کاربرد مبدل‌های حرارتی در بین تجهیزات فرایندی

نمایش تامین کنندگان مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی برای انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیال دیگر به منظور کنترل دمای یک سیستم یا ماده استفاده می شود. این مبدل ها حاوی دو جریان سیال، یکی گرم و دیگری سرد است که توسط یک لوله یا صفحه رسانای حرارتی از هم جدا می شوند، مگر اینکه سیالات غیر قابل امتزاج باشند. دو جریان به گونه ای هدایت می شوند که یکی انرژی حرارتی را به دیگری منتقل می کند. نمونه هایی از کاربردهای مبدل حرارتی عبارتند از رادیاتور خودرو، دیگ بخار، کوره، یخچال و سیستم تهویه مطبوع.

 انواع مبدل های حرارتی 

 با توجه به فرآیند انتقال حرارت - مبدل حرارتی ممکن است از روش انتقال حرارت تماس غیر مستقیم یا تماس مستقیم استفاده کند.

• در انتقال حرارت تماس غیرمستقیم ، سیالات در سیستم توسط یک لایه مرزی رسانای حرارتی از هم جدا می‌شوند که اجازه می‌دهد انرژی گرمایی جریان یابد اما از اختلاط یا آلودگی جلوگیری می‌کند.

• در مبدل های حرارتی تماس مستقیم ، سیالات غیر قابل امتزاج هستند (به عنوان مثال گاز و مایع) و بنابراین در هنگام انتقال گرما نیازی به جداسازی فیزیکی ندارند.

با توجه به تعداد سیالات -- مبدل حرارتی ممکن است دو، سه یا بیش از سه سیال انتقال حرارت را در سیستم قرار دهد.

با توجه به ترتیبات جریان - مبدل حرارتی ممکن است تک پاس یا چند گذر باشد. ممکن است دارای جریان متقاطع، جریان مخالف یا جریان همزمان باشد. به طور معمول مبدل های حرارتی از ترکیب این الگوهای جریان برای به حداکثر رساندن بازده حرارتی استفاده می کنند.

• در مبدل های حرارتی تک پاس ، سیالات تنها یک بار در سیستم توسط یکدیگر جریان می یابند.

• سیالات در مبدل‌های حرارتی چند پاسی بارها به سمت یکدیگر حلقه می‌شوند تا جریان پیدا کنند.

• در مبدل های حرارتی جریان مخالف ، سیالات از جهت مخالف به سمت یکدیگر جریان می یابند.

• در مبدل های حرارتی جریان متقاطع ، سیالات عمود بر یکدیگر جریان دارند.

• در مبدل های حرارتی جریان همزمان ، سیالات به موازات یکدیگر جریان می یابند.

با توجه به مکانیسم انتقال حرارت - مبدل حرارتی از همرفت تک فاز، همرفت دو فاز و/یا انتقال حرارت تابشی در هر طرف مبدل استفاده می کند.

 با توجه به ساختار - مبدل حرارتی ممکن است دارای ساختار پوسته و لوله، آبکاری یا هوا خنک باشد. هنگام در نظر گرفتن طرح های مختلف مبدل حرارتی، کاربران باید این ویژگی ها را در نظر داشته باشند :

• تمیزی - تمیز کردن تجهیزات چقدر آسان است.

• فشردگی - ردپای تجهیزات چقدر کوچک یا بزرگ است.

• سهولت تعمیر - نگهداری و تعمیر تجهیزات چقدر آسان است.

• پسوند - به چه راحتی می توان تجهیزات را اصلاح یا گسترش داد.

• خطر دوشاخه - تجهیزات چقدر مستعد رسوب یا گرفتگی هستند.

برای تامین منابع مبدل حرارتی، مهمترین روش طبقه بندی ساخت و ساز است. سه نوع اصلی مبدل حرارتی بر اساس طراحی وجود دارد: پوسته و لوله، آبکاری و هوا خنک. در این انواع اساسی، مبدل‌های حرارتی فردی از نظر طراحی و پیچیدگی بسیار متفاوت هستند تا با نیازهای برنامه‌ها و سیستم‌های خاص مطابقت داشته باشند.

