انواع مبدل حرارتی موتورخانه : مقدمه‌ای بر همه موارد ضروری در مورد مشخصات

در اینجا مقاله ای در مورد انواع مبدل های حرارتی آورده شده است. در این مقاله قصد داریم شما را با دسته بندی ها و زیرشاخه های اصلی مبدل های حرارتی آشنا کنیم. برای این کار بهتر است بدانید مبدل حرارتی چگونه است و چگونه ساخته شده و چگونه کار می کند. بنابراین، برای شروع، ما به طور کلی به این سوال پاسخ می دهیم که مبدل حرارتی چیست؟ در قسمت های بعدی نحوه ساخت مبدل حرارتی و عملکرد آن را خواهیم دید. مقالات زیادی در اینترنت با اطلاعات فراوان وجود دارد. برخی از آنها جامع و برخی دیگر جامع نیستند. لینکیپ سعی کرد تمام اطلاعات لازم و در دسترس در مورد این موضوع را برای شما جمع آوری کند و به زبانی ساده بازگو کند تا شما را از سرگردانی در حجم گسترده مطالب گیج کننده بی نیاز کند.

مبدل حرارتی چیست؟

برای درک بهتر انواع مبدل های حرارتی بهتر است ابتدا با چیستی آنها آشنا شویم.

مبدل‌های حرارتی ماشین‌هایی هستند که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال مانند مایعات، بخارات یا گازها با دماهای مختلف تولید می‌شوند. فرآیند انتقال حرارت بر اساس نوع مبدل حرارتی می تواند گاز به گاز، مایع به گاز یا مایع به مایع باشد. این تبادل از طریق یک جداکننده جامد انجام می شود که از تماس مستقیم این سیالات جلوگیری می کند.

مناسب بودن و سازگاری سیال با مبدل حرارتی به نوع مبدل حرارتی مورد استفاده و مواد به کار رفته در ساخت مبدل بستگی دارد. برخی از مبدل های حرارتی استاندارد برای اکثر سیالات از جمله روغن، آب و حتی آب دریا مناسب هستند. برای برخی از سیالات خورنده مانند آب نمک کلردار، مبردها و اسیدها، نیاز به مواد دیگری مانند فولاد ضد زنگ و تیتانیوم وجود دارد.

سایر ویژگی ها از جمله مصالح ساختمانی، اجزاء، قطعات، مکانیزم متفاوت برای انتقال حرارت و غیره به دسته بندی و طبقه بندی انواع مبدل های حرارتی کمک می کند. این ویژگی‌ها همچنین به ما کمک می‌کنند تا بفهمیم کدام یک با کاربردهای معین در طیف وسیعی از صنایع و کاربردهای عمومی سازگارتر است.

در قسمت بعدی در مورد نحوه عملکرد مبدل حرارتی صحبت خواهیم کرد. اصل کار تقریباً همه مبدل های حرارتی یکسان است. با این حال، هدف از توصیف عملکرد کلی مبدل های حرارتی این است که شما را بهتر با این واقعیت آشنا کنیم که با وجود طراحی های متفاوت، همه آنها یک کار را انجام می دهند.

چگونه کار می کند؟

همانطور که قبلا اشاره کردیم، مبدل های حرارتی انواع مختلفی دارند و تنها کاری که انجام می دهند انتقال و جابجایی گرما در فرآیندها و موقعیت های مختلف از جمله گرمایش فضا، برودت و سرمایش، نیروگاه ها، کارخانه های شیمیایی و سایر فرآیندها است. اما این ماشین ها چگونه کار می کنند؟

مبدل های حرارتی با انتقال گرما از مکانی به مکان دیگر کار می کنند. احتراق حاصل از سوختن گاز طبیعی یا سوخت پروپان در کوره وارد مبدل حرارتی شده و از آن عبور می کند. همانطور که گاز راه خود را به خروجی اگزوز کوره می رساند، گاز داغ دودکش فلز را گرم می کند. فلز داغ هوای در حال گردش در قسمت بیرونی مبدل حرارتی را گرم می کند. توجه داشته باشید که این تنها یکی از روش های تبادل حرارت است که در انواع مختلف مبدل های حرارتی اتفاق می افتد، اما تقریباً در همه انواع ماشین های انتقال حرارت این موضوع کاملاً مشخص است.

