اصول طراحی مبدلهای حرارتی
مبدل فرایند انتقال حرارت بین دو سیال با دماهای متفاوت است که توسط دیواره ی جامدی از هم جدا شده اند . در بسیاری از کاربردهای مهندسی روی می دهد که از مبدل های حرارتی برای این تبادل حرارت استفاده میکنند. مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایینتر و یا هر دو مورد استفاده قرار میگیرند و تقریباً پرکاربردترین عضو در فرآیندهای شیمیایی اند و میتوان آن ها را در بیشتر واحدهای صنعتی ملاحظه کرد. در این مقاله انواع مبدل های حرارتی وکاربرد آن ها ذکر گردیده است و در ادامه به اصول طراحی مبدلهای حرارتی و برآورد هزینه و حالت بهینه پرداخته شده است.
واژگان کلیدی: مبدل حرارتی، انواع مبدل حرارتی، اصول طراحی مبدل حرارتی، آرایش مبدل حرارتی
۱- مقدمه
مبدل حرارتی تجهیزی است که برای انتقال حرارت بهینه از یک محیط به محیط دیگر به کار میرود. مبدل فرایند انتقال حرارت بین دو سیال با دماهای متفاوت است که توسط دیواره ی جامدی از هم جدا شده اند. در بسیاری از کاربردهای مهندسی روی میدهد که از مبدلهای حرارتی برای این تبادل حرارت استفاده میکنند. آنها وسایلی هستند که امکان انتقال انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف را فراهم میکنند. این عملیات می تواند بین مایع - مایع ، گاز-گاز و یا گاز- مایع انجام شود. مبدلهای حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایینتر و یا هر دو مورد استفاده قرار میگیرند و تقریباً پرکاربردترین عضو در فرآیندهای شیمیایی اند و میتوان آن ها را در بیشتر واحدهای صنعتی ملاحظه کرد.
تحلیل و طراحی سیستم گرمایشی ساختمان مسکونی با استفاده از ذخیره کننده های حرارتی PCM
۲- دسته بندی انواع مبدل های حرارتی
۱-۲ مقدمه
انتخاب درست مبدل حرارتی نیازمند داشتن دانشی از انواع مبدل های حرارتی و نیز محیطی است که واحد باید در آن کار کند. معمولا در صنعت از چند نوع مختلف مبدل حرارتی برای یک فرآیند یا سیستم خاص استفاده می شود. به عنوان مثال برای خنک کاری روغن ممکن است از مبدل حرارتی پوسته و لوله و یا از مبدل حرارتی پلیتی استفاده کرد. با دانش کافی از انواع مبدل های حرارتی و محیط های کاری، می توان انتخاب مناسبی داشت و فرآیند را بهینه کرد. مبدل های حرارتی را می توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته بندی کرد که ذیلا شرح داده شده است.
۲-۲ بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
۱-۲-۲ مبدل های حرارتی نوع ریکوپراتور
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.
۲-۲-۲ مبدل های حرارتی نوع ریژنراتور
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.
۳-۲-۲ مبدل های حرارتی نوع تماس مستقیم
در این نوع مبدلهای 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 میگیرد. در مبدلهای تماس مستقیم ، جریانها ، دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدلها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. نمونهای از این مبدلها ، برج های خنک کن ، کولرهای آبی و گرمکن های موجود در نیروگاه های بخار میباشند .
۴-۲-۲ مبدل های حرارتی نوع تماس غیر مستقیم
انتقال حرارت بین جریان ها معمولا به صورت غیر مستقیم ۱ انجام می شود، جریان ها به وسیله یک ماده جامد همانند دیواره فلزی لوله، صفحه ها یا ممبران های ۲ پلاستیکی از هم جدا م یشوند و حرارت از سیال اول از میان ماده جامد به سیال دوم می رود. نتیجه انتقال حرارت اغلب شامل افزایش موضعی در دمای سیال سرد و کاهش دمای سیال گرم و گاهی شامل تغییر فاز یک یا هر دو سیال می شود.
۳-۲ 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
ب- مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو
ج -مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم
۴-۲ 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 :
۱- جابجایی یک فاز در هر دو سمت
۲- جابجایی یک فاز در یک سمت ، جابجایی دو فاز در سمت دیگر
۳- جابجایی دو فاز در هر دو سمت
۵-۲ بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل ها
۱-۵-۲ مبدل های لوله ای
مبدل های حرارتی لوله ای می توانند به صورت زیر دسته بندی شوند :
الف- دو لوله ای
پوسته و لوله
لوله ای حلزونی
دانلود متن کامل
تهیه و گردآوری: مهران نصرت الهی، سمیه دولتی، صابره نعمتی تحسین