انواع مبدل های حرارتی و رسوب زدایی آنها
معرفی مبدل های حرارتی و انواع آن
مبدل حرارتی (heat exchanger) جز تجهیزاتی 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.
مبدل های حرارتی با اینکه کوچک و بی اهمیت بنظر می رسند بر سود آوری و اقتصادی شدن فرآیند تولید تاثیر بسزایی دارند زیرا میزان مصرف انرژی که از طریق سوخت تامین می شود و درصد بالایی از هزینه یک کارخانه را تشکیت می دهد مستقیما به بازده و عملکرد سیستم های حرارتی یک واحد بستگی خواهد داشت.
به همین دلیل با پیشرفت تکنولوژی،روشهای جدیدی برای حداقل کردن میزان انرژی مصرفی در کارخانجات ابداع گردیده است که هنگام طراحی یک کارخانه باید در نظر گرفته شود.
در مبدل‌های حرارتی معمولاً دو سیال بدون تماس جرمی با یکدیگر تبادل حرارت میکنند. سیال سرد تر در تماس با سیال گرم انرژی حرارتی گرفته و دمای آن بالا می‌رود و در عوض سیال گرم تر با از دست دادن حرارت، سرد می‌شود. این تبادل بر اساس اصول ابتدایی انتقال حرارت یعنی رسانش گرمایی و همرفت قابل توصیف است. در مبدل‌ها در حالت ایده‌آل و بدون در نظر گرفتن پرت انرژی، مقدار گرمایی که سیال گرم از دست می‌دهد و مقدار گرمایی که سیال سرد می‌گیرد برابر بوده و طبق رابطه بنیادی زیر برای هر سیال قابل محاسبه است.
انواع مبدل های حرارتی بر حسب ساختمان
مبدل های حرارتی پوسته و لوله
نوع متداول دیگر مبدل گرمایی پوسته-لوله‌ای (shell & tube heat exchangers) است بر حسب تعداد پاس های پوسته و لوله، این مبدل ها انواع مختلفی دارند و ساده ترین آنها که دارای یک پاس پوسته و یک پاس لوله است در شکل نشان داده شده است. معمولاَ دیوارک هایی نصب می شوند تا با ایجاد تلاطم و ایجاد مؤلفه سرعت عرضی در جریان ضریب جابجایی سیال در سمت پوسته افزایش یابد. مبدل های گرمایی دیوارک دار معمولا با یک پاس پوسته و دو پاس لوله و دو پاس پوسته و چهار پاس لوله تولید می شوند.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای بافل (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 ما بین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود، موازی با لوله ها، جهت می یابد.
اهداف اصلی طراحی، در این مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها، تمیز کردن آسان مجموعه، و در صورت با اهمیت نبودن سایر جنبه‌ها، کم هزینه ترین روش ساخت و تولید آنهاست.
در مبدل های پوسته و لوله با صفحه لوله های ثابت، پوسته، به صفحه لوله، جوش شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج از دسته لوله، برای تمیزکاری وجود ندارد. این انتخاب کم هزینه و دارای انبساط گرمایی محدود است.
مبدل های پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است، زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند، نمی توانند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این مبدل‌ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.
چندین طرح ایجاد شده اند که به صفحه لوله امکان می‌دهند تا شناور باشد (یعنی بتواند با انبساط گرمایی، حرکت کند). نوعی کلاسیک از طراحی سر شناور در شکل نشان داده شده است که بیرون کشیدن دسته لوله ها را از پوسته با حداقل جداسازی قطعات، ممکن می سازد. به این نوع مبدل ها برای واحدهایی با تشکیل زیاد رسوب، نیاز می باشد. هزینه این مبدل ها زیاد است.
آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و سمت لوله، بسته به وظیفه گرمایی (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 در مبدل های پوسته و لوله برای افزایش ضریب انتقال گرما در سمت پوسته و برای نگه داشتن لوله ها استفاده می گردند.
مزایای مبدل های پوسته و لوله را می شود به شرح زیر نام برد:
۱- در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.
۲- طراحی مکانیکی خوبی دارند.
۳- روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.
۴- قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.
۵- به راحتی تمیز می شوند.
