بررسی فنی و مهندسی مبدل های حرارتی

فصل اول : مقدمه
مبدل حرارتی (heat exchanger) تجهیزی است که برای انتقال حرارت بهینه از یک محیط به محیط دیگر به کار می‌رود. مبدل‌های حرارتی حرارت را بین دو یا چند جریان سیال که درون دستگاه جریان دارند منتقل می‌کنند.
مبدل‌های حرارتی در صنایع زیادی همانند فرآیند، نیروگاه، تهویه مطبوع، تبرید، برودت، بازیافت حرارت و صنایع ساخت و تولید دارند. در صنایع نیروگاهی انواع زیادی از بویلرهای فسیلی، بخار‌سازهای هسته‌ای، کندانسورهای بخاری، ری‌ژنراتورها و برج‌های خنک کن به کار می‌روند. در صنایع فرآیندی، مبدل‌های جریان دو فاز برای تبخیر، تقطیر، انجماد کریستال و به عنوان بسترهای سیال‌سان (fluidized beds)‌ با واکنش‌های کاتالیستی به کار می‌روند. سیستم‌های تهویه مطبوع و تبرید نیاز به کندانسور و اواپراتور دارند. پیشرفت زیادی در کاربرد مبدل‌های حرارتی صورت گرفته است. یکی از قدم‌های اصلی در پیشرفت اولیه بویلرها، معرفی بویلرهای واتر تیوب (water-tube boilers) بود. تقاضا برای موتورهای قدرتمندتر نیاز به بویلرهایی که با فشار بیش‌تر کار کنند را بیش‌تر کرد و در نتیجه بویلرها بزرگ‌تر و بزرگ‌تر شدند. واحدهای بویلری که در نیروگاه‌های مدرن به کار می‌روند فشار بخار بالای ۸۰ بار تولید و از کوره‌های دارای تیوب‌های آب، سوپرهیترها و قسمت‌های بازیافت حرارتی همانند اکونومایزرها و هیترهای هوا و کندانسورهای با کارایی بالا استفاده می‌کنند. تکامل بویلرهای مدرن و کندانسورهای کارامد‌تر برای صنعت نیروگاهی، یک مایل‌استون مهم در مهندسی بوده است. در صنایع فرآیندی، مهندسان با طراحی تجهیزات تبخیر مایع درگیر هستند. در صنایع شیمیایی، وظیفه یک اواپراتور یا وپورایزر (vaporizer)، تبخیر یک مایع یا تغلیظ یک محلول به وسیله تبخیر بخشی از حلال است. وپورایزرها در فرآیند کریستال‌سازی نیز به کار می‌روند. حلال اغلب آب است ولی در بسیاری از شرایط، حلال با ارزش است و برای استفاده مجدد بازیافت می‌شود. وپورایزرها در فرآیندهای شیمیایی در اندازه‌های مختلفی موجود هستند.
در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و … کاربرد فراوان دارد. کاربرد اصول انتقال حرارت در طراحی تجهیزات برای مقاصد خاص مهندسی اهمیت بسیار زیادی و هدف از به کارگیری اصول انتقال حرارت در طراحی، تلاش برای رسیدن به هدف توسعه تولید برای سوددهی اقتصادی است. در حقیقت دانستن نوع مبدل براساس سیال هایی که از آن عبور می کنند نقش مهمی در طراحی و محاسبات اقتصادی مبدل های حرارتی به دنبال خواهد داشت.
۱-۱    استاندارد ها:

•    TEMA   که توسط انجمن توليد کنندگان مبدل های لوله ای (امريکا) تدوين شده است. برای طراحی و ساخت مبدل های پوسته لوله ای مورد استفاده قرار می گيرد.
•    API 660 که توسط انجمن نفت امريکا تدوين شده است و برای طراحای و ساخت مبدل های پوسته لوله ای استفاده می گردند.
•    API 661که توسط انجمن نفت امريکا تدوين شده است و برای طراحای و ساخت مبدل های هوا خنک استفاده می گردند.
•    ASME Sec VIII كه براي طراحي مكانيكي مبدل ها حرارتي فشار بالا استفاده مي گردد.

۱-۲    کاربرد مبدل های حرارتی :
به طورکلی مبدل های حرارتی یابرای گرمایش یا سرمایش جریان استفاده می شوند .

۱-۲-۱ مبدل های حرارتی سرد کننده :
– خنک کننده (Cooler) :
در این نوع مبدل درجه حرارت بدون اینکه حالت سیال عوض شود کاهش می یابد . به عبارت دیگر قسمتی از گرمای محسوس سیال گرفته می شود . اگر عمل سرد کردن توسط آب صورت گیرد به آن کولر آبی (Water Cooler) می گویند و دارای ساختمان معمولی مبدل های حرارتی پوسته و لوله می باشد .
– چگالنده (Condenser) :
وظیفه این مبدل تبدیل بخار به مایع است و بر این اساس لازم است که گرمای نهان تبخیر یک بخار را جذب تا به مایع تبدیل شود . این مبدل می تواند ساختمان یکی از انواع خنک کننده های آبی یا هوایی را داشته باشد و معمولا” به طور افقی نصب می شوند .
– سرد کننده (Chiller) :
می دانیم هر مایعی که بخواهیم تبخیر شود احتیاج به انرژی حرارتی دارد و اگر این انرژی را از محیط بگیرد به ناچار محیط سرد خواهد شد ، در صنایع نفت برای تولید سرما از مایعات نفتی مثل پروپان و بوتان که در شرایط متعارفی بخارند استفاده می شود .
سرد کننده دارای ساختمان پوسته و لوله بوده و در قسمت فوقانی پوسته دارای فضایی جهت تبخیر پروپان می باشد. مایع پروپان از ته مبدل وارد و در اطراف لوله ها تبخیر و تولید سرما می کند .