قطعات و مواد مبدل حرارتی

در بخش قبل، نحوه عملکرد یک مبدل حرارتی را توضیح دادیم. و همچنین اشاره کردیم که در ساخت مبدل حرارتی از مواد و اجزای مختلفی استفاده شده است. در این قسمت قصد داریم شما را با این مواد و قطعات بیشتر آشنا کنیم.

انواع مختلفی از مواد وجود دارد که می توان از آنها برای ساخت مبدل های حرارتی استفاده کرد. اجزا و مواد مورد استفاده بستگی به نوع مبدل حرارتی مورد نیاز ما دارد و برای چه هدف یا اهدافی به مبدل حرارتی نیاز داریم.

پوسته‌ها، لوله‌ها، سیم‌پیچ‌ها، صفحات، باله‌ها و چرخ‌های آدیاباتیک برخی از رایج‌ترین اجزای مورد استفاده برای ساخت مبدل‌های حرارتی هستند.

در حالی که فلزات مقاومت بالایی دارند و به دلیل رسانایی حرارتی بالا معمولاً در ساخت مبدل های حرارتی استفاده می شوند، مانند مبدل های حرارتی مس، تیتانیوم و فولاد ضد زنگ، مواد دیگر مانند گرافیت، سرامیک، کامپوزیت ها یا پلاستیک ها ، ممکن است بسته به الزامات کاربرد انتقال حرارت مزایای بیشتری ارائه دهد.

انواع مبدل های حرارتی چیست؟

در نهایت پس از آشنایی با کلیت مبدل های حرارتی و نحوه عملکرد آنها و آشنایی با اجزا و مواد به کار رفته در آنها به موضوع اصلی این مقاله که آشنایی با انواع مبدل های حرارتی می باشد می رسیم.

این ماشین‌ها معمولاً بر اساس جریان و نوع ساخت طبقه‌بندی می‌شوند. ساده ترین مبدل های حرارتی آنهایی هستند که سیالات سرد و گرم در جهات یکسان، مخالف یا عمود بر آن جریان دارند. این نوع مبدل‌های حرارتی از دو لوله متحدالمرکز با قطرهای مختلف تشکیل شده‌اند که به ترتیب جریان موازی، جریان مخالف و ترتیب جریان متقاطع هستند.

• چیدمان جریان موازی: در نوع مبدل های حرارتی جریان موازی، سیالات سرد و گرم در یک انتها وارد می شوند، در یک جهت حرکت می کنند و در یک انتها خارج می شوند.
• چیدمان ضد جریان: در نوع مبدل های حرارتی ضد جریان، بر خلاف آرایش جریان موازی، سیالات در انتهای مخالف وارد شده، در جهت مخالف حرکت می کنند و در انتهای مخالف خارج می شوند.
• جریان متقاطع: سیالات همچنین می توانند در جهات عمود بر هم جریان داشته باشند که به آرایش جریان متقاطع معروف است. دو نوع اصلی لوله‌ای پره‌دار و لوله‌ای بدون پره هستند. با یک مبدل حرارتی لوله‌دار پره‌دار، هر دو سیال مخلوط نمی‌شوند، یکی از باله‌ها در جهتی عرضی نسبت به جهت جریان لوله هدایت می‌شود. در مبدل بدون پره گرما را می توان در همه جهات مبادله کرد و سیال می تواند مخلوط شود.

با مقایسه این دو نوع مبدل حرارتی، دریافتیم که گرمای بیشتری در یک آرایش ضد جریان نسبت به مبدل حرارتی جریان موازی منتقل می شود. علاوه بر این، پروفیل های دمایی دو مبدل حرارتی نشان دهنده دو عیب عمده در طراحی جریان موازی است:

اختلاف دما بین دو انتها باعث ایجاد تنش های حرارتی زیادی می شود.

