر حسب مشخصات ساختاریشان توصیف می شوند. انواع عمده دسته بندی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار آن ها ، شامل لوله ای ، صفحه ای و سطح پره دار است.
1- مبدل های لوله ای
این مبدل ها از لوله هایی با مقطع دایره ای ساخته شده اند. یک سیال در داخل لوله ها و سیال دیگر در خارج از لوله جریان دارد. قطر ، تعداد ، طول ، گام و آرایش لوله ها می تواند تغییر کند. بنابراین انعطاف پذیری قابل ملاحظه ای در طراحی آنها وجود دارد.
مبدل های حرارتی لوله ای می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
الف- دو لوله ای ( ( Double pipe
- پوسته و لوله ( shell and tube )
- لوله ای حلزونی ( spiral tube )
الف- مبدل های حرارتی دو لوله ای
مبدل های دو لوله ای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لوله ای دیگر با قطر بزرگتر قرار می گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت کند. مبدل های حرارتی دو لوله ای می توانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار و متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند. استفاده عمده مبدل های دو لوله ای ، برای گرمایش و سرمایش محسوس سیال های فرآیندی است که در آنها سطوح انتقال گرمای کوچکی مورد نیاز می باشد. این شکل بندی ، همچنین در حالتیکه یک یا هر دو سیال سرد و گرم ، در فشار زیاد باشند ، مناسب است. عیب اصلی این مبدلها آنست که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم بوده . به عبارت دیگر برای ظرفیت گرمایی مشخص ، بزرگ و گران قیمت هستند. اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بین لوله داخلی و خارجی کوچک باشد ، لوله ( یا لوله های ) داخلی دارای پره های طولی می توانند استفاده شوند.
ب- مبدل های حرارتی پوسته و لوله
مبدل های پوسته و لوله ، از لوله های با مقطع دایره ای که در پوسته های استوانه ای بزرگ نصب شده اند ، ساخته می شوند به طوری که محور لوله ها موازی با محور پوسته است. این مبدل ها به صورت وسیعی به عنوان خنک کن های روغن ، چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاه ها ، و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاه های هسته ای و در کاربرد های صنایع فرآیندی و شیمیایی استفاده می شوند.
در مبدل های دارای بافل ( تیغه ها و صفحات هدایت کننده جریان ) ، جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالیکه از فاصله مابین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود ، موازی با لوله ها ، جهت می یابد. بسته به کاربرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله ، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آنها وجود دارد.
اهداف اصلی طراحی در این مبدل ها ، در نظر گرفتن انبساط حرارتی پوسته و لوله ها ، تمیز کردن آسان مجموعه ، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبه ها ، کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنهاست.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت( Fixed tube sheet ) ، پوسته به صفحه لوله جوش داده شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج از دسته لوله ، برای تمیز کاری وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است که می تواند اندکی توسط فانوسی های انبساط ، افزایش یابد. در این نوع از مبدلها ، تمیز کردن لوله ها ، ساده است.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است ، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند ، نمیتواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.
آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و لوله ، بسته به ظرفیت گرمایی ، افت فشار ، سطح فشار ، تشکیل رسوب ، شیوه های ساخت و هزینه بری ، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری ، استفاده می شوند. بافل ها برای افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده میگردند. مبدل های پوسته و لوله ، بر حسب نیاز ، برای هر ظرفیت و شرایط کارکرد ، طراحی می شوند. این مشخصه مبدل های پوسته و لوله ، متفاوت با بسیاری از انواع دیگر مبدل ها می باشد.
ج- مبدل های حرارتی لوله ای حلزونی
این مبدل ها شامل کویل هایی هستند که به صورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند و یا به صورت چگالنده های هم مرکز و تبخیر کننده های هم مرکز هستند که در سیستم های تبرید استفاده می شوند. ضریب انتقال گرما ، در لوله حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم ، بیشتر است. این مبدل ها، برای انبساط گرمایی و سیال های تمیز مناسب هستند ، زیرا تمیز کردن آنها تقریبا غیر ممکن است.
2- مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل های حرارتی صفحه ای ، از صفحات نازک که کانال های جریان را تشکیل می دهد ، ساخته می شوند. جریان های سیال ، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موجدار هستند ، از هم جدا می شوند. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز ، مایع یا جریان های دو فاز ، استفاده می شوند. این مبدل ها می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
الف- صفحه ای واشردار ( Gasketed-plat )
- صفحه ای حلزونی ( Spiral plat )
- لاملا ( Lamella )
الف- مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار
مبدل های صفحه ای واشردار شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار است که سیال های گرم و سرد را از یکدیگر جدا می کند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما بین آنها مبادله شود ، یکی در میان فضای صفحات ، جریان یابند. طراحی و واشر بندی مناسب ، امکان آن را ایجاد می کند که مجموعه ای از صفحات ، توسط پیچ ها که از صفحات ابتدا و انتها نیز می گذرند ، در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. واشرها از نشتی به بیرون جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات ، به شکل مورد نظر ، هدایت می نمایند. شکل جریان ، عموماً به نحوی انتخاب می شود که جریان سیال ها در خلاف جهت یکدیگر باشند. مبدل های صفحه ای معمولا به جریان سیال با فشار پایین تر از bar25 و دمای کمتر از حدود 250درجه سانتیگراد محدود می شوند. جریان قوی گردابه ای موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال گرما و افت فشارها می گردد ، بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی ، باعث کاهش تشکیل رسوب می شود. این مبدل ها ، سطح انتقال حرارتی نسبتاً فشرده و با وزن کم ایجاد می کنند. دما و فشار آنها به دلیل جزئیات ساخت و واشربندی ، محدود هستند. این مبدل ها به آسانی تمیز .و استریلیزه میشوند زیرا می توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده ای در صنایع غذایی دارند.
ب- مبدل های حرارتی صفحه ای حلزونی
مبدل های صفحه ای حلزونی ، با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی ( مندرل ) و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند ، شکل داده می شوند. فاصله بین صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی ، با استفاده از پین های فاصله انداز که به ورق فلزی جوش می شوند ، حفظ می شود. طول پین های فاصله انداز می تواند بین 5 تا 20mm تغییر کند. به همین دلیل است که با توجه به نرخ جریان ، می توان فواصل مختلفی برای کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل و بنابراین کوچکترین سطوح گرمایش ممکن ، بدست می آیند.
در هر یک از دو مسیر حلزونی ، یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال گرما را افزایش ، و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این مبدل ها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود ، نسبتاً گران قیمت می باشند.
سطح انتقال گرما برای این مبدل ها ، در محدوده 0.5 می باشد. حداکثر فشار کارکرد( تا 15 bar) و دمای کارکرد ( تا 500درجه سانتیگراد ) در این مبدل ها محدود هستند.
مبدل های حرارتی حلزونی به ویژه در کاربرد سیال لجن آلود ، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع- جامد ، استفاده می شوند. مبدل های حلزونی ، در سه نوع اصلی که در اتصالات و آرایش های جریان ، تفاوت دارند ، ساخته می شود.
ج- مبدل های حرارتی لاملا
مبدل های حرارتی لاملا ( ریمن ) شامل مجموعه کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که به طور موازی جوشکاری شده اند و یا به شکل لاملا ( لوله های تخت یا کانال های مستطیلی ) می باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند. این مبدل ، شکل اصلاح شده ای از مبدل های حرارتی پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است ، لوله های تخت شده که به آن ها لاملا نیز گفته میشود ، از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته ، به یکدیگر جوش نقطه ای یا درزی شده اند ، ساخته شده است . شکل دهی خاص صفحات باریک ، فضای داخل لاملاها را ایجاد می کند و برجستگی هایی به سمت خارج ، بیرون می زند که به صورت فاصله دهنده ، بین لاملاها ، برای ایجاد مقاطع جریان در سمت پوسته بکار می رود. لاملاها در هر دو انتها با قرار دادن میله های فولادی در وسط آنها به یکدیگر جوش می شوند.
اندازه میله های فولادی بسته به فاصله مرد نیاز بین لاملاها دارد. هر دو انتهای دسته لاملا بوسیله جوش های محیطی ، به درپوش کانال متصل می شوند که آن هم خود ، در انتهای خارجی به نازل ورودی و خروجی جوش شده است. بنابراین سمت لاملا کاملاً توسط جوشها آب بندی شده است.
سطوح ما بین لاملاها برای تمیز کاری شیمیایی مناسب هستند بنابراین سیال های رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند. جریان سمت پوسته عموماً یک گذر حول صفحات است و به صورت طولی در فضای بین کانال ها جریان می یابد. هیچگونه بافلی در سمت پوسته وجود ندارد و بنابراین مبدل های لاملا می توانند برای آرایش جریان مخالف جهت واقعی در نظر گرفته شوند. به دلیل آشفتگی زیاد جریان ، توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف ، لاملاها به سادگی رسوب نمی گیرند.
دسته صفحه می تواند به راحتی برای بازرسی و تمیز کاری بیرون آورده شود . این طرح دارای ظرفیت تحمل فشار تا 35 bar و تحمل دما تا 200 درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و 500 درجه سانتیگراد برای واشرهای آزبست می باشد.