۱-۲-۲ مبدل های حرارتی گرم کننده :
تمام مبدل های حرارتی که وظیفه افزایش درجه حرارت مواد را به عهده دارند در حقیقت گرم کننده (Heater) می باشند . مانند جوشاننده ، تبخیر کننده ، کوره و …

– جوشاننده (Reboiler) :
این مبدل بر خلاف تبخیر کننده (Vaporizer) ، تنها جزئی از کل مایع را که مورد نظر می باشد به حالت بخار تبدیل می کند . جوشاننده ها معمولا” دارای ساختمان لوله و پوسته و به قسمت پایین برج تفکیک متصل می شود .

۱-۳    اجزاء مختلف مبدل ها :  
– لوله ها (Tubes) :
جنس ، تعداد ، قطر ، طول و ضخامت لوله ها به طبیعت سیال ( خورنده یا بی اثر ، تمیز یا کثیف و … ) مقدار جریان سیال ، فشار و درجه حرارت سیال و بار حرارتی مبدل بستگی دارد . لوله ممکن است به صورت راست ( دو سر باز) یا به شکل U روی صفحه ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند . لوله ها معمولا” از جنس فولاد یا مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون ساخته می شوند .
– پوسته (Shell) :
جنس ، قطر ، ضخامت و حجم پوسته به طبیعت سیال ، مقدار جریان سیال ، فشار و درجه حرارت سیال و مشخصات دسته لوله (Tube Bundle) از نظر قطرو طول آن بستگی دارد . نوع کاربرد نیز تعیین کننده خواهد بود . از جمله پوسته مبدل های از نوع تبخیر کننده و همینطور جوشاننده دارای فضای تبخیر می باشند.
– صفحه لوله (Tube Sheet) :
صفحه ای دایره ای شکل که سر لوله ها روی آن قرار می گیرد ، جنس و ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله ها ، تعداد لوله ها و نوع مبدل حرارتی بستگی دارد . لوله ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلانج به آن متصل باشد.
لوله ها عموما” با دو آرایش مربعی یا مثلثی روی صفحه لوله ها نصب می گردند . در آرایش مربعی کمترین مقاومت در مقابل جریان و در نتیجه حداقل افت فشار به وجود می آید . یکی از معایب آرایش مربعی قرار گرفتن نعداد کمتر لوله در یک سطح معین می باشد .
وقتی که آرایش لوله ها مثلثی باشد ،افت فشار جریان پوسته بیشترازوقتی است که آرایش مربعی باشد ، اما میزان انتقال حرارت در آرایش مثلثی بیشتر است .
– کانال (Channel) :
جریان سیال به داخل لوله ها از طریق کانال صورت می گیرد . تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل موجود است . در مبدل های حرارتی چند گذره (Multipass) از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می شود تا کانال به دو یا چند قسمت تقسیم شود .
– تیغه (Baffle) :
تیغه ها به شکل دایره برش خورده یا دیسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته می شوند . برای افزایش زمان تبادل حرارتی بین لوله ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می شود . تیغه ها در داخل پوسته قرار گرفته و لوله ها از میان سوراخ های آنها که به تعداد لوله ها می باشند عبور می کنند . این صفحات دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند .
با ایجاد جریان های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله ها را از بین برده و ضریب انتقال حرارت را بالا می برند . همینطور لوله ها را نگهداشته و از خم شدن آنها جلوگیری  می کنند .
– تیغه های طولی (Longitudinal Baffle) :
گاهی اوقات برای تقسیم کردن جریان پوسته به دو یا سه گذر قرار می گیرند .
– سر پوسته  (Shell Head) :
معمولا” به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می شود و در مواقع لزوم برای بازرسی لوله ها برداشته می شود .

۱-۴    دسته بندی مبدل های حرارتی :
۱-۴-۱) بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان:
جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب است. در مبدل های حرارتی با جریان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. دو مجرای جریان توسط یک جداره لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.
۱-۴-۲) بر مبنای پدیده انتقال:
تبادل انرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیرمستقیم صورت می گیرد:
در نوع مستقیم : حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکی از این دو    سیال  گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی قابل تفکیک هستند.
در نوع غیرمستقیم : حرارت ابتدا به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.
۱-۴-۳) بر مبنای ساختمان مبدل:
در بسیاری مواقع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختمان تقسیم بندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از :
•    مبدل های حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)
•    مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)
•    مبدل های حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)
•    بازیاب حرارتی (Heat Recovers)

مبدل های حرارتی لوله ای ( Pipe Heat Exchanger ) :
در این مبدل ها اساس انتقال حرارت از نوع غیر مستقیم می باشد و مکانیزم انتقال حرارت جابه جایی می باشد. این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند  دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
•    تک لوله ای
•    دولوله ای
•    لوله مار پیچ
•    لوله و پوسته
•    چند لوله ای
نمایی از یک مبدل حرارتی تک لوله ای: