مبدل حرارتي صفحه اي

مبدل حرارتي دستگاهي است كه اجازه مي دهد تا حرارت از يك سيال (مايع يا گاز) به يك سيال دوم (مايع يا گاز ديگري) بدون اينكه دو مايع مجبور شوند با هم مخلوط شوند يا در تماس مستقيم قرار گيرند منتقل شود.

از نظر تئوري ، ما مي توانيم گرما را از جت هاي گاز فقط با انداختن آب سرد روي آنها بگيريم ، اما سپس شعله هاي آتش خاموش مي شود! اصل اساسي مبدل حرارتي اين است كه بدون انتقال سيال حامل گرما ، گرما را انتقال مي دهد.

مبدل حرارتي صفحه اي

مبدل حرارتي صفحه اي از صفحات نازك ، كمي از هم جدا شده تشكيل شده اند كه داراي سطح بسيار بزرگ و عبور جريان سيال كوچك براي انتقال گرما هستند. پيشرفت در تكنولوژي واشر و لحيم كاري ، مبدل حرارتي از نوع صفحه را عملي تر كرده است. در كاربردهاي HVAC ، مبدل هاي حرارتي بزرگ از اين نوع صفحه و فريم ناميده مي شوند.

هنگامي كه در حلقه هاي باز استفاده مي شود ، اين مبدل هاي حرارتي معمولاً از نوع واشر هستند تا اجازه جدا شدن ، تميز كردن و بازرسي دوره اي را بدهند. انواع مختلفي از مبدل حرارتي صفحه اي باند دائمي وجود دارد ، مانند انواع بشقاب ماسوره اي ، لحيم كاري شده در خلا و جوش داده شده ، و آنها اغلب براي كاربردهاي حلقه بسته مانند تبريد مشخص مي شوند. مبدلهاي حرارتي صفحات نيز در انواع صفحات مورد استفاده و در تنظيمات آن صفحات تفاوت دارند. برخي از صفحات ممكن است با "شورون" ، گودي ، يا الگوهاي ديگر مهر شده باشند ، جايي كه ممكن است ديگران داراي باله و يا شيارهاي ماشينكاري شده باشند.

مبدل حرارتي پوسته و لوله

به نقل قول از wikipedia مبدل حرارتي پوسته و لوله مجموعه اي از لوله هاي حاوي مايعي هستند كه بايد گرم يا سرد شوند. سيال دوم از روي لوله هايي كه در حال گرم شدن يا خنك شدن هستند عبور مي كند تا بتواند گرما را تأمين كند يا گرماي مورد نياز را جذب كند.

مبدل حرارتي پوسته و لوله به طور معمول براي اعمال فشار بالا (با فشارهاي بيشتر از 30 بار و درجه حرارت بيشتر) استفاده مي شود بيش از 260 درجه سانتيگراد). دليل اين امر شكل مقاوم مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله هستند.

هنگام طراحي لوله ها در مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله ، چندين ويژگي طراحي حرارتي بايد در نظر گرفته شود:

تغييرات زيادي در طراحي پوسته و لوله وجود دارد. به طور معمول ، انتهاي هر لوله از طريق سوراخ هاي موجود در صفحات لوله به پلنوم (كه بعضا جعبه آب نيز ناميده مي شود) متصل مي شوند.

لوله ها ممكن است به صورت U خم شوند كه به آنها لوله هاي U شكل ناميده مي شوند.