3- مبدل های حرارتی با سطوح پره دار
مبدل های حرارتی با سطوح پره دار ، دارای پره ها و یا ضمائمی در سطح اصلی ( لوله ای یا صفحه ای ) انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از سمت مایع است ، سطوح انتقال گرمای پره دار ، در سمت گاز برای افزایش سطوح انتقال گرما استفاده می شوند. پره ها به صورت وسیع در مبدل های حرارتی گاز – گاز یا گاز – مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل های حرارتی فشرده نیاز باشد استفاده می گردند. دو نوع از رایج ترین مبدل های حرارتی دارای صفحات پره دا عبارتند از :
الف- مبدل های صفحه ای پره دار
- مبدل های لوله ای پره دار
نوع مبدل های صفحه ای پره دار عمدتاً برای کاربردهای گاز- گاز و مبدل های لوله ای پره دار برای کاربردهای مایع- گاز استفاده می شوند. در اکثر کاربردها ( ماشین های باری ، اتومبیل ها و هواپیماها ) کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به دلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن ، مبدل های حرارتی فشرده همچنین به صورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم ( کرایوژنیک ) ، بازیابی انرژی ، صنایع فرآیندی ، تبرید وسیستم های تهویه استفاده می گردند.
جریان های سیال با صفحات تخت که بین آن ها پره های موج دار قرار داده شده اند ، از هم جدا می شوند. آن ها می توانند با توجه به جریان های سیال با شکل بندی های متفاوت آرایش داده شوند . این واحد های بسیار فشرده دارای سطح انتقال گرما در واحد حجم حدود2000 میباشند. صفحات عموماً دارای ضخامت 0.5 تا mm 1 و پره ها دارای ضخامت 0.15 تا mm 0.75 می باشند. کل مبدل از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است و اجزاء مختلف ، در حمام نمک یا کوره خلاء به یکدیگر لحیم می شوند.
ورق های موج دار که بین صفحات تخت قرار داده شده اند ، باعث ایجاد سطح انتقال گرمای بیشتر می شوند و هم تکیه گاهی برای صفحات تخت ایجاد می کنند. شکل های مختلف بسیاری از ورق های موجدار در این مبدل ها استفاده می شوند ولی رایجترین آنها عبارتند از : پره ساده ، پره ساده سوراخدار ، پره دندانه ای یا کنگره ای ، پره جناغی یا موجی شکل.
با استفاده از پره ها که در راستای جریان پیوسته نباشند ، لایه های مرزی کاملاً شکسته می شوند و بهم می خورند ، اگر سطح در راستای جریان دارای موج باشد ، لایه های مرزی یا نازک می گردند و یا قطع می شوند که نتیجه آن ضرایب بزرگتر انتقال گرما و افت فشار بزرگتر است.
کانال های جریان در مبدل های صفحه ای پره دار کوچک هستند که بدین معناست که سرعت جرمی جریان در آنها نیز باید کوچک باشد ( 10 تا 300 ) تا از افت فشار اضافی ، اجتناب شود. این موضوع کانال را مستعد برای تشکیل رسوب نماید ، با توجه به این موضوع که این مبدلها نمی توانند به صورت مکانیکی تمیز شوند ، استفاده از این مبدل های صفحه ای پره دار منحصر به سیال های تمیز است. آنها به وفور برای مصارف چگالش در واحدهای مایع سازی هوا استفاده می شوند.
مبدل های صفحه ای پره دار برای استفاده در توربین های گاز ، نیروگاههای مرسوم و هسته ای ، مهندسی پیشرانه (هواپیماها ، ماشین های باری و خودروها) ، تبرید ، گرمایش ، تهویه و تهویه مطبوع ، سیستم های بازیابی گرمای اضافه ، صنایع شیمیایی و سرمایش وسایل الکترونیکی بوجود آمده اند.
ب- مبدل های لوله ای پره دار
این مبدل ها شامل آرایه ای از لوله ها با پره هایی که در سمت بیرونی ثابت شده اند ، می باشد. پره های سمت خارجی لوله ها ممکن است عمود بر محور لوله ها ، اریب یا مارپیچ نسبت به محور ، یا طولی (محوری) و در امتداد محور لوله باشند. پره های طولی معمولاً در مبدل های دو لوله ای یا پوسته و لوله ای که دارای بافل نیستند استفاده می شوند.
در مبدل های لوله ای پره دار عموماً لوله هایی با مقاطع گرد ، مستطیلی یا بیضوی استفاده می شوند. پره ها با لحیم کاری ، جوش برنجی ، جوشکاری ، اکستروژن ، جا زدن مکانیکی ، پیچاندن کششی و غیره به لوله وصل می شوند. این مبدل ها بطور متداول در سیستم های گرمایش ، تهویه ، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. سطوح داخلی در سمت لوله ها عموماً در چگالنده ها و تبخیر کننده های سیستم های تبرید استفاده می گردند.
چگالنده های خنک شونده با هوا و دیگ های بخار بازیافت ، مبدل های حرارتی لوله ای پره دار هستند که شامل یک دسته افقی از لوله ها است که هوا یا گاز از میان لوله ها و متقاطع با آن ها در سمت خارجی دمیده می شود و چگالش یا جوشش ، در سمت داخل لوله ها اتفاق می افتد.
آخرین ویرایش:
[h=1]اصول طراحی مبدل های حرارتی[/h]طراحی برای تهیه یک سیستم مهندسی ، بخشی از آن یا تنها یک مؤلفه سیستم ، در جایگاه بسیار بالایی قرار دارد. توصیف یک سیستم مهندسی بیانگر مشخصات مهم ساختار سیستم، اندازه سیستم، عملکرد سیستم و سایر مشخصاتی که برای ساخت و بهره برداری بسیار مهمند ، می باشد . این موضوع می تواند با استفاده از روش و اصول طراحی محقق گردد.
از فرمول بندی چشم انداز این فعالیت ، کاملا مشخص است که روش طراحی دارای ساختار پیچیده ای است و از این گذشته، روش طراحی برای یک مبدل حرارتی به عنوان یک مؤلفه ، باید با طراحی چرخه عمر یک سیستم سازگار باشد. طراحی چرخه عمر ملاحظات زیر را فرض کرده است :
یک متدولوژی برای طراحی یک مبدل حرارتی در شکل 1 نشان داده شده است . این طراحی توسط آقایان کیز و لندن (1998) ، تابورک (1988) و شاه (1982) [1] برای مبدل های حرارتی فشرده انجام شده است. این فرآیند طراحی را می توان به عنوان یک مطالعه موردی مد نظر قرار داد.
اصول و روش های طراحی مبدل های حرارتی شامل موارد زیر است :
[1] Kays & London , Taborek , shah
از فرمول بندی چشم انداز این فعالیت ، کاملا مشخص است که روش طراحی دارای ساختار پیچیده ای است و از این گذشته، روش طراحی برای یک مبدل حرارتی به عنوان یک مؤلفه ، باید با طراحی چرخه عمر یک سیستم سازگار باشد. طراحی چرخه عمر ملاحظات زیر را فرض کرده است :
- فرمول بندی مسئله ( از جمله تعامل با مشتری)
- توسعه مفهوم ( انتخاب انواع طراحی ها، طراحی اولیه)
- طراحی دقیق مبدل(انجام همه محاسبات طراحی و مد نظر قرار دادن همه ملاحظات )
- ساخت و تولید
- ملاحظات بهره برداری ( کارکرد ، در دسترس بودن ، فرسوده شدن و غیره)
یک متدولوژی برای طراحی یک مبدل حرارتی در شکل 1 نشان داده شده است . این طراحی توسط آقایان کیز و لندن (1998) ، تابورک (1988) و شاه (1982) [1] برای مبدل های حرارتی فشرده انجام شده است. این فرآیند طراحی را می توان به عنوان یک مطالعه موردی مد نظر قرار داد.
اصول و روش های طراحی مبدل های حرارتی شامل موارد زیر است :
- تعیین مشخصات فرآیند و طراحی
- طراحی حرارتی و هیدرولیک
- طراحی مکانیکی
- محاسبات مربوط به هزینه و ساخت
- فاکتورهای سنجش و بهینه سازی سیستم
[1] Kays & London , Taborek , shah
[h=1]1- تعیین مشخصات فرآیند و طراحی[/h]مشخصات و ویژگی های فرآیند را می توان یکی از مهمترین مراحل در طراحی مبدل حرارتی عنوان کرد. یک مهندس طراح مبدل حرارتی می تواند با همکاری مهندس طراح سیستم ، ویژگی های هوشمندانه ای را برای یک مبدل حرارتی تعریف کند و سیستم بهینه ای را ایجاد نماید. لازم است همه ویژگی ها و مشخصات هوشمندانه بر اساس نیازهای مشتری ، استانداردهای صنعتی و تجارب مهندس طراح مشخص گردند.
مشخصات طراحی و پروسه شامل همه اطلاعات لازم و مورد نیاز برای طراحی و بهینه سازی مبدل حرارتی تا بتوان از آن برای یک طراحی خاص استفاده کرد. این اطلاعات شامل موارد زیر است : مشخصات مسئله برای شرایط کار، نوع ساختار مبدل، آرایش جریان ها ، جنس موادی که در ساخت مبدل استفاده میشود ، محدودیت های ساخت ، کد ساخت ، ایمنی و حفاظت .