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای
مبدل حرارتی صفحه‌ای اساساً با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شد و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدل‌ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدل‌های لوله‌ای) پیشی بگیرد. به دلیل تنوع بسیار زیاد محدوده‌های طراحی این نوع مبدل‌ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکت‌های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمی‌کنند.
مبدل‌های صفحه‌ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحه نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا میکنند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی چیدمان شده‌اند که دو سیال عامل به صورت یک در میان میان صفحات جریان دارند. طراحی و واشربندی بهینه این امکان را فراهم میکند که مجموعه‌ای از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه‌ای مناسب را بدهند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای معمولاً در جریان سیالاتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می‌شوند. از آنجا که کانال‌های جریان کاملاً کوچک هستند جریان قوی گردابه‌ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها میگردد؛ به علاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می‌شود. واشرها از نشتی سیال به بیرون از مبدل جلوگیری میکنند و سیال‌ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می‌نمایند. شکل جریان عموماً به نحوی انتخاب می‌شود که جریان سیال‌ها خلاف جهت یکدیگر باشند.
مبدل های صفحه ای حلزونی یا مارپیچ
مبدل های صفحه ای حلزونی یا مارپیچ
صفحه ای حلزونی با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شود. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این نوع مبدل های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعا گران قیمت تمام می شوند. سطح انتقال حرارت برای این مبدل ها درمحدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشارکارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد می باشد. این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می شود. چون این مبدل ها توانایی زیادی در خود تمیز کنی و کم کردن رسوب گیری دارند.
از معایب و مزایای این نوع از مبدل‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
معایب:
۱- به دلیل کوچک بودن لوله مارپیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است
۲- به دلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن آنها عملا مشکل است
مزایا:
۱- راندمان بالا
۲- مونتاژ آسان
۳- مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
۴- مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
مبدل های حرارتی هوا خنک
کولر های هوایی، مبدل هایی هستند که در آنها سیال فرآیندی با جریان هوا خنک می‌شود. در این مبدل ها بخارات گرم درون مجموعه ای از لوله ها که به صورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود. جداره خارجی لوله ها به پره مجهز شده است تا سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک افزایش یابد.
این مبدل ها از نظر شکل جریان، از نوع متقاطع می باشند که جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله ها به وسیله یک فن تامین می شود . اگر این فن بالای لوله ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله ها قرار گیرد به آن دمشی گویند . نوع مکشی به علت ایجاد توزیع یکنواخت جریان هوا بازدهی بیشتری دارد. در نوع مکشی اگر موتور گرداننده نیز به همراه فن در بالای لوله ها قرار گیرد به علت قرار گرفتن در معرض هوای گرم زودتر مستهلک می شود. برای رفع این مشکل می توان نیرو را با استفاده از شفت به فن انتقال داد و موتور را در محل مناسب تری قرار داد.
رسوب زدایی مبدل ها
انواع مبدل های حرارتی به دلیل وجود جریان آب در مسیرها جهت تبادل حرارت و دما دچار رسوب گذاری می شوند . در ازای هر میلیمتر رسوب که سطح مقطع لوله را در برگیرد اتلاف انرژی حاصل میگردد به این دلیل که رسوبات آهکی حکم عایق را ایفا میکنند به همین دلیل جهت انتقال حرارت به آب نیاز به افزایش حرارت داریم.
رسوبات آهکی که اغلب در مبدل ها ایجاد می شوند ترکیبات کربنات کلسیم و کربنات منیزیم می باشد که به صورا کلسیت و مگنسیت در آب وجود دارند ، وقتی آب از دمای 40 درجه عبور می کند رسوب گذاری مخصوصا در سر بندها و زانوها آغاز می گردد. رسوبات به صورت کریستالی ایجاد شده تا به مرور کل مسیر را مسدود میکند و سبب خسارات جبران ناپذیری خواهد شد.
شرکت کیمیا آبنوش تولید کننده ضد رسوب های مغناطیسی دارای رزومه ی درخشان در صنایع بزرگ و کوچک بوده که دارای گواهی رضایت از مشتری و همچنین تاییدیه اروپا می باشد.
با نصب دستگاه ضد رسوب مغناطیسی شرکت کیمیا آبنوش بر روی لوله ورودی آب به مبدل ها بدون نیاز به مواد شیمیایی از ایجاد رسوب در تاسیسات از جمله مبدل ها پیشگیری نمایید.