چه مشخصات فنی مهمی دارند؟ 

نرخ انتقال حرارت که به عنوان ظرفیت یا بار گرمایی نیز شناخته می‌شود، اندازه‌گیری انرژی گرمایی منتقل شده در مبدل حرارتی در واحد زمان است. این اساسی ترین مشخصات برای توصیف عملکرد مبدل حرارتی است و کاربر باید قبل از انتخاب مبدل حرارتی یا ارسال فرم انتخاب به سازنده بداند. 

روکش سطحی یک عامل رویکرد ایمنی است که اغلب در طراحی مبدل حرارتی به عنوان وسیله ای برای افزایش خودسرانه سطح انتقال حرارت به منظور ایجاد رسوب استفاده می شود. رسوب گیری به هر نوع رسوب مواد روی سطح مبدل حرارتی گفته می شود که مقاومت انتقال حرارت را افزایش داده و کارایی را کاهش می دهد. سطح سطحی درصدی است که مساحت سطح بالاتر از نیاز مبدل حرارتی در شرایط تمیز افزایش می یابد. این مقدار می تواند از 15 تا 50 درصد بسته به حساسیت برنامه به رسوب و سایر عوامل کاربردی متغیر باشد.

محیط یا سیال طرف داغ  سیالی است که در دمای بالاتری وارد مبدل حرارتی می شود. در کاربردهای خنک کننده، محیط داغ سیال هدفی است که خنک می شود (به عنوان مثال بخار). در کاربردهای گرمایشی، سیال داغ وسیله انتقال حرارت است (مثلاً آب).

محیط یا سیال سمت سرد  سیالی است که در دمای پایین تری وارد مبدل حرارتی می شود. در کاربردهای خنک کننده، محیط سرد، واسطه انتقال حرارت است (مثلاً خنک کننده). در کاربردهای گرمایشی، سیال سرد سیال هدفی است که گرم می شود.  

نکته: گرمای ویژه، ویسکوزیته، چگالی، گرمای نهان، هدایت حرارتی، و فشار عملیاتی همگی ویژگی‌های مهمی هستند که باید هنگام انتخاب سیالات مبدل حرارتی در نظر گرفته شوند. 

 بقیه مشخصات ذکر شده در زیر معمولاً دو بار تعیین می شوند، یک بار برای هر طرف (سمت گرم و سمت سرد) مبدل:

نرخ جریان اندازه گیری سرعت جریان سیالات انتقال حرارت از طریق مبدل حرارتی است که معمولاً برای مایعات بر حسب گالن در دقیقه (gpm) و برای گازها فوت مکعب در دقیقه (cfm) اندازه گیری می شود. راندمان انتقال حرارت با افزایش سرعت جریان در مبدل حرارتی افزایش می‌یابد، اما جریان با اندازه پمپ موجود و حداکثر افت فشار مجاز در سیستم (که با سرعت جریان نیز افزایش می‌یابد) محدود می‌شود.

افت فشار مجاز نشان دهنده بالاترین افت فشار قابل قبول برای سیستم است. افت فشار یک عامل محدود کننده در اندازه، سرعت جریان و کارایی طراحی مبدل حرارتی است. با افزایش افت فشار، پمپ‌های قدرتمندتر و پرانرژی‌تری مورد نیاز است، بنابراین این مشخصات باید با توجه به نیازهای پمپاژ مورد نظر برای سیستم مطابقت داده شود.

حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) یا فشار طراحی حداکثر فشاری است که مبدل حرارتی و اجزای آن برای تحمل آن طراحی شده اند. در برگه طراحی/انتخاب مبدل حرارتی، فشار طراحی نشان‌دهنده بالاترین فشاری است که سیستم در طول کارکرد عادی به آن خواهد رسید. معمولاً حداکثر فشار عملیاتی عادی به اضافه یک حاشیه طراحی است. این مشخصات به ویژه برای طراحی ضخامت اجزای نگهدارنده فشار در سیستم مبدل حرارتی مهم است.