از این گذشته طراحی مبدل حرارتی و مهندس طراح آن باید تمام تلاش خود را بکار گیرند تا مشخصات ورودی مورد نیاز به کمترین میزان کاهش یابد.
الف- مشخصات مسئله
مشخصات مساله اولین و مهمترین ملاحظه ایست که اساس طراحی را شکل می دهد و پس از آن آنالیز عملکرد در شرایطی طراحی انجام میگیرد. مشخصات مسئله شامل تعیین مواردی مثل پارامترهای فرآیندی، شرایط عملیاتی و محیطی است که قرار است مبدل حرارتی در آن به کار گرفته شود. پارامتر های طراحی شامل تعیین نسبت جریان جرم سیال ( شامل انواع سیالات و ویژگی های ترمو فیزیکی آن ها ) ، دماهای ورودی و فشارها ، شدت های جریان ، ترکیب سیال ، کیفیت بخار ، بار حرارتی ، افت فشار مجاز ، نوسانات در دما و فشار ورودی به واسطه تغییرات در پارامترهای پروسه یا محیط ، پارامترهایی مثل اندازه کلی ، وزن ، خواص خورندگی و رسوب زایی سیال ، محدودیت های طراحی از (جمله هزینه ، موادی که باید استفاده شوند ، آرایش و چیدمان جریان ، انواع مبدل حرارتی ) ، شرایط محیط کارکرد ( اعم از ایمنی ، فرسایش ، سطح دما و تاثیرات محیطی )
عواملی که باید در نظر گرفته شود عبارتند از :
شرایط آب و هوایی : حداقل دمای محیط ، میزان بارندگی ( باران ، برف ، تگرگ ) و رطوبت
محیط عملیاتی : مجاورت با دریا ، صحرا ، مناطق قاره ای ، مناطق زلزله خیز ، باد خیز و غبار خیز
نقشه محل : میزان نزدیکی به ساختمان ها یا سایر تجهیزات حرارتی و برودتی ، جهت باد غالب ، طول و میزان لوله کشی های لازم و ....
اگر محدودیت های بسیار زیادی در نظر گرفته شود در آن صورت ممکن است طراحی عملی نباشد که در چنین صورتی لازم است بین پارامترهای مختلف سنجش و سبک و سنگین انجام شود. طراح مبدل حرارتی و مهندس طراح سیستم باید در این مرحله با همکاری هم بهترین مشخصات را برای سیستم انتخاب کنند.
ب- مشخصات مبدل حرارتی
با تعیین مشخصات مسئله و بر اساس اطلاعات و تجربیات مهندس طراح ، ابتدا ساختار مبدل و آرایش جریان انتخاب می گردد . انتخاب نوع ساختار بستگی به پارامترهای زیر دارد :
در گام دوم باید هندسه سطح یا مرکزی و مواد سازنده انتخاب شوند . هندسه مرکزی ( مثل نوع پوسته ، تعداد مجراها ، هندسه تیغه ها ( بافل ها ) و سایر موارد ) برای یه مبدل پوسته و لوله انتخاب می شوند در حالی که هندسه سطح برای مبدل صفحه ای ، با سطوح پره دار و بازیاب گرما انتخاب میشود. معیارهای کمی و کیفی فراوانی برای انتخاب سطح وجود دارد. معیارهای کیفی برای انتخاب سطح عبارتند از : دما و فشار کارکرد ، تجربه و قوه تشخیص طراح ، خوردگی ، رسوبات و جرم گرفتگی ، فرسایش ، آلودگی سیال ، هزینه ، در دسترس پذیری سطوح ، ساخت و تولید ، ضروریات نگه داری ، قابلیت اعتماد و ایمنی. در مورد مبدل های حرارتی پوسته و لوله ، معیارهایی که برای انتخاب هندسه مرکزی یا طرح بندی مرکزی در نظر گرفته می شود عبارت اند از : عملکرد انتقال حرارت در افت فشار تعیین شده ، فشارها و دماهای کارکرد ، تنش های فشاری و حرارتی اثر نشست احتمالی بر پروسه ، مشخصات خورندگی سیالت ، جرم گرفتگی ، قابلیت تمیز کاری ، مشکلات فرآیندی محدود کننده ( حداقل ارتعاش مجاز ناشی از جریان) ، ایمنی ، هزینه ساخت و نگه داری و تعمیرات . علاوه بر اینها ، مهمترین عاملی که باید در نظر گرفته شود این است که چه سیالی در سمت پوسته و چه سیالی در سمت لوله جریان می یابد.
در مبدل پوسته و لوله سیال درون لوله به گونه ای انتخاب میشود که : رسوب کنندگی بیشتر ، فشار بالاتر ، خوردندگی بیشتر ، ویسکوزیته و ضریب انتقال حرارت کوچکتری داشته باشد .
مشخصات طراحی و پروسه شامل همه اطلاعات لازم و مورد نیاز برای طراحی و بهینه سازی مبدل حرارتی تا بتوان از آن برای یک طراحی خاص استفاده کرد. این اطلاعات شامل موارد زیر است : مشخصات مسئله برای شرایط کار، نوع ساختار مبدل، آرایش جریان ها ، جنس موادی که در ساخت مبدل استفاده میشود ، محدودیت های ساخت ، کد ساخت ، ایمنی و حفاظت .
از این گذشته طراحی مبدل حرارتی و مهندس طراح آن باید تمام تلاش خود را بکار گیرند تا مشخصات ورودی مورد نیاز به کمترین میزان کاهش یابد.
الف- مشخصات مسئله
مشخصات مساله اولین و مهمترین ملاحظه ایست که اساس طراحی را شکل می دهد و پس از آن آنالیز عملکرد در شرایطی طراحی انجام میگیرد. مشخصات مسئله شامل تعیین مواردی مثل پارامترهای فرآیندی، شرایط عملیاتی و محیطی است که قرار است مبدل حرارتی در آن به کار گرفته شود. پارامتر های طراحی شامل تعیین نسبت جریان جرم سیال ( شامل انواع سیالات و ویژگی های ترمو فیزیکی آن ها ) ، دماهای ورودی و فشارها ، شدت های جریان ، ترکیب سیال ، کیفیت بخار ، بار حرارتی ، افت فشار مجاز ، نوسانات در دما و فشار ورودی به واسطه تغییرات در پارامترهای پروسه یا محیط ، پارامترهایی مثل اندازه کلی ، وزن ، خواص خورندگی و رسوب زایی سیال ، محدودیت های طراحی از (جمله هزینه ، موادی که باید استفاده شوند ، آرایش و چیدمان جریان ، انواع مبدل حرارتی ) ، شرایط محیط کارکرد ( اعم از ایمنی ، فرسایش ، سطح دما و تاثیرات محیطی )
عواملی که باید در نظر گرفته شود عبارتند از :
شرایط آب و هوایی : حداقل دمای محیط ، میزان بارندگی ( باران ، برف ، تگرگ ) و رطوبت
محیط عملیاتی : مجاورت با دریا ، صحرا ، مناطق قاره ای ، مناطق زلزله خیز ، باد خیز و غبار خیز
نقشه محل : میزان نزدیکی به ساختمان ها یا سایر تجهیزات حرارتی و برودتی ، جهت باد غالب ، طول و میزان لوله کشی های لازم و ....
اگر محدودیت های بسیار زیادی در نظر گرفته شود در آن صورت ممکن است طراحی عملی نباشد که در چنین صورتی لازم است بین پارامترهای مختلف سنجش و سبک و سنگین انجام شود. طراح مبدل حرارتی و مهندس طراح سیستم باید در این مرحله با همکاری هم بهترین مشخصات را برای سیستم انتخاب کنند.
ب- مشخصات مبدل حرارتی
با تعیین مشخصات مسئله و بر اساس اطلاعات و تجربیات مهندس طراح ، ابتدا ساختار مبدل و آرایش جریان انتخاب می گردد . انتخاب نوع ساختار بستگی به پارامترهای زیر دارد :
- سیالات ( گاز یا مایع یا تبخیر یا میعان یک سیال )
- دماها و فشارهای عملیاتی
- جرم گرفتگی ، خورندگی و سازگاری سیال با مصالح به کار برده شده
- میزان نشتی مجاز سیستم
- هزینه و تکنولوژی های قابل دسترس برای ساخت مبدل حرارتی
در گام دوم باید هندسه سطح یا مرکزی و مواد سازنده انتخاب شوند . هندسه مرکزی ( مثل نوع پوسته ، تعداد مجراها ، هندسه تیغه ها ( بافل ها ) و سایر موارد ) برای یه مبدل پوسته و لوله انتخاب می شوند در حالی که هندسه سطح برای مبدل صفحه ای ، با سطوح پره دار و بازیاب گرما انتخاب میشود. معیارهای کمی و کیفی فراوانی برای انتخاب سطح وجود دارد. معیارهای کیفی برای انتخاب سطح عبارتند از : دما و فشار کارکرد ، تجربه و قوه تشخیص طراح ، خوردگی ، رسوبات و جرم گرفتگی ، فرسایش ، آلودگی سیال ، هزینه ، در دسترس پذیری سطوح ، ساخت و تولید ، ضروریات نگه داری ، قابلیت اعتماد و ایمنی. در مورد مبدل های حرارتی پوسته و لوله ، معیارهایی که برای انتخاب هندسه مرکزی یا طرح بندی مرکزی در نظر گرفته می شود عبارت اند از : عملکرد انتقال حرارت در افت فشار تعیین شده ، فشارها و دماهای کارکرد ، تنش های فشاری و حرارتی اثر نشست احتمالی بر پروسه ، مشخصات خورندگی سیالت ، جرم گرفتگی ، قابلیت تمیز کاری ، مشکلات فرآیندی محدود کننده ( حداقل ارتعاش مجاز ناشی از جریان) ، ایمنی ، هزینه ساخت و نگه داری و تعمیرات . علاوه بر اینها ، مهمترین عاملی که باید در نظر گرفته شود این است که چه سیالی در سمت پوسته و چه سیالی در سمت لوله جریان می یابد.
