براي سرد يا گرم کردن يک سيال به وسيله سيالي ديگر بدون استفاده مستقيم از دستگاه هاي مولد سرما يا گرما و همينطور بازيابي گرما و يا سرما از سيالاتي که قبلا” به طريقي به آنها داده شده است از مبدل هاي حرارتي استفاده مي شود .
اجزاء مختلف مبدل ها :
مبدل هاي حرباتي موجود در صنايع و کارخانجات به خصوص صنعت پتروشيمي ، معمولا” از نوع پوسته و لوله (Shell & Tube) مي باشند .از مزاياي اين مبدل ها مي توان به سطح تماس زياد در حجم کم ،طرح مکانيکي خوب و توزيع يکنواخت فشار و راحتي تميز کردن آنها اشاره کرد . مي توان گفت که ساختمان مبدل ها شامل تعدادي لوله است که در داخل يک استوانه قرار مي گيرند ، و دو سيال مورد نظر که يکي سرد و ديگري گرم است ، بدون اينکه بطور مستقيم با يکديگربرخورد کنند از طريق ديواره فلزي لوله ها با يکديگر تبادل حرارت خواهند کرد . به عبارت ديگر يکي از اين دو سيال در لوله ها و ديگري در اطراف لوله ها ، درون پوسته جريان خواهد داشت .
با توجه به توضيح مختصري که داده شد ، اجزاء يک مبدل حرارتي عبارتند از
لوله ها (Tubes) :
جنس ، تعداد ، قطر ، طول و ضخامت لوله ها به طبيعت سيال ( خورنده يا بي اثر ، تميز يا کثيف و … ) مقدار جريان سيال ، فشار و درجه حرارت سيال و بار حرارتي مبدل بستگي دارد . لوله ممکن است به صورت راست ( دو سر باز) يا به شکل U روي صفحه اي به نام Tube Sheet پرس يا جوش داده شوند . لوله ها معمولا” به قطر خارجي اينچ تا 1 اينچ و از جنس فولاد يا مس و گاهي نيز از گرافيت يا تفلون ساخته مي شوند .
پوسته (Shell) :
جنس ، قطر ، ضخامت و حجم پوسته به طبيعت سيال ، مقدار جريان سيال ، فشار و درجه حرارت سيال و مشخصات دسته لوله (Tube Bundle) از نظر قطر و طول آن بستگي دارد . نوع کاربرد نيز تعيين کننده خواهد بود . از جمله پوسته مبدل هاي از نوع تبخير کننده و همينطور جوشاننده داراي فضاي تبخير مي باشند. پوسته ها معمولا” قطري بين تا اينچ دارند .
صفحه لوله (Tube Sheet) :
صفحه اي دايره اي شکل که سر لوله ها روي آن قرار مي گيرد ، جنس و ضخامت و قطر اين صفحه به جنس لوله ها ، تعداد لوله ها و نوع مبدل حرارتي بستگي دارد . لوله ها ممکن است به آن جوش داده شده يا توسط فلانج به آن متصل باشد.
لوله ها عموما” با دو آرايش مربعي يا مثلثي روي صفحه لوله ها نصب مي گردند . در آرايش مربعي کمترين مقاومت در مقابل جريان و در نتيجه حداقل افت فشار به وجود مي آيد . يکي از معايب آرايش مربعي قرار گرفتن نعداد کمتر لوله در يک سطح معين مي باشد . وقتي که آرايش لوله ها مثلثي باشد ، افت فشار جريان پوسته بيشتر از وقتي است ک آرايش مربعي باشد ، اما ميزان انتقال حرارت در آرايش مثلثي بيشتر است .
کانال (Channel) :
جريان سيال به داخل لوله ها از طريق کانال صورت مي کسرد . تعداد يک يا دو کانال در هر مبدل موجود است . در مبدل هاي حرارتي چند گذره (Multipass) از يک صفحه تقسيم کننده جريان استفاده مي شود تا کانال به دو يا چند قسمت تقسيم شود .
تيغه (Baffle) :
تيغه ها به شکل دايره برش خورده يا ديسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته مي شوند . براي افزايش زمان تبادل حرارتي بين لوله ها و سيال درون پوسته از تعداد معين و مناسبي تيغه استفاده مي شود . تيغه ها در داخل پوسته قرار گرفته و لوله ها از ميان سوراخ هاي آنها که به تعداد لوله ها مي باشند عبور مي کنند . اين صفحات دو نقش عمده ديگر نيز به عهده دارند . با ايجاد جريان هاي متقاطع مقاومت فيلمي تشکيل شده روي لوله ها را از بين برده و ضريب انتقال حرارت را بالا مي برند . همينطور لوله ها را نگهداشته و از خم شدن آنها جلوگيري مي کنند .
سر پوسته (Shell Head)
معمولا” به شکل نيمکره ساخته شده و به وسيله پيچ و مهره به پوسته وصل مي شود و در مواقع لزوم براي بازرسي لوله ها برداشته مي شود .