• قطر لوله: استفاده از قطر لوله كوچك مبدل حرارتي را هم اقتصادي و هم فشرده مي كند. با اين حال ، احتمال بيشتري دارد كه مبدل حرارتي سريعتر خراب شود و اندازه كوچك ، تميز كردن مكانيكي رسوب را دشوار مي كند. براي غلبه بر مشكلات رسوب و تميز كردن ، مي توان از قطرهاي بزرگتر لوله استفاده كرد. بنابراين براي تعيين قطر لوله ، فضاي موجود ، هزينه و رسوب مايعات بايد در نظر گرفته شود.
• ضخامت لوله: ضخامت ديواره لوله ها معمولاً براي اطمينان از موارد زير تعيين مي شود:

1. فضاي كافي براي خوردگي وجود دارد
2. اين ارتعاش ناشي از جريان داراي مقاومت است
3. مقاومت محوري
4. در دسترس بودن قطعات يدكي
5. قدرت حلقه (براي مقاومت در برابر فشار داخلي لوله)
6. قدرت كمانش (براي مقاومت در برابر فشار بيش از حد در پوسته)

• طول لوله: مبدل هاي حرارتي كه معمولا داراي قطر پوسته كوچكتر و طول لوله طولاني باشند ارزانتر هستند. بنابراين ، به طور معمول اين هدف وجود دارد كه مبدل حرارتي را تا آنجا كه از نظر جسمي امكان پذير است در حالي كه از توانايي توليد بيشتر نمي كند. با اين حال ، محدوديت هاي زيادي براي اين امر وجود دارد ، از جمله فضاي موجود در محل نصب و نياز به اطمينان از وجود لوله ها در طول هايي كه دو برابر طول مورد نياز است (بنابراين مي توان آنها را برداشت و جايگزين كرد). همچنين ، بيرون آوردن و تعويض لوله هاي باريك و بلند مشكل است.
• پيچ لوله: هنگام طراحي لوله ها ، اطمينان از اينكه فاصله مركز لوله هاي مجاور كمتر از 1.25 برابر قطر خارجي لوله ها نباشد ، عملي است. گام لوله بزرگتر منجر به قطر پوسته كلي بيشتر مي شود كه منجر به مبدل حرارتي گرانتري مي شود.
• راه راه لوله: اين نوع لوله ها كه عمدتا براي لوله هاي داخلي استفاده مي شود ، تلاطم مايعات را افزايش مي دهد و اثر در انتقال حرارت با عملكرد بهتر بسيار مهم است.
• طرح لوله: به نحوه قرارگيري لوله ها در داخل پوسته اشاره دارد. چهار نوع طرح اصلي لوله وجود دارد كه عبارتند از: مثلثي (30 درجه) ، مثلث چرخانده شده (60 درجه) ، مربع (90 درجه) و مربع چرخشي (45 درجه). از الگوهاي مثلثي براي انتقال گرماي بيشتر استفاده مي شود زيرا سيال را به حالت متلاطم تري در اطراف لوله كشي جريان مي دهد. الگوهاي مربعي در مواردي كه رسوب زياد تجربه مي شود و نظافت منظم تر است.
• طراحي Baffle: از bafle ها در مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله براي هدايت مايع در سراسر بسته لوله استفاده مي شود. آنها عمود بر پوسته قرار گرفته و بسته را نگه داشته و از افتادگي لوله ها در طول طولاني جلوگيري مي كنند. همچنين مي توانند از لرزش لوله ها جلوگيري كنند. متداول ترين نوع بافل ، بافل مقطعي است. بافل هاي سگمنتال نيم دايره در 180 درجه به بافل هاي مجاور جهت يافته و مايعات را به سمت بالا و پايين بين بسته نرم افزاري لوله هدايت مي كنند. فاصله بافل هنگام طراحي مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله از اهميت ترموديناميكي برخوردار است. براي تغيير افت فشار و انتقال گرما بايد بافل ها را در نظر گرفت. براي بهينه سازي اقتصادي حرارتي پيشنهاد مي شود كه فاصله بافل ها از 20٪ قطر داخلي پوسته فاصله نباشد. فاصله بيش از حد بافرها باعث افت فشار بيشتر به دليل تغيير مسير جريان مي شود. در نتيجه فاصله فاصله بيش از حد از دكل ها به اين معني است كه ممكن است در گوشه هاي بين دكمه هاي خنك لكه هاي خنك تري وجود داشته باشد. همچنين اطمينان حاصل كنيد كه فاصله بافل ها به اندازه كافي نزديك نيست تا لوله ها آويزان نشوند. نوع اصلي ديگر سرپيچي ، ديسك و دونات است كه از دو بافل متحدالمركز تشكيل شده است. بافل بيروني و عريض تر شبيه دونات است ، در حالي كه شكل بافل داخلي به صورت ديسك است. اين نوع سرپيچي سيال را وادار مي كند تا از هر طرف ديسك عبور كند و سپس از طريق بافل پيراشكي نوع متفاوتي از جريان مايع را توليد كند.
• طراحي لوله ها و باله ها: براي استفاده در خنك سازي هوا با استفاده از فناوري پوسته و لوله (مانند كولر هوا / كولر شارژي براي موتورهاي احتراق) ، تفاوت در انتقال حرارت بين هوا و مايع سرد مي تواند به حدي باشد كه نياز به افزايش وجود دارد منطقه انتقال حرارت در سمت هوا. براي اين عملكرد مي توان پره ها را روي لوله ها اضافه كرد تا ناحيه انتقال حرارت در سمت هوا افزايش يابد و پيكربندي لوله ها و پره ها ايجاد شود.