در مبدل پوسته و لوله سیال درون لوله به گونه ای انتخاب میشود که : رسوب کنندگی بیشتر ، فشار بالاتر ، خوردندگی بیشتر ، ویسکوزیته و ضریب انتقال حرارت کوچکتری داشته باشد .
[h=1]2- طراحی حرارتی و هیدرولیکی[/h]طراحی حرارتی و هیدرولیکی مبدل های حرارتی شامل تعیین مقدار انتقال حرارت و ارزیابی افت فشار یا سایزینگ مبدل است .
طراحی حرارتی
طراحی حرارتی شامل تعیین ساده ضرایب انتقال حرارت سیال دو طرف برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت در حالت بدون جرم گرفتگی (U) است. با در نظر گرفتن مقداری منطقی برای ضریب جرم گرفتگی، ضریب انتقال حرارت کلی ([FONT="]U[SUB]d[/SUB][/FONT][FONT="][/FONT]) به دست می آید که با توجه به آن و استفاده از معادله q=U[SUB]d[/SUB]AdT، سطح مورد نیاز مشخص خواهد شد .
برای طراحی حرارتی یا پیش بینی عملکرد یک مبدل حرارتی ، بایستی روابطی بین نرخ انتقال حرارت کلی و کمیت هایی مانند دماهای ورودی و خروجی سیال ، ضریب انتقال حرارت کلی و مساحت سطح انتقال حرارت به دست آورد که می توان با اعمال موازنه انرژی کلی برای دو سیال ، دو رابطه به دست آورد.
مثلا اگر q نرخ کلی انتقال حرارت بین سیال گرم و سرد باشد و انتقال حرارت بین مبدل حرارتی و محیط و تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز باشد ، با اعمال موازنه انرژی ، نتیجه می شود :
دمای ظاهر شده در این معادلات ، دمای متوسط در مقاطع مربوطه اند .
معادله انتقال حرارت را می توان به صورت زیر نیز نشان داد که در آن اختلاف دمای متوسط در طول مبدل جایگزین اختلاف دمای سیال گرم و سرد در یک مقطع می شود : ( dT[SUB]m[/SUB] اختلاف دمای متوسط در طول مبدل است)
طراحی هیدرولیکی
همانطور که ذکر شد طراحی هیدرولیکی شامل ارزیابی افت فشار و سایزینگ مبدل است . دلیل عمده افت فشار در مبدل های حرارتی ، اصطکاک ناشی از جریان سیالات درون لوله و پوسته مبدل است. اصطکاک ناشی از انبساط و انقباض ناگهانی و یا معکوس شدن جهت جریان نیز موجب افت فشار می شود. تغییرات بوجود آمده در کلگی و انرژی جنبشی نیز می تواند بر افت فشار موثر باشد ولی این تاثیرات نسبتا کوچک است و می توان در اغلب محاسبات طراحی از آنها صرف نظر کرد.
الف- مسائل مربوط به طراحی حرارتی مبدل حرارتی
از نقطه نظر آنالیز کمی، مسائل متعددی در مورد طراحی مبدل حرارتی وجود دارد. مسائل دسته بندی و اندازه بندی دو مورد از ساده ترین و مهم ترین این مسائل هستند.
مسئله دسته بندی
تعیین انتقال حرارت و عملکرد افت فشار مبدل موجود یا مبدلی که از قبل اندازه های آن تعیین شده است را rating problem می گویند. ورودی های مربوط به نسبت مسئله عبارتند از : ساختار مبدل حرارتی، آرایش جریان ، ابعاد طراحی، جزئیات کامل مواد و هندسه سطح در هر دو طرف ، از جمله مشخصات افت فشار و انتقال حرارت اسکالر ، نسبت های جریان سیال، دماهای ورودی و عوامل رسوب گیری . دمای خروجی سیال، نسبت انتقال حرارت و افت فشار در هر طرف مبدل حرارتی هم باید مد نظر قرار داده شوند. مسئله دسته بندی را گاهی اوقات تحت عنوان عملکرد یا مسئله شبیه سازی می شناسند.
مسئله اندازه بندی
در مفاد کلی و گسترده، طراحی مبدل حرارتی جدید به معنای انتخاب و تعیین انواع ساختار مبدل ، آرایش جریان، انتخاب مواد سازنده پره ها و صفحه ها و اندازه فیزیکی مبدل برای برآوردن انتقال حرارت تعیین شده و افت فشار مجاز است. به هر حال در مسئله اندازه بندی برای یک مبدل حرارتی با سطوح پره دار ، باید به تعیین اندازه های فیزیکی (اعم از طول، پهنا، ارتفاع و سطح مقطع هر طرف) مبدل حرارتی پرداخته شود و در مورد مبدل های پوسته و لوله ، موضوع اندازه بندی به تعیین نوع پوسته ، قطر و طول ، تعداد و قطر لوله ها ، طرح بندی لوله ، آرایش گذرها ( مسیر عبور لوله ها ) و موارد مشابه اطلاق می شود .
ب- روش های اساسی طراحی حرارتی و هیدرولیکی
بر اساس تعداد متغیرهای مربوط با آنالیز مبدل حرارتی ، گروه های وابسته و مستقل بدون بعد فرمول بندی می شوند. روابط بین گروه های بدون بعد یا اسکالر برای آرایش های مختلف جریان تعیین می شوند.بر اساس انتخاب گروه های بدون بعد ، از چند روش برای طراحی استفاده شده است. این شیوه ها شامل ε-NTU، p-NTU، فاکتور تصحیح MTD و سایر شیوه ها می باشند. همانگونه که در شکل1 نشان داده شده است؛ ورودی های به فرآیند حرارتی و هیدرولیکی عبارتند از انتقال حرارت سطحی و مشخصات سایش جریان ، ویژگی های هندسی ، ویژگی های ترموفیزیک سیالات و مشخصات طراحی و پروسه .
ج- مشخصات اساسی سطح
مشخصات اساسی سطح برای هر طرف سيال را با j یا Nu و f نشان می دهند. همچنین ضریب انتقال حرارت با h ، افت فشار با dP، نسبت جریان جرم سیال که باm ، سرعت جرم سیال با G نشان داده می شود. مشخصات دقیق و معتبر اساسی سطح یک ورودی کلیدی برای طراحی حرارتی و هیدرولیک مبدل محسوب می شود.
د- مشخصات هندسی سطح
برای آنالیز انتقال حرارت و افت فشار، حداقل مشخصات هندسی سطح انتقال حرارت مورد نیاز برای هر کدام از وجه های یک مبدل حرارتی دو سیالی ، عبارت است از : مینیمم مساحت عاری از جریانA[SUB]0[/SUB] ، سطح جلویی مرکزی A[SUB]fr[/SUB] و مساحت سطح انتقال Aگرماکه شامل مساحت دو قسمت اصلی و پره ها ، قطر هیدرولیکی D[SUB]h[/SUB] و طول جریان L است. این کمیت ها با اتخاذ سطح انتقال حرارت و هسته محاسبه می شوند. برای قسمت پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله ، مساحت گذرگاهای گوناگون جریان هم مورد نیاز است.
ه- مشخصات ترموفیزیکی
برای طراحی حرارتی و هیدرولیکی ، مشخصات ترموفیزیکی زیر برای سیالات مورد نیاز است : ویسکوزیته دینامیکی μ، دانسیتهρ ، حرارت ویژه c[SUB]p[/SUB] و ضریب هدایت حرارتی k. برای دیوار، ضریب هدایت حرارتی مصالح بکار رفته و گرمای ویژه آن ها نیز مورد نیاز می باشد .
و- راه حل مسائل طراحی حرارتی و هیدرولیکی
راه حل ها برای مسائل نسبت بندی و اندازه بندی ماهیت عددی و محاسباتی دارند. همه داده های تجربی مربوط به انتقال گرما و ویژگی های فرسایش سیال و سایر ویژگی های دائمی برای محاسبات مورد نیاز هستند. بواسطه پیچیدگی محاسبات این فرآیندها اغلب با استفاده از برنامه های کامپوتری و نرم افزارهای ویژه محاسبه می شوند. از آنجا که متغیرهای هندسی و وضعیت های متعددی وابسته به شرایط کاردر مسئله اندازه بندی وجود دارد لذا موضوع فرمول بندی بهترین راه حل طراحی ( انتخاب مقادیر این متغیرها و پارامترها ) در میان همه راه حل های ممکن که معیارهای عملکرد و طراحی را برآورده می کنند ، مطرح است . این خواسته تنها با به کارگیری تکنیک های بهینه سازی محاسبات بعد از تعیین اندازه اولیه محقق میشود تا اهداف طراحی مبدل حرارتی در میان چهار چوب محدودیت های تحمیلی بهینه سازی شود .
طراحی حرارتی
طراحی حرارتی شامل تعیین ساده ضرایب انتقال حرارت سیال دو طرف برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت در حالت بدون جرم گرفتگی (U) است. با در نظر گرفتن مقداری منطقی برای ضریب جرم گرفتگی، ضریب انتقال حرارت کلی ([FONT="]U[SUB]d[/SUB][/FONT][FONT="][/FONT]) به دست می آید که با توجه به آن و استفاده از معادله q=U[SUB]d[/SUB]AdT، سطح مورد نیاز مشخص خواهد شد .
برای طراحی حرارتی یا پیش بینی عملکرد یک مبدل حرارتی ، بایستی روابطی بین نرخ انتقال حرارت کلی و کمیت هایی مانند دماهای ورودی و خروجی سیال ، ضریب انتقال حرارت کلی و مساحت سطح انتقال حرارت به دست آورد که می توان با اعمال موازنه انرژی کلی برای دو سیال ، دو رابطه به دست آورد.
مثلا اگر q نرخ کلی انتقال حرارت بین سیال گرم و سرد باشد و انتقال حرارت بین مبدل حرارتی و محیط و تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز باشد ، با اعمال موازنه انرژی ، نتیجه می شود :
q=m[SUB]h[/SUB](h[SUB]h,i[/SUB]-h[SUB]h,o[/SUB])
q=m[SUB]c[/SUB](h[SUB]c,i[/SUB]-h[SUB]c,o[/SUB])
که در آن h آنتالپی سیال است ، اندیسهای h,c اشاره به سیال سرد و گرم دارند در حالی که i,o شرایط خروجی و ورودی را مشخص می کنند . اگر در هیچ یک از سیالات تغییر فازی رخ ندهد و گرمای ویژه ثابت فرض شود ، روابط فوق به صورت زیر در می آیند : q=m[SUB]c[/SUB](h[SUB]c,i[/SUB]-h[SUB]c,o[/SUB])
کد:
[CENTER]q=m[SUB]h[/SUB]c[SUB]p,h[/SUB](T[SUB]h,j[/SUB]-T[SUB]h,o[/SUB])=m[SUB]c[/SUB]c[SUB]p,c[/SUB](T[SUB]ci[/SUB]-T[SUB]co[/SUB])
[/CENTER]معادله انتقال حرارت را می توان به صورت زیر نیز نشان داد که در آن اختلاف دمای متوسط در طول مبدل جایگزین اختلاف دمای سیال گرم و سرد در یک مقطع می شود : ( dT[SUB]m[/SUB] اختلاف دمای متوسط در طول مبدل است)
q=UAdT[SUB]m[/SUB]
طراحی هیدرولیکی
همانطور که ذکر شد طراحی هیدرولیکی شامل ارزیابی افت فشار و سایزینگ مبدل است . دلیل عمده افت فشار در مبدل های حرارتی ، اصطکاک ناشی از جریان سیالات درون لوله و پوسته مبدل است. اصطکاک ناشی از انبساط و انقباض ناگهانی و یا معکوس شدن جهت جریان نیز موجب افت فشار می شود. تغییرات بوجود آمده در کلگی و انرژی جنبشی نیز می تواند بر افت فشار موثر باشد ولی این تاثیرات نسبتا کوچک است و می توان در اغلب محاسبات طراحی از آنها صرف نظر کرد.
الف- مسائل مربوط به طراحی حرارتی مبدل حرارتی
از نقطه نظر آنالیز کمی، مسائل متعددی در مورد طراحی مبدل حرارتی وجود دارد. مسائل دسته بندی و اندازه بندی دو مورد از ساده ترین و مهم ترین این مسائل هستند.
مسئله دسته بندی
تعیین انتقال حرارت و عملکرد افت فشار مبدل موجود یا مبدلی که از قبل اندازه های آن تعیین شده است را rating problem می گویند. ورودی های مربوط به نسبت مسئله عبارتند از : ساختار مبدل حرارتی، آرایش جریان ، ابعاد طراحی، جزئیات کامل مواد و هندسه سطح در هر دو طرف ، از جمله مشخصات افت فشار و انتقال حرارت اسکالر ، نسبت های جریان سیال، دماهای ورودی و عوامل رسوب گیری . دمای خروجی سیال، نسبت انتقال حرارت و افت فشار در هر طرف مبدل حرارتی هم باید مد نظر قرار داده شوند. مسئله دسته بندی را گاهی اوقات تحت عنوان عملکرد یا مسئله شبیه سازی می شناسند.
مسئله اندازه بندی
در مفاد کلی و گسترده، طراحی مبدل حرارتی جدید به معنای انتخاب و تعیین انواع ساختار مبدل ، آرایش جریان، انتخاب مواد سازنده پره ها و صفحه ها و اندازه فیزیکی مبدل برای برآوردن انتقال حرارت تعیین شده و افت فشار مجاز است. به هر حال در مسئله اندازه بندی برای یک مبدل حرارتی با سطوح پره دار ، باید به تعیین اندازه های فیزیکی (اعم از طول، پهنا، ارتفاع و سطح مقطع هر طرف) مبدل حرارتی پرداخته شود و در مورد مبدل های پوسته و لوله ، موضوع اندازه بندی به تعیین نوع پوسته ، قطر و طول ، تعداد و قطر لوله ها ، طرح بندی لوله ، آرایش گذرها ( مسیر عبور لوله ها ) و موارد مشابه اطلاق می شود .
ب- روش های اساسی طراحی حرارتی و هیدرولیکی
بر اساس تعداد متغیرهای مربوط با آنالیز مبدل حرارتی ، گروه های وابسته و مستقل بدون بعد فرمول بندی می شوند. روابط بین گروه های بدون بعد یا اسکالر برای آرایش های مختلف جریان تعیین می شوند.بر اساس انتخاب گروه های بدون بعد ، از چند روش برای طراحی استفاده شده است. این شیوه ها شامل ε-NTU، p-NTU، فاکتور تصحیح MTD و سایر شیوه ها می باشند. همانگونه که در شکل1 نشان داده شده است؛ ورودی های به فرآیند حرارتی و هیدرولیکی عبارتند از انتقال حرارت سطحی و مشخصات سایش جریان ، ویژگی های هندسی ، ویژگی های ترموفیزیک سیالات و مشخصات طراحی و پروسه .
ج- مشخصات اساسی سطح
مشخصات اساسی سطح برای هر طرف سيال را با j یا Nu و f نشان می دهند. همچنین ضریب انتقال حرارت با h ، افت فشار با dP، نسبت جریان جرم سیال که باm ، سرعت جرم سیال با G نشان داده می شود. مشخصات دقیق و معتبر اساسی سطح یک ورودی کلیدی برای طراحی حرارتی و هیدرولیک مبدل محسوب می شود.
د- مشخصات هندسی سطح
برای آنالیز انتقال حرارت و افت فشار، حداقل مشخصات هندسی سطح انتقال حرارت مورد نیاز برای هر کدام از وجه های یک مبدل حرارتی دو سیالی ، عبارت است از : مینیمم مساحت عاری از جریانA[SUB]0[/SUB] ، سطح جلویی مرکزی A[SUB]fr[/SUB] و مساحت سطح انتقال Aگرماکه شامل مساحت دو قسمت اصلی و پره ها ، قطر هیدرولیکی D[SUB]h[/SUB] و طول جریان L است. این کمیت ها با اتخاذ سطح انتقال حرارت و هسته محاسبه می شوند. برای قسمت پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله ، مساحت گذرگاهای گوناگون جریان هم مورد نیاز است.
ه- مشخصات ترموفیزیکی
برای طراحی حرارتی و هیدرولیکی ، مشخصات ترموفیزیکی زیر برای سیالات مورد نیاز است : ویسکوزیته دینامیکی μ، دانسیتهρ ، حرارت ویژه c[SUB]p[/SUB] و ضریب هدایت حرارتی k. برای دیوار، ضریب هدایت حرارتی مصالح بکار رفته و گرمای ویژه آن ها نیز مورد نیاز می باشد .
و- راه حل مسائل طراحی حرارتی و هیدرولیکی
راه حل ها برای مسائل نسبت بندی و اندازه بندی ماهیت عددی و محاسباتی دارند. همه داده های تجربی مربوط به انتقال گرما و ویژگی های فرسایش سیال و سایر ویژگی های دائمی برای محاسبات مورد نیاز هستند. بواسطه پیچیدگی محاسبات این فرآیندها اغلب با استفاده از برنامه های کامپوتری و نرم افزارهای ویژه محاسبه می شوند. از آنجا که متغیرهای هندسی و وضعیت های متعددی وابسته به شرایط کاردر مسئله اندازه بندی وجود دارد لذا موضوع فرمول بندی بهترین راه حل طراحی ( انتخاب مقادیر این متغیرها و پارامترها ) در میان همه راه حل های ممکن که معیارهای عملکرد و طراحی را برآورده می کنند ، مطرح است . این خواسته تنها با به کارگیری تکنیک های بهینه سازی محاسبات بعد از تعیین اندازه اولیه محقق میشود تا اهداف طراحی مبدل حرارتی در میان چهار چوب محدودیت های تحمیلی بهینه سازی شود .
[h=1]3- طراحی مکانیکی[/h]برای تضمین اینکه مبدل حرارتی تحت شرایط پایدار ، به هنگام حمل و نقل ، به هنگام راه اندازی و خاموش کردن موقت یا دراز مدت سیستم تحت شرایط نیمه بار در طول مدتی که کار می کند ، شرایط خود را حفظ کند ، لازم است طراحی مکانیکی انجام شود. مبدل مرکب از المان های تبادل حرارتی ( هسته یا ماتریسی که انتقال حرارت در آن اتفاق می افتد ) و المان های توزیع کننده سیال (نظیر هدرها ،شیرها ، مخزن ها ، نازل های ورودی و خروجی ، لوله ها ، آب بند ها ) است. طراحی مکانیکی و ساختاری باید برای تک تک المان ها انجام شود. همچنین لازم است این نکته به خاطر سپرده شود که طراحی ساختاری مبدل حرارتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
هسته مبدل گرمایی برای استحکام ساختار های مورد نیاز طراحی می شود. برای طراحی ساختار باید عواملی همچون دما ، فشار، خورندگی یا واکنش شیمیایی سیالات با مواد سازنده مد نظر قرار داده شود. محاسبات مربوط به تنش حرارتی و فشاری برای تعیین ضخامت قسمت های مهم در مبدل ها نظیر پره ، صفحه ، پوسته و صفحه لوله باید مورد توجه قرار گیرد . یک راه برای انتخاب صحیح مواد و روش های اتصال ( نظیر جوش کاری، لحیم کاری، پرچ کردن و برنج کاری) این است که به دما ، فشار ، نوع سیالات ، خوردگی و جرم گرفتگی احتمالی ، طول عمر طراحی و سایر موارد توجه شود.
به طور مشابه از تکنیک های صحیح اتصال باید برای اتصالات لوله به هدرها ( سر شیرها )، اتصالات لوله به صفحه لوله ، اتصالات گسترش؛ فلنج ها و سایر موارد استفاده نمود. این شیوه های اتصال معمولا قبل از انجام آنالیز حرارتی و هیدرولیک انتخاب می شوند. در این مرحله هم باید نسبت به مسائل کارکردی دستگاه دقت کافی داشت .
تنش حرارتی و محاسبات خستگی هم باید انجام شوند تا مانایی و طول عمر مبدل حرارتی برای مدت زمان راه اندازی و دوره خاموشی با تخمین محاسبه گردد. از این گذشته، برخی از مسائل کاری که کمتر بدیهی به نظر می رسند باید مورد ملاحظه دقیق قرار گیرند.
همچنین لازم است بررسی و چک های لازم انجام شود تا لرزش های ناشی از جریان سیال به حداقل برسد، چون این لرزش ها موجب بروز پدیده هایی همچون خستگی، خوردگی و موارد مشابه می شوند. سرعت جریان سیال هم باید چک گردد تا فرسودگی ، خوردگی و جرم گرفتگی به حداقل برسد. در این مرحله هم لازم است توجه زیادی به مسائل کارکرد شود و در صورت وجود نسبت به حذف آنها اقدام شود. از جمله این مسائل می توان به یخزدگی و ناپایداری اشاره نمود.
طراحی صحیح ابزارهای توزیع سیال (شامل سرشیرها، مخازن ذخیره ، مانیفولدها، نازل ها و لوله های ورودی و خروجی ) هم باید علاوه بر هسته مبدل حرارتی انجام گیرد تا این تضمین ایجاد شود که هیچکدام از موارد خوردگی و خستگی در طول مدت کارکرد مبدل حرارتی به عنوان یک مشکل خاص محسوب نمی شوند.
مبدل حرارتی را می توان بر روی زمین ، سقف در اتاق یا محیط باز یا بر روی سیستم در کنار سایر قسمت ها و مؤلفه ها نصب نمود. پشتیبانی ساختاری در مبدل های حرارتی نیازمند به طراحی صحیح پایه ها ، متعلقات و سایر قسمت های مناسب است تا این تضمین ایجاد شود که هیچگونه ایرادی بخاطر لرزش و بارهای تحمیلی و خستگی ایجاد نمی شود.
در طراحی مکانیکی باید توجه بسیاری به ضروریات مربوط به نگهداری همچون تمیز کاری ، تعمیرات و سرویس دهی مجدد و بازرسی کلی نمود. محدودیت های مربوط به حمل و نقل هم همانند اندازه کلی باید مورد توجه قرار داده شوند.
هر مبدل حرارتی باید با استانداردها و کدهای محلی، استانی، کشوری و بین المللی ( همچون استاندارد TEMA ، کد مخازن تحت فشار ASME و غیره ) همخوانی داشته باشد و باید طراحی مکانیکی به گونه ای مطلوب انجام گیرد تا بهترین عملکرد حرارتی را برای آن شاهد باشیم. مبدل های حرارتی به ویژه نیازمند به طراحی ساختاری هستند تا کدها واستانداردها را برای یک یا چندتا از شرایط زیر برآورده کنند : کار در شرایط سخت (فشار و دمای بسیار بالا)، تعداد قابل توجه سیکل های فشار و دما در طول مدت طراحی، معیارهای زلزله ، کاربرد ویژه برای محل هایی که انجام تست های ویژه ، تعمیر و تعویض و موارد دیگر به آسانی مقدور نیست؛ طراحی ساختاری شامل تنش حرارتی، خستگی و آنالیز خزش است تا طول عمر مبدل حرارتی محاسبه شود.
هر چند برخی از جنبه های طراحی مکانیکی را باید قبل از طراحی حرارتی مد نظر قرار داد، یک کار مشترک در برخی از مبدل های حرارتی این است که ابتدا نسبت به طراحی مبدل ها اقدام شود به این منظور که ضروریات هیدرولیکی و حرارتی برآورده گردند و بعد طراحی از نظر طراحی ساختاری چک شود و تکرارهای لازم انجام شود تا اینکه ضروریات حرارتی و هیدرولیک و طراحی ساختاری با هم برآورده گردند. بنابراین طراحی مکانیکی مبدل های حرارتی به همان اندازه طراحی حرارتی مهم و مشکل تر از آن است؛ چون همه چیز تحلیلی نیست و فرد باید بر تجارب، آزمایشات و عملکرد خویش تکیه کند. بسیاری از معیارهای طراحی مکانیکی باید به صورت همزمان مورد توجه قرار داده شوند.
همانگونه که در شکل1 نشان داده شده است، چندین راه حل بهینه شده بعد از تکمیل طراحی های مکانیکی و حرارتی در دسترس قرار می گیرند. طراح بعد از سنجش و سبک سنگین کردن عوامل گوناگون و مد نظر قرار دادن ملاحظات تولید و تخمین هزینه ها، سرانجام بهترین گزینه را انتخاب می کند. در مورد مبدل های پوسته و لوله هم، از آنجا که جزئیات استانداردهای TEMA به طراحی مکانیکی مربوط است ، لذا قیمت گذاری مبدل ها قبل از اتمام طراحی مکانیکی انجام می شود و طرح های نهایی بعد از آن انجام می شود.
هسته مبدل گرمایی برای استحکام ساختار های مورد نیاز طراحی می شود. برای طراحی ساختار باید عواملی همچون دما ، فشار، خورندگی یا واکنش شیمیایی سیالات با مواد سازنده مد نظر قرار داده شود. محاسبات مربوط به تنش حرارتی و فشاری برای تعیین ضخامت قسمت های مهم در مبدل ها نظیر پره ، صفحه ، پوسته و صفحه لوله باید مورد توجه قرار گیرد . یک راه برای انتخاب صحیح مواد و روش های اتصال ( نظیر جوش کاری، لحیم کاری، پرچ کردن و برنج کاری) این است که به دما ، فشار ، نوع سیالات ، خوردگی و جرم گرفتگی احتمالی ، طول عمر طراحی و سایر موارد توجه شود.
به طور مشابه از تکنیک های صحیح اتصال باید برای اتصالات لوله به هدرها ( سر شیرها )، اتصالات لوله به صفحه لوله ، اتصالات گسترش؛ فلنج ها و سایر موارد استفاده نمود. این شیوه های اتصال معمولا قبل از انجام آنالیز حرارتی و هیدرولیک انتخاب می شوند. در این مرحله هم باید نسبت به مسائل کارکردی دستگاه دقت کافی داشت .
تنش حرارتی و محاسبات خستگی هم باید انجام شوند تا مانایی و طول عمر مبدل حرارتی برای مدت زمان راه اندازی و دوره خاموشی با تخمین محاسبه گردد. از این گذشته، برخی از مسائل کاری که کمتر بدیهی به نظر می رسند باید مورد ملاحظه دقیق قرار گیرند.
همچنین لازم است بررسی و چک های لازم انجام شود تا لرزش های ناشی از جریان سیال به حداقل برسد، چون این لرزش ها موجب بروز پدیده هایی همچون خستگی، خوردگی و موارد مشابه می شوند. سرعت جریان سیال هم باید چک گردد تا فرسودگی ، خوردگی و جرم گرفتگی به حداقل برسد. در این مرحله هم لازم است توجه زیادی به مسائل کارکرد شود و در صورت وجود نسبت به حذف آنها اقدام شود. از جمله این مسائل می توان به یخزدگی و ناپایداری اشاره نمود.