جريان در لوله ها و پوسته :
در پوسته يک گذر، سيال از يک انتهاي مبدل وارد شده و از انتهاي ديگر خارج مي شود . در يک مبدل حرارتي دو گذر لازم است که سيال از يک انتها وارد و از همان انتها خارج شود . در يک مبدل حرارتي دو گذر لازم است که سيال از يک انتها وارد و از همان انتها خارج شود . انتخاب ترتيب جريان در پوسته بستگي به مقدار سدر يا گرم کردن و نيز افت فشار مورد نياز و نوع کار دارد . مثلا” مبدل جوشاننده نوع کتري براي جريان هاي تبخير شونده در پوسته مناسب است .
برا ي جريان در لوله ها از 1 تا 16 گذر ممکن است استفاده شود .در يک مبدل حرارتي که داراي دو گذر است ، سيال در ميان نيمي از لوله ها در يک جهت و در ميان نيمي ديگر از لوله ها در جهت مخالف جريان مي يابد . انجام اين کار نياز به يک صفحه تقسيم کننده در کانال ورودي دارد.
انواع مبدل هاي لوله و پوسته :
مبدل هاي سر ثابت (Fixed Tube Sheet Exchanger) :
در مبدلهاي نوع سر ثابت ، صفحه لوله ها به پوسته جوش يا به وسيله پيچ و مهره محکم شده است ، لذا با تغييرات درجه حرارت جائي براي انبساط لوله و پوسته هر يک به طور جداگانه وجود ندارد. انبساط يا انقباض هر يک از دو جزء فوق به تنهايي ممکن است موجب شکستن و يا خميدگي لوله ها شود ، لذا اختلاف درجه حرارت دو سيال که با هم تبادل حرارت مي کنند نبايد زياد باشد .
براي غلبه بر اين مشکل معمولا” از اتصالات انبساطي (Expansion Joint) روي پوسته مبدل استفاده مي شود . وقتي که لوله و پوسته سرد شوند اتصال انبساطي و لوله ها منقبض مي شوند و کشش وارده بر نقاط جوش خورده کاهش مي يابد . به دليل مشکلاتي که در بازرسي و تميز کردن مبدل هاي سر ثابت وجود دارد عموما” در جايي استفاده مي شوند که احتمال کثيف شدن پوسته محدود باشد .
مبدل هاي سر شناور (Floating Head Heat Exchanger) :
در اين نوع مبدل ، يکي از صفحع لوله ها بين کانال و پوسته پيچ و مهره شده و در وضعيت ثابتي قرار مي گيرد ، اما صفحه لوله ديگر در داخل پوسته به صورت شناور در آمده ، امکان انبساط يا انقباض براي هر يک از دو جزء حامل سيال يعني لوله و پوسته وجود دارد . از اين رو اختلاف درجه حرارت دو سيالي که با هم تبادل حرارت مي کنند هر چند که زياد باشد اشکالي ايجاد نخواهد کرد .
بعد از باز کردن صفحه ثابت ، دسته لوله و سر شناور را مي توان مانند واحد يکپارچه بيرون کشيد . بدين طريق امکان امکان تميز کردن و بازرسي قسمت خارجي لوله ها ميسر مي گردد . ايراد اين مبدل ها فاصله نسبتا” زياد بين پوسته و لوله مي باشد . اين فاصله براي تطبيق دادن صفحه شناور لوله ها با پوسته مي باشد . چون در اين فضا نمي توان لوله اي به کار برد ، اين فضا بلااستفاده مي ماند و بازده اين مبدلها کاهش مي يابد .
مبدل با لوله هاي U شکل (U – Tube Exchanger) :
يان نوع مبدل حرارتي شامل فقط يک کانال و يک صفحه لوله مي باشد. از اين رو ورودي و خروجي لوله ها از طريق يک کانال که به دو قسمت تقسيم شده است ، صورت مي گيرد . همانطور که از نام اين مبدل حرارتي پيدا است لوله ها به شکل حرف لاتين U ساخته مي شوند . با باز کردن پيچ و مهره ها ، کانال از پوسته جدا مي شود و صفحه لوله ها و دسته لوله ها را مي توان از پوسته خارج نمود به طوري که امکان تميز کردن و بازرسي قسمت داخلي لوله ها مي باشد . از طرفي نمي توان جريان هاي حاوي مواد جامد (کثيف) را به خاطر ايجاد ساييدگي در خم موجود در لوله ها استفاده کرد . اين مبدل ها براي سيالاتي به کار مي روند که اختلاف درجه حرارت زيادي داشته باشند ، زيرا انتهاي U شکل لوله ها ، امکان انبساط و انقباض را تا حد زيادي به وجود مي آورند .
تشخيص نوع و اندازه مبدل هاي پوسته و لوله :
اندازه نبدل با توجه به کد TEMA با قطر پوسته و طول لوله ها بر حسب اينچ مشخص مي شود ، مبدل با اندازه 192 – 23 داري قطر 23 و طول لوله ها 192 اينچ مي باشد . با توجه به نوع سر ثابت (Stationary Head) نوع پوسته (Shell Type) و نوع سر انتهايي (Rear Head) نيز نوع مبدل توسط سه حرف لاتين مشخص مي شود . مثلا” مبدلي با اندازه 192 – 17 نوع AES داراي پوسته اي به قطر 17 اينچ مي باشد . اين مبدل داراي يک کانال و يک سرپوش قابل جدا کردن مي باشد و داراي پوسته اي با يک گذر و داراي سر شناور با دو نيم حلقه مي باشد .