مبدلهاي حرارتي مايع خنك شده لوله ثابت مخصوصاً مناسب براي كاربردهاي دريايي و سخت را مي توان با پوسته هاي برنجي يا آلومينيومي ، لوله هاي مس يا نيكل مس ، دكمه هاي برنجي و توپي هاي انتگرال برنجي جعلي مونتاژ كرد.

مقايسه مبدل حرارتي پوسته و لوله و صفحه اي

در صورت مقايسه مبدل حرارتي صفحه اي با مبدل هاي پوسته و لوله ، ترتيب صفحه پشته اي حجم و هزينه كمتري دارد. تفاوت ديگر اين دو در اين است كه مبدلهاي صفحه اي معمولاً مايعات با فشار كم تا متوسط ​​را در مقايسه با فشارهاي متوسط ​​و زياد پوسته و لوله كار مي كنند. سومين و تفاوت مهم اين است كه مبدلهاي صفحه اي بيشتر از جريان جريان متقابل ، جريان خلاف جريان را به كار مي گيرند ، كه اين امر باعث مي شود اختلاف درجه حرارت نزديك ، تغييرات دما بالا و بازده افزايش يابد.

منبع : ترجمه شده از en.wikipedia

در حالي كه طيف گسترده اي از مبدل هاي حرارتي در دسترس هستند ، مناسب بودن هر نوع (و طراحي آن) در انتقال گرما بين مايعات بستگي به مشخصات و الزامات كاربرد دارد. اين عوامل تا حد زيادي طراحي بهينه مبدل حرارتي مورد نظر را تعيين مي كنند و بر رتبه و محاسبات اندازه مربوطه تأثير مي گذارند.

برخي از عواملي كه متخصصان صنعت هنگام طراحي و انتخاب مبدل حرارتي بايد در نظر داشته باشند عبارتند از:

• نوع مايعات ، جريان سيال و خواص آنها

• خروجي هاي حرارتي مورد نظر

• محدوديت اندازه

• هزينه ها

نوع سيال ، جريان و خواص

نوع خاص مايعات مانند هوا ، آب ، روغن ، و غيره - و خصوصيات فيزيكي ، شيميايي و حرارتي آنها - از جمله فاز ، دما ، اسيديته يا قليايي ، فشار، سرعت جريان و غيره - در تعيين جريان كمك مي كند. پيكربندي و ساخت و ساز مناسب براي آن برنامه انتقال حرارت خاص است.