طراحی صحیح ابزارهای توزیع سیال (شامل سرشیرها، مخازن ذخیره ، مانیفولدها، نازل ها و لوله های ورودی و خروجی ) هم باید علاوه بر هسته مبدل حرارتی انجام گیرد تا این تضمین ایجاد شود که هیچکدام از موارد خوردگی و خستگی در طول مدت کارکرد مبدل حرارتی به عنوان یک مشکل خاص محسوب نمی شوند.
مبدل حرارتی را می توان بر روی زمین ، سقف در اتاق یا محیط باز یا بر روی سیستم در کنار سایر قسمت ها و مؤلفه ها نصب نمود. پشتیبانی ساختاری در مبدل های حرارتی نیازمند به طراحی صحیح پایه ها ، متعلقات و سایر قسمت های مناسب است تا این تضمین ایجاد شود که هیچگونه ایرادی بخاطر لرزش و بارهای تحمیلی و خستگی ایجاد نمی شود.
در طراحی مکانیکی باید توجه بسیاری به ضروریات مربوط به نگهداری همچون تمیز کاری ، تعمیرات و سرویس دهی مجدد و بازرسی کلی نمود. محدودیت های مربوط به حمل و نقل هم همانند اندازه کلی باید مورد توجه قرار داده شوند.
هر مبدل حرارتی باید با استانداردها و کدهای محلی، استانی، کشوری و بین المللی ( همچون استاندارد TEMA ، کد مخازن تحت فشار ASME و غیره ) همخوانی داشته باشد و باید طراحی مکانیکی به گونه ای مطلوب انجام گیرد تا بهترین عملکرد حرارتی را برای آن شاهد باشیم. مبدل های حرارتی به ویژه نیازمند به طراحی ساختاری هستند تا کدها واستانداردها را برای یک یا چندتا از شرایط زیر برآورده کنند : کار در شرایط سخت (فشار و دمای بسیار بالا)، تعداد قابل توجه سیکل های فشار و دما در طول مدت طراحی، معیارهای زلزله ، کاربرد ویژه برای محل هایی که انجام تست های ویژه ، تعمیر و تعویض و موارد دیگر به آسانی مقدور نیست؛ طراحی ساختاری شامل تنش حرارتی، خستگی و آنالیز خزش است تا طول عمر مبدل حرارتی محاسبه شود.
هر چند برخی از جنبه های طراحی مکانیکی را باید قبل از طراحی حرارتی مد نظر قرار داد، یک کار مشترک در برخی از مبدل های حرارتی این است که ابتدا نسبت به طراحی مبدل ها اقدام شود به این منظور که ضروریات هیدرولیکی و حرارتی برآورده گردند و بعد طراحی از نظر طراحی ساختاری چک شود و تکرارهای لازم انجام شود تا اینکه ضروریات حرارتی و هیدرولیک و طراحی ساختاری با هم برآورده گردند. بنابراین طراحی مکانیکی مبدل های حرارتی به همان اندازه طراحی حرارتی مهم و مشکل تر از آن است؛ چون همه چیز تحلیلی نیست و فرد باید بر تجارب، آزمایشات و عملکرد خویش تکیه کند. بسیاری از معیارهای طراحی مکانیکی باید به صورت همزمان مورد توجه قرار داده شوند.
همانگونه که در شکل1 نشان داده شده است، چندین راه حل بهینه شده بعد از تکمیل طراحی های مکانیکی و حرارتی در دسترس قرار می گیرند. طراح بعد از سنجش و سبک سنگین کردن عوامل گوناگون و مد نظر قرار دادن ملاحظات تولید و تخمین هزینه ها، سرانجام بهترین گزینه را انتخاب می کند. در مورد مبدل های پوسته و لوله هم، از آنجا که جزئیات استانداردهای TEMA به طراحی مکانیکی مربوط است ، لذا قیمت گذاری مبدل ها قبل از اتمام طراحی مکانیکی انجام می شود و طرح های نهایی بعد از آن انجام می شود.
4- ملاحظات مربوط به تولید و تخمین هزینه ها
ملاحظات تولید و تخمین هزینه ها برای آن راه حل های بهینه شده ای در نظر گرفته می شوند که مربوط به ملاحظات طراحی مکانیکی و حرارتی هستند.
الف- ملاحظات تولید و ساخت
ملاحظات ساخت و تولید را می توان به ملاحظات مربوط به تجهیزات تولید و ملاحظات پردازش تقسیم بندی کرد و در کنار آن ها معیارهای کیفی دیگر را هم مد نظر قرار داد. ملاحظات تجهیزاتی که بر طراحی هم تأثیر می گذارند عبارتند از : انتخاب ابزارهای کار در برابر ابزارهای نو ، در دسترس پذیری و محدودیت های قالب ها ، ابزارها ، ماشین ها، کوره ها و مکان هایی که کارخانجات تولید در آنجا واقع شده اند ، تولید در برابر زمان خاموشی سیستم ها و تامین بودجه برای کالاهای سرمایه ای.
ملاحظات مربوط به پردازش هم عبارتند از: ملاحظات مربوط به اینکه چگونه قطعات و مؤلفه های مبدل حرارتی ساخته می شوند و نهایتا سوار می شوند. این خود شامل تولید تک تک قطعات در تلرانس های مشخص شده است و عبارت است از : روند قطعات، انبار کردن مبدلها و نهایتا برنج کاری های، لحیم کاری، جوشکاری یا گسترش مکانیکی لوله ها یا سطوح انتقال گرما ، اتصالات عاری از نشت و سوار کردن سر شیرها، مخازن ذخیره، مانیفولدها (چند راهه ها)، زانوها و برگشت دهنده ها، سوار کردن لوله ها، شستشو و نظافت مبدلها، تست نشتی، سوار کردن مبدل ها بر روی سیستم و پشتیبانی ساختاری . نه تنها تجهیزات تولید بلکه کل ملاحظات مربوط به پردازش ، امروزه مورد ارزیابی قرار می گیرند – بویژه زمانی که قرار است یک طراحی جدید از مبدل حرارتی رونمایی شود. سایر معیارهای ارزیابی شامل تاریخ تحویل، حجم کار، خط مشی کمپانی و تخمین نقاط قوت رقبا می باشند.
ب- برآورد هزینه
هزینه های کلی که به آنها هزینه های طول عمر سیستم هم می گویند همراه با مبدل حرارتی می تواند تحت عنوان هزینه های سرمایه گذاری، نصب، کارکرد و گاهی هم هزینه های مربوط به دفع و فرسوده کردن سیستم باشد . هزینه های مربوط به سرمایه گذاری (کاملا نصب شده) شامل هزینه های طراحی، تهیه مصالح، تولید (اعم از هزینه ماشین آلات، کارگر و هزینه های کلی )، تست، حمل و نقل، نصب و استهلاک می باشد. نصب مبدل در یک سایت در مورد برخی از مبدلها گاهی آنقدر زیاد می شود که با هزینه برخی مبادله گرهای پوسته و لوله برابری می کند. هزینه های کارکردی شامل هزینه های برق مربوط به راه اندازی پمپ سیال، هزینه های بیمه و ضمانت و نگهداری و تعمیر و کم شدن تولید به خاطر خرابی و هزینه های برق مصرفی و هزینه های راه اندازی مجدد در صورت خراب شدن سیستم می باشد. تخمین برخی هزینه ها خیلی سخت است ولی برخی را می توان در همان مرحله طراحی انجام داد.
5- فاکتورهای لازم برای سبک و سنگین کردن
بعد از ارزیابی دقیق ملاحظات طراحی تولید، مکانیکی و حرارتی، تخمین هزینه ها باید به همان صورتی که در فوق عنوان شد، انجام گردد. اکنون بعد از اقدامات یاد شده ما در مرحله ای قرار می گیریم که می توانیم ارزیابی را بر اساس سبک و سنگین کردن فاکتورها انجام دهیم. این کار می تواند با مد نظر قرار دادن وزن و هزینه های مربوط به افت فشار، عملکرد انتقال گرما، اندازه کلی، میزان نشتی، هزینه های اولیه برای طول عمر مبدل حرارتی در برابر خوردگی و خستگی و موارد مشابه انجام شود. عوامل سبک و سنگین کردن مربوط به ورودی فیزیکی هم شامل مشخصات مسئله و مد نظر قرار دادن همه محدودیت های تحمیلی از جمله شرایط کاری انجام می شود. آنالیز سبک و سنگین کردن شامل شرایط و ملاحظات اقتصادی و قانون دوم ترمودینامیک در مورد طراحی مبدل حرارتی می باشد.
اگر مبدل حرارتی تنها یک مؤلفه از سیستم یا سیکل ترمودینامیک باشد، طراحی بهینه سیستم باید انجام گیرد تا به dP,Q برسیم به این منظور که تجهیزات، هزینه ها و سایر موارد به حداقل برسند. در یک چنین موردی ، مسئله طراحی مبدل حرارتی برای بار دیگر فرمول بندی می شود و این کار بعد از طراحی بهینه انجام می شود و سرانجام هم فاکتورهای سبک و سنگین کردن اعمال می شوند.