حداکثر/حداقل دما یا دمای طراحی ، بالاترین یا کمترین دما یا محدوده دماهایی است که مبدل حرارتی در حین کارکرد معمولی تحمل می کند. اغلب سازندگان دماهای ورودی و خروجی را برای هر طرف مبدل حرارتی درخواست می کنند. دمای طراحی با شرایط فرآیند برنامه تعریف می شود. معمولاً حداکثر دمای عملیاتی عادی به اضافه یک حاشیه طراحی است. تولیدکنندگان مبدل های حرارتی را بر اساس این دماها می سازند.

برای جست و جوی فنی این محصول بر اساس نیازمندیتان، اینجا را دنبال کنید

از چه موادی ساخته می شوند؟

مواد مبدل حرارتی (به ویژه آن هایی که برای لوله ها یا صفحات در تماس با سیال هستند) بخش بسیار مهمی از طراحی و انتخاب مبدل حرارتی هستند. خواص بهینه مواد شامل هدایت حرارتی بالا برای انتقال حرارت کارآمد، استحکام بالا برای تحمل فشارهای عملیاتی بالا، مقاومت در برابر خوردگی بالا برای مقاومت در برابر سیالات خورنده در طول زمان و هزینه کم است. مواد متداول برای مبدل های حرارتی عبارتند از مس، برنج، آلومینیوم و فولاد ضد زنگ.

مس به دلیل رسانایی حرارتی بالا، بهترین عملکرد انتقال حرارت را در بین تمام فلزات رایج در مبدل های حرارتی دارد. با این حال، مس به خودی خود مقاومت خوردگی نسبتاً ضعیفی در برابر سیالات تهاجمی تر دارد. معمولاً با آب و بسیاری از خنک کننده های استاندارد استفاده می شود.

برنج ، آلیاژی از مس و روی، قوی‌تر از مس است و در عین حال هدایت حرارتی بالایی برای انتقال حرارت کارآمد حفظ می‌کند. برنج همچنان از مقاومت در برابر خوردگی رنج می برد، البته نه به اندازه مس خالص. آلیاژهای برنج با مقادیر بالاتر روی، انعطاف پذیرتر هستند، اما به قیمت عملکرد انتقال حرارت.

آلومینیوم یک فلز سبک وزن است که معمولاً برای لوله های انتقال حرارت استفاده می شود زیرا بازده انتقال حرارت بالایی با هزینه نسبتاً پایین دارد. آلومینیوم مورد استفاده در مبدل های حرارتی معمولا با برنز و نیکل آلیاژ می شود تا مقاومت آن در برابر خوردگی افزایش یابد. برای استفاده با محلول های اتیلن گلیکول/آب (EGW) و روغن ها عالی است.

فولاد ضد زنگ آلیاژی از فولاد با مقاومت در برابر خوردگی عالی است. در مقایسه با سایر فلزات مبدل حرارتی، فولاد ضد زنگ بازده انتقال حرارت کمتری دارد و اغلب گران‌تر است. برای کار با سیالات انتقال حرارت خورنده و تهاجمی مانند آب دیونیزه مناسب است.

انتخاب مواد دیگر هنگام برخورد با سیالات بسیار خورنده شامل آلیاژهای نیکل و آلیاژهای تیتانیوم است. 

اتصالات

 در نهایت، ضروری است که مبدل حرارتی بتواند به درستی به سیستمی که در آن یکپارچه شده است متصل شود. انواع اتصالات استاندارد عبارتند از:

• فلنج -- رینگ ها یا یقه های بیرون زده که برای اتصال لوله ها یا لوله ها به هم متصل می شوند.

• رزوه‌کاری لوله 

• لحیم کاری -- اتصال انتهای لوله یا لوله با استفاده از فلز پرکننده (لحیم کاری).

  منبع: globalspec.com