به عنوان مثال ، اگر مايعات خورنده ، درجه حرارت بالا يا مايعات با فشار زياد درگير باشند ، طراحي مبدل حرارتي بايد قادر به تحمل شرايط تنش بالا در طي فرآيند گرمايش يا سرمايش باشد. يكي از روش هاي تحقق اين الزامات با انتخاب مصالح ساختماني است كه داراي خواص مورد نظر مي باشند: مبدلهاي حرارتي گرافيتي داراي رسانايي حرارتي بالا و مقاومت در برابر خوردگي هستند ، مبدلهاي حرارتي سراميكي مي توانند درجه حرارت بالاتر از نقاط ذوب فلزات متداول و مبدلهاي حرارتي پلاستيك را كنترل كنند.جايگزين كم هزينه اي را ارائه مي دهد كه داراي درجه اي از مقاومت در برابر خوردگي و هدايت حرارتي است.

روش ديگر با انتخاب طرحي مناسب براي خواص سيال است: مبدلهاي حرارتي صفحه اي قادر به انتقال مايعات با فشار متوسط ??تا متوسط ??اما در سرعت بالاتر از انواع ديگر مبدلهاي حرارتي هستند و تبادل گرما دو فاز هنگام كار با مايعات ضروري است. يك تغيير فاز در كل فرآيند انتقال حرارت. ساير خصوصيات جريان سيال و سيال كه متخصصان صنعت ممكن است هنگام انتخاب مبدل حرارتي به خاطر داشته باشند عبارتند از ويسكوزيته سيال ، خصوصيات رسوب ، محتواي ذرات و وجود تركيبات محلول در آب.

خروجي هاي حرارتي

خروجي حرارتي مبدل حرارتي به ميزان گرماي منتقل شده بين مايعات و تغيير دماي مربوطه در پايان فرآيند انتقال حرارت اشاره دارد. انتقال گرما در مبدل حرارتي منجر به تغيير دما در هر دو مايعات مي شود ، دماي يك سيال به محض خارج شدن گرما كاهش مي يابد و با افزودن حرارت ، دماي مايعات ديگر افزايش مي يابد. خروجي حرارتي مطلوب و ميزان انتقال حرارت به تعيين نوع و طراحي بهينه مبدل حرارتي كمك مي كند زيرا برخي از طرح هاي مبدل حرارتي نرخ انتقال بخاري بيشتري را ارائه مي دهند و مي توانند درجه حرارت بالاتر از ساير طرح ها را تحمل كنند ، البته با هزينه بالاتر.

محدوديت اندازه

پس از انتخاب نوع مطلوب مبدل حرارتي ، يك اشتباه معمول در خريد يك مورد كه براي فضاي فيزيكي داده شده بسيار بزرگ است. اغلب اوقات ، خريد دستگاه تبادل گرما در اندازه اي كه فضاي بيشتري را براي گسترش يا اضافه كردن آن فراهم مي كند ، محتاط تر است و نه انتخاب دستگاهي كه فضا را به طور كامل در بر بگيرد. براي برنامه هاي كاربردي با فضاي محدود مانند هواپيماها يا اتومبيل ها ، مبدل هاي حرارتي جمع و جور كارايي انتقال حرارت بالا را در راه حل هاي كوچكتر و سبك تر ارائه مي دهند. مشخصه اي از سطح انتقال حرارت زياد به نسبت حجم ، چندين نوع از اين دستگاههاي تبادل گرما در دسترس هستند ، از جمله مبدلهاي حرارتي صفحه جمع و جور. به طور معمول، اين دستگاه ها از ويژگي هاي نسبت ≥700 متر 2 / متر 3 براي برنامه هاي كاربردي گاز به گاز و ≥400 متر 2 / متر 3 براي برنامه هاي كاربردي مايع به گاز.

هزينه ها

هزينه مبدل حرارتي نه تنها قيمت اوليه تجهيزات بلكه هزينه هاي نصب ، بهره برداري و نگهداري از طول عمر دستگاه را نيز شامل مي شود. اگرچه لازم است مبدل حرارتي را انتخاب كنيد كه به طور مؤثر الزامات برنامه ها را برآورده كند ، همچنين لازم است كه هزينه هاي كلي مبدل حرارتي انتخاب شده را در نظر داشته باشيد تا بهتر تشخيص دهيد كه آيا دستگاه ارزش سرمايه گذاري دارد يا خير. به عنوان مثال ، مبدل حرارتي در ابتدا گران اما با دوام تر ممكن است منجر به هزينه هاي نگهداري كمتر و در نتيجه هزينه هاي كل كمتر در طي دوره هاي چند ساله شود ، در حالي كه مبدل حرارتي ارزان تر ممكن است در ابتدا ارزانتر باشد اما در همان مدت زمان به چندين تعمير و تعويض نياز دارد. 