دمای سیال سرد خروجی از مبدل حرارتی هرگز از کمترین دمای سیال داغ تجاوز نمی کند.

با این حال، طراحی یک مبدل حرارتی جریان موازی در صورتی مفید است که دو سیال به دمای تقریباً یکسانی برسند.

سطح انتقال حرارت در مبدل های حرارتی را می توان به چندین شکل مرتب کرد. بر اساس سطح انتقال حرارت در مبدل های حرارتی، بنابراین آنها را به عنوان مبدل های حرارتی دو لوله، مبدل های حرارتی پوسته و لوله و مبدل های حرارتی صفحه ای نیز دسته بندی می کنند.

• مبدل های حرارتی دو لوله : یکی از ارزان ترین مبدل های حرارتی از نظر طراحی و نگهداری، مبدل های حرارتی دو لوله است که آنها را به گزینه ای مناسب برای صنایع کوچک تبدیل می کند. فرآیند تبادل گرما در این مبدل ها به این صورت است که یک سیال در داخل لوله جریان دارد و سیال دیگر در خارج حرکت می کند. اگرچه این نوع مبدل های حرارتی از نظر طراحی و نگهداری ساده و ارزان هستند، اما راندمان پایین آنها در کنار فضای زیاد اشغال شده در مقیاس های بزرگ باعث شده است تا صنایع مدرن از مبدل های حرارتی کارآمدتری مانند پوسته و لوله استفاده کنند.
• مبدل های حرارتی پوسته و لوله: این نوع مبدل‌ها با تغییرات ساختمانی مختلف احتمالاً رایج‌ترین و پرکاربردترین مبدل حرارتی در صنعت هستند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله بر اساس تعداد گذرهای پوسته و لوله درگیر طبقه بندی می شوند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله با فشار بیشتر از 30 بار و دمای بیش از 260 درجه سانتیگراد معمولاً برای کاربردهای فشار بالا استفاده می شوند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله به لطف شکل خود می توانند فشارهای بالایی را تحمل کنند. این نوع مبدل دارای چند لوله سوراخ کوچک است که بین دو صفحه لوله نصب شده است که سیال اولیه از طریق این لوله ها حرکت می کند. بسته نرم افزاری لوله در داخل یک پوسته قرار می گیرد و مایع ثانویه از طریق پوسته و روی سطح لوله ها حرکت می کند. این طرح به طور گسترده در مهندسی هسته ای به عنوان مولد بخار استفاده می شود. سطح تبادل حرارت به حداکثر می رسد تا مقدار گرمای منتقل شده و توان تولیدی افزایش یابد. برای به حداکثر رساندن سطح، این طرح از لوله ها بهره می برد.
• مبدل های حرارتی صفحه ای : در این نوع مبدل ها از صفحات فلزی برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می شود. مبدل های حرارتی با استفاده از هوا یا گاز و همچنین جریان سیال با سرعت پایین تر از این نوع آرایش استفاده می کنند. نمونه کلاسیک مبدل های حرارتی از این نوع در موتور احتراق داخلی یافت می شود که در آن یک خنک کننده موتور از طریق سیم پیچ های رادیاتور جریان می یابد و هوا از کنار سیم پیچ ها عبور می کند که خنک کننده خنک کننده و هوای ورودی را گرم می کند. همانطور که ما مبدل حرارتی صفحه ای را با مبدل های پوسته و لوله مقایسه کردیم، آرایش صفحه انباشته معمولا حجم و هزینه کمتری دارد. تفاوت دیگر بین این دو این است که مبدل های صفحه ای معمولاً سیالات فشار کم تا متوسط ​​را در مقایسه با فشارهای متوسط ​​و زیاد پوسته و وان ارائه می دهند.