6- طراحی بهینه
خروجی نهایی آنالیزهای کمی و کیفی ، یک طراحی بهینه است که میتوان چندین مورد طراحی ( بسته به تعداد سطح یا هسته هندسی در نظر گرفته شده ) به مشتری عرضه کرد .
7- سایر ملاحظات
اگر مبدل حرارتی مشخصات طراحی جدیدی را شامل شود ، این می تواند یک بخش مهم و تعیین کننده ای از سیستم باشد یا اگر قرار باشد مدل و طرح اولیه که در آزمایشگاه تست های لازم بر روی آن انجام شده است؛ به تولید انبوه برسد، لازم است در مورد آیتم های زیر اطمینان کافی جلب شود: انتقال گرمایی سیستم، افت فشار و عملکرد آن که به عنوان مؤلفه ای از کل سیستم یا بخشی از آن در نظر گرفته می شود، ویژگی هایی نظیر خستگی، سیکل دمایی، خوردگی و ویژگی های فرسایش و نیز حد فشار.
ملاحظات تولید و تخمین هزینه ها برای آن راه حل های بهینه شده ای در نظر گرفته می شوند که مربوط به ملاحظات طراحی مکانیکی و حرارتی هستند.
الف- ملاحظات تولید و ساخت
ملاحظات ساخت و تولید را می توان به ملاحظات مربوط به تجهیزات تولید و ملاحظات پردازش تقسیم بندی کرد و در کنار آن ها معیارهای کیفی دیگر را هم مد نظر قرار داد. ملاحظات تجهیزاتی که بر طراحی هم تأثیر می گذارند عبارتند از : انتخاب ابزارهای کار در برابر ابزارهای نو ، در دسترس پذیری و محدودیت های قالب ها ، ابزارها ، ماشین ها، کوره ها و مکان هایی که کارخانجات تولید در آنجا واقع شده اند ، تولید در برابر زمان خاموشی سیستم ها و تامین بودجه برای کالاهای سرمایه ای.
ملاحظات مربوط به پردازش هم عبارتند از: ملاحظات مربوط به اینکه چگونه قطعات و مؤلفه های مبدل حرارتی ساخته می شوند و نهایتا سوار می شوند. این خود شامل تولید تک تک قطعات در تلرانس های مشخص شده است و عبارت است از : روند قطعات، انبار کردن مبدلها و نهایتا برنج کاری های، لحیم کاری، جوشکاری یا گسترش مکانیکی لوله ها یا سطوح انتقال گرما ، اتصالات عاری از نشت و سوار کردن سر شیرها، مخازن ذخیره، مانیفولدها (چند راهه ها)، زانوها و برگشت دهنده ها، سوار کردن لوله ها، شستشو و نظافت مبدلها، تست نشتی، سوار کردن مبدل ها بر روی سیستم و پشتیبانی ساختاری . نه تنها تجهیزات تولید بلکه کل ملاحظات مربوط به پردازش ، امروزه مورد ارزیابی قرار می گیرند – بویژه زمانی که قرار است یک طراحی جدید از مبدل حرارتی رونمایی شود. سایر معیارهای ارزیابی شامل تاریخ تحویل، حجم کار، خط مشی کمپانی و تخمین نقاط قوت رقبا می باشند.
ب- برآورد هزینه
هزینه های کلی که به آنها هزینه های طول عمر سیستم هم می گویند همراه با مبدل حرارتی می تواند تحت عنوان هزینه های سرمایه گذاری، نصب، کارکرد و گاهی هم هزینه های مربوط به دفع و فرسوده کردن سیستم باشد . هزینه های مربوط به سرمایه گذاری (کاملا نصب شده) شامل هزینه های طراحی، تهیه مصالح، تولید (اعم از هزینه ماشین آلات، کارگر و هزینه های کلی )، تست، حمل و نقل، نصب و استهلاک می باشد. نصب مبدل در یک سایت در مورد برخی از مبدلها گاهی آنقدر زیاد می شود که با هزینه برخی مبادله گرهای پوسته و لوله برابری می کند. هزینه های کارکردی شامل هزینه های برق مربوط به راه اندازی پمپ سیال، هزینه های بیمه و ضمانت و نگهداری و تعمیر و کم شدن تولید به خاطر خرابی و هزینه های برق مصرفی و هزینه های راه اندازی مجدد در صورت خراب شدن سیستم می باشد. تخمین برخی هزینه ها خیلی سخت است ولی برخی را می توان در همان مرحله طراحی انجام داد.
5- فاکتورهای لازم برای سبک و سنگین کردن
بعد از ارزیابی دقیق ملاحظات طراحی تولید، مکانیکی و حرارتی، تخمین هزینه ها باید به همان صورتی که در فوق عنوان شد، انجام گردد. اکنون بعد از اقدامات یاد شده ما در مرحله ای قرار می گیریم که می توانیم ارزیابی را بر اساس سبک و سنگین کردن فاکتورها انجام دهیم. این کار می تواند با مد نظر قرار دادن وزن و هزینه های مربوط به افت فشار، عملکرد انتقال گرما، اندازه کلی، میزان نشتی، هزینه های اولیه برای طول عمر مبدل حرارتی در برابر خوردگی و خستگی و موارد مشابه انجام شود. عوامل سبک و سنگین کردن مربوط به ورودی فیزیکی هم شامل مشخصات مسئله و مد نظر قرار دادن همه محدودیت های تحمیلی از جمله شرایط کاری انجام می شود. آنالیز سبک و سنگین کردن شامل شرایط و ملاحظات اقتصادی و قانون دوم ترمودینامیک در مورد طراحی مبدل حرارتی می باشد.
اگر مبدل حرارتی تنها یک مؤلفه از سیستم یا سیکل ترمودینامیک باشد، طراحی بهینه سیستم باید انجام گیرد تا به dP,Q برسیم به این منظور که تجهیزات، هزینه ها و سایر موارد به حداقل برسند. در یک چنین موردی ، مسئله طراحی مبدل حرارتی برای بار دیگر فرمول بندی می شود و این کار بعد از طراحی بهینه انجام می شود و سرانجام هم فاکتورهای سبک و سنگین کردن اعمال می شوند.
6- طراحی بهینه
خروجی نهایی آنالیزهای کمی و کیفی ، یک طراحی بهینه است که میتوان چندین مورد طراحی ( بسته به تعداد سطح یا هسته هندسی در نظر گرفته شده ) به مشتری عرضه کرد .
7- سایر ملاحظات
اگر مبدل حرارتی مشخصات طراحی جدیدی را شامل شود ، این می تواند یک بخش مهم و تعیین کننده ای از سیستم باشد یا اگر قرار باشد مدل و طرح اولیه که در آزمایشگاه تست های لازم بر روی آن انجام شده است؛ به تولید انبوه برسد، لازم است در مورد آیتم های زیر اطمینان کافی جلب شود: انتقال گرمایی سیستم، افت فشار و عملکرد آن که به عنوان مؤلفه ای از کل سیستم یا بخشی از آن در نظر گرفته می شود، ویژگی هایی نظیر خستگی، سیکل دمایی، خوردگی و ویژگی های فرسایش و نیز حد فشار.
یه تفاوتشون:
نوع thermosyphon پیچیده تر از kettel است و نیاز به مراقبت بیشتری از سوی اپراتور دارد
همیشه وقتی بین دو یا چند تجهیز قراره یکی انتخاب بشه مهندس طراح مجبوره پارامترهای زیادی رو کنار هم بذاره و نهایتا نتیجه بگیره که چه تجهیزی مناسب تره برای مبدل ترموسیفون و کتل تایپ هم همینطوره و همه چی بستگی به شرایط و همچنین هزینه های عملیاتی و ثابت داره من چند تا از مزایا و معایب مبدل های ترموسیفون و کتل رو اینجا میگم:
اول از همه میدونید که مبدهای کتل برای تولید بخار اشباع است و در نهایت فقط بخار هست که به برج برگردونده میشه(حتی گاهی یه دمیستر هم تو خروجی بخار میذارن که مایع وارد برج نشه) درحالی که مبدلهای ترموسیفون مایع و بخار را به برج می فرستند.بنابراین باید شناخت کاملی از فرایند برج وجود داشته باشه.
مبدل کتل یه تیغه داره که برای حفظ لول مایع است اگر مایع جمع شده پشت این تیغه از یه حد مشخص بیشتر بشه (یشتر از 1.2 متر طول پوسته)باید از مبدل ترموسیفون به جای کتل استفاده کرد.
مبدلهای کتل گرانتر از مبدلهای ترموسیفون هستند.
مبدلهای کتل برای مواد رسوب ده یا مواد پلیمری مناسب نیست.
Similar threads
Similar threads
-
فهرست آموزش های مرتبط با | مبدل های حرارتی - Heat Exchanger- شروع شده توسط فاطمه یاس
- پاسخ ها: 0
-
[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی متصل به زمین - ground-coupled heat exchanger- شروع شده توسط P O U R I A
- پاسخ ها: 1
-
[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی دو لوله ای - double-pipe heat exchanger
- شروع شده توسط P O U R I A
- پاسخ ها: 1
-
[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی صفحه‌ای - plate heat exchanger
- شروع شده توسط P O U R I A
- پاسخ ها: 7
-
[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی - heat exchanger
- شروع شده توسط P O U R I A
- پاسخ ها: 3