مبدل‌هاي حرارتي بر اساس شكل، كابرد، محل نصب و بسياري پارامترهاي ديگر طراحي مي‌شوند. در نتيجه مي‌توان آن‌ها را بر اساس اين ويژگي‌ها در دسته‌بندي‌هاي مختلف قرار داد. در نمودارهاي زير دسته‌بندي انواع مبدل‌ها بر اساس آرايش جريان در داخل مبدل و ساختار كلي مبدل و جايگاه مبدل پوسته و لوله در هر دسته‌بندي قابل مشاهده است:

بر اساس ساختار

• Tubular 

1. پوسته و لوله
2. double-pipe
3. spiral tube
4. pipecoils

• plate type

1. plate
2. spiral
3. lamella
4. platecoils

• extended-surface

1. plate-fin
2. tube-fin    

• regenerative

1. rotary
2. fixed-matrix

در مبدل هاي پوسته و لوله، تعداد يك يا دسته اي از لوله هاي فلزي (تيوب) در داخل يك لوله ي بزرگتر (شل يا پوسته)قرار مي گيرند، تيوب ها يا از يك طرف پوسته و يا از دو سر آن توسط صفحه اي گرد و حفره دار جمع آوري مي شوند كه اين صفحه در حقيقت عمل هدر يا جمع آوري سيال داخل تيوب ها را انجام ميدهد كه به آن تيوپ شيت نيز گفته ميشود.

اگر شكل تيوب بصورت U باشد هر دو سر تيوب ها در يك طرف پوسته قرار گرفته و از يك صفحه ي جمع كننده استفاده ميشود و اگر مستقيم باشد از يك طرف پوسته ورودي و از انتهاي آن خروجي در نظر گرفته مي شود.

پوسته مبدل حرارتي در واقع لوله اي است با طول مشخص كه تيوب ها در آنجا داده مي شود و خود نيز داري ورودي و خروجي بوده كه معمولاً به صورت عرضي روي آن قرار دارد. بدين ترتيب دو سيال قرار گرفته در داخل مجموعه اختلاطي با هم ندارند و صرفا از طريق ديواره تيوب هاي فلزي (مس، آلومينيوم، استيل، تيتانيوم و …) تبادل حرارت ميكنند.

مبدل پوسته لوله به شكل هاي گوناگون در صنعت توليد مي شود كه كلي ترين آنها در 3 شكل U تيوب، تيوب مستقيم و اسپيرال قرار مي گيرد.

مبدل حرارتي مدل اسپيرال اين تفاوت را دارد كه تيوب هاي آن در داخل پوسته به شكل مارپيچي دور هم پيچيده شده و بدين ترتيب سطح تماس بيشتر و راندمان بالاتري نسبت به حالت معمول دارند.

منبع : مبدل حرارتي پوسته و لوله از سايت ويكي پديا

مبدلهاي حرارتي دستگاههايي هستند كه براي انتقال گرما بين دو يا چند مايعات (يعني مايعات ، بخارها يا گازها) با دماهاي مختلف طراحي شده اند. بسته به نوع مبدل حرارتي مورد استفاده ، فرايند انتقال حرارت مي تواند از گاز به گاز ، مايع به گاز يا مايع به مايع باشد.و از طريق جداكننده جامد رخ مي دهد ، كه از مخلوط كردن مايعات يا تماس مستقيم مايعات جلوگيري مي كند. ساير مشخصات طراحي از جمله مصالح ساختماني و اجزاي سازنده ، مكانيسم هاي انتقال حرارت و تنظيمات جريان نيز به طبقه بندي و طبقه بندي انواع مبدلهاي حرارتي موجود كمك مي كند. با استفاده از صنايع مختلف ، مجموعه متنوعي از اين وسايل تبادل گرما براي استفاده در هر دو روش گرمايش و سرمايش طراحي و ساخته مي شوند.