• مبدل های حرارتی سطح خراشیده شده: برخی از کاربردها نیاز به انتقال حرارت به محصولات بسیار چسبناک یا چسبناک دارند. در این کاربردها، مبدل‌های حرارتی سطح خراشیده شده بهترین روش برای انتقال حرارت موثر به دلیل تیغه‌های خراش‌دهنده هستند که از نشستن محصول بر روی سطوح داخلی جلوگیری می‌کنند. محصول وارد یک سیلندر در پایین لوله سطح خراشیده می شود. سیالات گرمایش یا خنک کننده در یک جریان مخالف در سیلندر اطراف کانال محصول حرکت می کنند. تیغه های داخل کانال محصول محصول را از دیواره کانال جدا می کند تا از انتقال حرارت یکنواخت به محصول اطمینان حاصل شود. تیغه های خراش دهنده از مواد مختلفی ساخته شده اند تا نیازهای مختلف پردازش را برآورده کنند و به طور خاص برای رسیدگی ملایم محصول طراحی شده اند تا کیفیت و قوام محصول را به خطر نیندازند. مبدل های سطح خراشیده را می توان به صورت عمودی یا افقی نصب کرد. داخل، یک موتور الکتریکی یک روتور مجهز به تیغه های خراش دهنده را می چرخاند. برای جلوگیری از آسیب به محصول، روتورها می چرخند و حرکت را از طریق مبدل حرارتی در همان جهت انجام می دهند و محصول از پایین وارد و از بالا خارج می شود. سطح گرمایش به سطح بالایی بر روی سطح داخلی پرداخت می شود.

• مبدل حرارتی صفحه فرورفتگی/صفحه سیم پیچ: اگرچه سهم بازار آن بسیار کمتر از دو دسته قبلی است، فناوری صفحه/صفحه کویل گودی بهترین راه حل برای کاربردهایی است که یکی از سیالات حرکت نمی کند. همچنین در کاربردهای مقاوم سازی، مانند بازیابی گرمای هدر رفته که در طرح های اولیه در نظر گرفته نشده است، مفید است. به طور کلی، این گزینه خوبی برای گرمایش غیرفعال یا خنک کردن مخزن ذخیره سازی (مانند مخزن آبجو یا مخزن لبنیات روشن) است که در غیر این صورت تبرید یا گرمایش گران است. فرضیه بسیار ساده است – دو ورق فولادی به صورت نقطه ای به هم جوش داده می شوند، سپس باد می شوند تا کانال هایی بین صفحات برای جریان سیال ایجاد شود. با توجه به سادگی و مواد ارزان قیمت، فناوری صفحه/فیلم کویل گودی به طور کلی می تواند برای هر کاربرد خاصی سفارشی شود. رایج ترین کاربرد ژاکت های مخزن برای مخازن آبجو و لبنیات است. اما بخش‌هایی از صفحه فرورفتگی را نیز می‌توان برش داد تا در داخل یک مخزن قرار گیرد و برای انتقال حرارت کارآمد در مایع ذخیره‌شده غوطه‌ور شود. سیم پیچ صفحه/صفحه گودی بهترین هر دو نوع مبدل حرارتی فوق را ارائه می دهد – ارزان، قابل تنظیم و جمع و جور است، اما به دلیل طراحی و مواد می تواند فشارها و دماهای فوق العاده بالایی را تحمل کند. همچنین می توان آن را به عنوان یک فکر بعدی به بسیاری از فرآیندهای صنعتی اضافه کرد، به ویژه برای کاهش هزینه های انرژی یا مطابقت با مقررات زیست محیطی.
• هوا خنک : مبدل‌های حرارتی خنک‌شونده با هوا معمولاً در وسایل نقلیه یا سایر برنامه‌های تلفن همراه استفاده می‌شوند که در آن منبع آب خنک دائمی در دسترس نیست. هوای خنک یا توسط یک فن یا با جریان هوای ناشی از حرکت وسیله نقلیه تامین می شود.