مبدل هاي دو لوله اي (Double Pipe Heat Exchanger) :
اين مبدل حرارتي از دو لوله هم مرکز ساخته شده که يکي کوچکتر از ديگري مي باشد. يکي از جريانات از داخل لوله کوچکتر و ديگري از بين دو لوله عبور مي کند . گاهي اوقات براي ازدياد سطح تماس و تبادل حرارتي بهتر سطح خارجي لوله داخلي با پره هاي (Fins) طولي پوشيده شده مي شود . اين مبدل ها براي بار حرارتي زياد مناسب نيستند .
کولر يا خنک کننده هوايي (Fin Fan or Air Cooler ) :
کولر هاي هوايي براي خنک کردن سيالاتي چون گاز ، مايعات نفتي ، آب و نيز مايع کردن بخارات در صنايع به کار مي روند . کولرهاي هوايي به اشکال مختلف ساخته مي شوند که در زير شرح مختصري در مورد هر يک داده خواهد شد :
- کوار هاي هوايي با پنکه مکنده (Induced Draft) ، فن بالاي کولر قرار مي گيرد .
- کوار هاي هوايي با پنکه دمنده (Forced Draft) ، فن پايين کولر قرار مي گيرد .
- کولر هاي هوايي با جريان طبيعي هوا (Natural Draft) ، بدون استفاده از فن ، عمل خنک کردن سيالات را توسط جريان طبيعي هوا انجام مي دهد .
- کولر هاي هوايي با استفاده از هواي مرطوب (Humidity Air Cooler) ، علاوه بر داشتن فن ، در زير آن حوضچه اي پرآب قرار دارد که هواي مورد نياز را مرطوب مي کند . در اين حالت عمل خنک کردن بهتر صورت مي گيرد .
ساختمان هر چهار نوع مبدل حرارتي فوق از تعداد زيادي لوله هاي افقي که در داخل آنها سيالي جريان دارد تشکيل مي شود .سطح خارجي لوله ها توسط پره هاي (Fins )عرضي پوشيده شده و در ارتفاعي بالاتر از سطح زمين نصب مي گردد .
کاربرد هر يک از مبدل هاي حرارتي :
به طورکلي هريک ازمبدل هاي حرارتي يابراي گرمايش يا سرمايش جريان استفاده مي شوند .
مبدل هاي حرارتي سرد کننده :
خنک کننده (Cooler)
در اين نوع مبدل درجه حرارت بدون اينکه حالت سيال عوض شود کاهش مي يابد . به عبارت ديگر قسمتي از گرماي محسوس سيال گرفته مي شود . اگر عمل سرد کردن توسط آب صورت گيرد به آن کولر آبي (Water Cooler) مي گويند و داراي ساختمان معمولي مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله مي باشد .
چگالنده (Condenser)
وظيفه اين مبدل تبديل بخار به مايع است و بر اين اساس لازم است که گرماي نهان تبخير يک بخار را جذب تا به مايع تبديل شود . اين مبدل مي تواند ساختمان يکي از انواع خنک کننده هاي آبي يا هوايي را داشته باشد و معمولا” به طور افقي نصب مي شوند .
سرد کننده (Chiller)
مي دانيم هر مايعي که بخواهيم تبخير شود احتياج به انرژي حرارتي دارد و اگر اين انرژي را از محيط بگيرد به ناچار محيط سرد خواهد شد ، در صنايع نفت براي توليد سرما از مايعات نفتي مثل پروپان و بوتان که در شرايط متعارفي بخارند استفاده مي شود .
سرد کننده داراي ساختمان پوسته و لوله بوده و در قسمت فوقاني پوسته داراي فضايي جهت تبخير پروپان مي باشد. مايع پروپان از ته مبدل وارد و در اطراف لوله ها تبخير و توليد سرما مي کند .
مبدل هاي گرم کننده:
جوشاننده (Reboiler)
اين مبدل بر خلاف تبخير کننده (Vaporizer) ، تنها جزئي از کل مايع را که مورد نظر مي باشد به حالت بخار تبديل مي کند . جوشاننده ها معمولا” داراي ساختمان لوله و پوسته و به قسمت پايين برج تفکيک متصل مي شود .
جوشاننده نوع سيفوني (Thermosyphon) :
معمولا” به طور عمودي در کنار برج نصب مي شود . جريان مايع از ته برج به لوله ها بر اساس خاصيت سيفوني برقرار مي شود . به اين ترتيب که تبخير جزئي از مايع داخل لوله بر اساس خاصيت سيفوني بر قرار مي شود . به اين ترتيب که تبخير جزئي از مايع داخل لوله توسط سيال گرم باعث مي شود که سطح مايع در نبدل حرارتي نسبت به برج پايين تر رفته و به وجود آمدن اين اختلاف سطح موجب جريان مايع از برج به مبدل حرارتي خواهد شد .