بهترين مواد براي ساخت مبدل حرارتي كدامند؟

ممكن است فكر كنيد مبدل حرارتي هميشه بايد از فلزات ساخته شوند ، كه گرما به سرعت جذب و هدايت مي شوند - و بسياري از آنها. اما مبدل هاي حرارتي همچنين مي توانند از سراميك ، كامپوزيت (بر اساس فلز يا سراميك) و حتي پلاستيك (پليمر) ساخته شوند.

تمام اين مواد مزاياي خود را دارند. سراميك براي نوع كاربردهاي درجه حرارت بالا (بيش از 1000 درجه سانتيگراد يا 2000 درجه فارنهايت) كه مي تواند فلزات مانند مس ، آهن و فولاد را ذوب كند انتخابي مناسب است.، اگرچه آنها همچنين براي استفاده در مايعات خورنده و ساينده در دماهاي بالا يا پايين محبوب هستند. پلاستيك ها به طور كلي وزن و هزينه كمتري نسبت به فلزات دارند ، در برابر خوردگي و رسوب مقاومت مي كنند و مي توانند براي داشتن هدايت حرارتي خوبي طراحي شوند ، گرچه تمايل دارند از نظر مكانيكي ضعيف باشند و با گذشت زمان ممكن است تخريب شوند. اگرچه به طور كلي براي برنامه هاي با درجه حرارت بالا مناسب نيست ، اما مبدل هاي پلاستيكي مي توانند براي چيزي مانند استخر يا دوش ، كه در هر روز و دماي اتاق كار مي كند ، گزينه مناسبي باشند. مبدل هاي حرارتي كامپوزيت بهترين ويژگي هاي مواد اوليه والدين خود را تركيب مي كنند - به عنوان مثال ، هدايت حرارتي بالاي فلز با كاهش وزن و مقاومت در برابر خوردگي بهتر يك پلاستيك.

در آينده ، به وضوح ممكن است كه بتوانيم از مواد جالب تر در غرق كننده هاي گرما استفاده كنيم. به عنوان مثال ، نانولوله هاي كربني (ورق هاي شش ضلعي نازك كربن كه براي ساختن "لوله" پيچيده شده اند) داراي خاصيت رسانايي گرما هستند و در حال حاضر در غرق كننده هاي گرما (دستگاه هاي حذف گرما كه عمدتا در الكترونيك مورد استفاده قرار مي گيرند) استفاده مي شوند. در حال حاضر تحقيقات زيادي انجام شده است تا ببينيم چگونه مي توان آنها را در مبدل هاي حرارتي مستقر كرد.

انتخاب مبدل حرارتي

در حالي كه تعداد زيادي از مبدل هاي حرارتي در دسترس هستند ، مناسب بودن هر نوع (و طراحي آن) در انتقال گرما بين مايعات بستگي به مشخصات و الزامات كاربرد دارد. اين عوامل تا حد زيادي طراحي بهينه مبدل حرارتي مورد نظر را تعيين مي كنند و بر رتبه و محاسبات اندازه مربوطه تأثير مي گذارند.

برخي از عواملي كه متخصصان صنعت هنگام طراحي و انتخاب مبدل حرارتي بايد در نظر داشته باشند عبارتند از:

• نوع مايعات ، جريان سيال و خواص آنها
• خروجي هاي حرارتي مورد نظر
• محدوديت اندازه
• هزينه ها

مبحث مبدل هاي حرارتي بسيار گسترده بوده ما در اين مقاله به بخش مهمي از آن پرداختيم.

اين مقاله از بخش مبدل حرارتي سايت پايا دما گردآوري شده است.