چگونه یک مبدل حرارتی را کارآمدتر کنیم؟

راندمان مبدل حرارتی را می توان به روش های مختلفی تعریف کرد، از نظر عملکرد حرارتی چندین عامل کلیدی وجود دارد که در زیر ذکر شده است:

1. تفاوت دما : تفاوت بین سیال داغ و خنک کننده هنگام طراحی مبدل حرارتی بسیار مهم است. دمای مایع خنک کننده همیشه باید کمتر از سیال داغ باشد. دمای پایین‌تر خنک‌کننده، گرمای بیشتری را از سیال داغ خارج می‌کند تا دمای خنک‌کننده گرم‌تر. برای مثال، اگر یک لیوان آب آشامیدنی در دمای اتاق می‌نوشیدید، خنک کردن آن با استفاده از یخ به جای آب خنک بسیار مؤثرتر است، همین اصل در مورد مبدل‌های حرارتی نیز صدق می‌کند.
2. سرعت جریان: عامل مهم دیگر جریان سیالات در هر دو سمت اولیه و ثانویه مبدل حرارتی است. دبی بیشتر توانایی مبدل را برای انتقال گرما افزایش می دهد، اما دبی بیشتر به معنای جرم بیشتر نیز می باشد که می تواند حذف انرژی و همچنین افزایش سرعت و افت فشار را دشوارتر کند.
3. نصب: مبدل حرارتی باید همیشه بر اساس دستورالعمل سازنده نصب شود. به طور کلی، کارآمدترین راه برای نصب مبدل حرارتی این است که سیالات در یک آرایش مخالف جریان داشته باشند (بنابراین اگر مایع خنک کننده از چپ به راست حرکت کند، سیال داغ از راست به چپ حرکت می کند) و برای مبدل های حرارتی پوسته و لوله مایع خنک کننده باید در پایین ترین موقعیت ورودی (همانطور که در نمودارهای بالا نشان داده شده است) وارد شود تا اطمینان حاصل شود که مبدل حرارتی همیشه پر از آب است. برای مبدل های حرارتی با هوا خنک، مهم است که هنگام نصب کولر جریان هوا را در نظر بگیرید، هر بخشی از هسته که مسدود شود ظرفیت خنک کننده را به خطر می اندازد.

برنامه های کاربردی

اگر بخواهیم کاربرد هر یک از این سه نوع مبدل حرارتی را به اختصار بیان کنیم، باید بگوییم که مبدل های حرارتی دو لوله ای برای فرآیندهای خنک کننده صنعتی و نیازمندی های منطقه انتقال حرارت کوچک مناسب هستند در حالی که مبدل های حرارتی فروش و لوله در پالایش نفت استفاده می شوند. پیش گرمایش، فرآیندهای خنک کننده روغن و به عنوان مولد بخار، دیگ بخار در سیستم های بازیابی حرارت و بازیابی بخار. از سوی دیگر، مبدل های حرارتی صفحه ای معمولاً در فرآوری مواد غذایی و شیمیایی و کوره ها استفاده می شوند.

نتیجه

در این مقاله سعی کردیم اطلاعات ضروری و جامعی در مورد انواع مبدل های حرارتی در اختیار شما قرار دهیم. ما در مورد طراحی و ساخت انواع مبدل های حرارتی هوا، کارهایی که انجام می دهند و اساساً برای چه هدفی طراحی شده اند صحبت کردیم. علاوه بر این، برای درک بهتر، برخی از اطلاعات اولیه در مورد چیستی مبدل حرارتی آورده ایم . برای هر نوع مبدل حرارتی، مزایا و معایبی را برای شما که قصد خرید آن را دارید، آورده ایم. ما آنها را با یکدیگر مقایسه کردیم تا نقاط قوت و ضعف آنها را به شما نشان دهیم.

اگر تجربه ای از استفاده از انواع مبدل های حرارتی دارید، بسیار خوشحال می شویم که نظر خود را در نظرات بیان کنیم. ضمناً اگر سوالی در مورد این موضوع دارید و همچنان ابهاماتی در مورد این دستگاه در ذهن دارید می توانید در وب سایت ما ثبت نام کنید و منتظر پاسخ کارشناسان ما در لینکیپ باشید. امیدواریم از خواندن این مقاله لذت برده باشید.