تحقیق مقاله مبدل های حرارتی دسته بندی و ساختمان آن ها

مبدلهای  دو لوله ای [1]

مبدلهای  لوله مارپیچی

 مبدلهای  لوله پوسته ای

مبدلهای  دو لوله ای

 که به صورت U شکل ساخته می شود یکی ازدو سیال  درلوله داخلی ودیگری  درمجرای حلقوی بین دو لوله جریان دارند.

لوله های هم محور به صورت  مستقیم  ساخته شده اند وبوسیله زانوی c ْ180 در یک  انتها به هم  متصل می شوند مبدلهای  حرارتی دولوله ای درمواقعی که  سطح تبادل حرارت  مورد نیاز کوچک باشد وبخصوص موقعی که یکی  از دوسیال  گازمایع لزج ویا دبی آن کم باشد کاربرد دارند. این مبدلها  برای مواردی که سطح تبادل حرارت مورد نیاز  از 50  متر مربع کوچکتر است مناسب  است .

مبدل حرارتی به منظور انتقال انرژی  حرارتی  بین دو سیال  در دماهای مختلف بکار می رود .مبدلهای  حرارتی  در سیستمهای  تبرید، تهویه مطبوع ، پالایشگاهها، اتومبیلها ،صنایع  تولید ،نیروگاهها، بازیابی حرارت و بسیاری موارد دیگر بکار  میرود.

مبدلهای لوله  مارپیچی

از یک یا چندحلقه  لوله مارپیچ  تشکیل  شده اند که داخل  یک محفظه  قرارمی گیرند .

ابتدا وانتها لوله های مارپیچ به لوله های اصلی  ورودی و خروجی  متصل می شوند.

جنس لوله های مارپیچ معمولاً فولاد کربن دار ، مس و آلیاژهای آن ، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل می باشد .

اگرسیالات لزج باشند از لوله های  پره دار نیز استفاده می شوند.

این نوع مبدلها برای سطح  تبادل حرارتی کمتر از m230وفشار های کمتر از 40  اتمسفرمناسب هستند .

مبدلهای  لوله پوسته ای

از متداولترین نوع مبدلهای ،مبدلهای لوله پوسته ای است که برای انتقال حرارت  مایع –مایع، مایع – سیال درحالت تبخیر و مایع –سیال درحالت تقطیر بکارمیروند.

این مبدل ازیک پوسته وتعدادی لوله U شکل  با پره های طولی در داخل آن تشکیل شده  است وسیال سمت  پوسته در امتداد وموازی  لوله ها جریان دارد .

لوله های مبدل

 هر مبدل لوله پوسته ای  از تعداد زیادی  لوله  تشکیل  شده است که یک سیال  در  داخل وسیال  دیگر درخارج  آن جریان دارد . لوله ها اجزای  اساسی ومهم  مبدلها  می باشند ،وسطح  انتقال  حرارت  بین سیال جاری  در درون  لوله ها وسیال خارج آنرا تشکیل می دهند .

لوله ها معمولاً  از نوع  بدون درز کششی  یا اکسیژن  تولید می شوند ولی اخیراً نوع درزدار (جوشکاری شده)  نیز متداول شده است و جنس  آن به نوع  سیال  بستگی داردو معمولاًاز فلزات، آلیاژهای  فلزی و یا موادغیر فلزی  مانند پلاستیک ها است .

اگر  ضریب  انتقال حرارت  جابجایی سمت  پوسته  کم باشد  از لوله های فین دار استفاده می شود.

قطر خارجی  لوله ها  استاندارد ( ، ،1،1، 1)اینچ می باشد .

 ضخامت  دیواره  لوله ها در واحدB.W.G[2] اندازه  گیری  می شود.

اصول  کلی در طراحی مبدلهای حرارتی 

اولین مرحله  درطراحی  مشخصات و فرضیات  مساله می باشد ،بطورکلی مساله  خاصی که برای  طرح  یک مبدل حرارتی مطرح  می گردد ممکن است حاوی اطلاعات  خیلی  کم از قبیل  دماهاودبی ها ی دوجریان گرم و سرد بوده ویا  در مقابل ،دارای  اطلاعات  بسیار زیاد  همراه با جزئیات بیشتر باشد . در مساله مورد نظرما علاوه بر دبی هاودماهای وسیال ،عوامل  دیگری ازقبیل فشارها ودماها ی  کارکردی ،افت فشارهای مجاز، بارحرارتی  لازم ، اندازه مناسب ،محدودیت وزن ، قیمت و هزینه مجاز ،مواد لازم و همچنین نوع وآرایش مبدل نیزمطرح  است . با افزایش خواسته هها و قیود طراحی ،انتخاب وطرح  مبدل مناسب ،مشکل تر گردیده ومبدلی  که بتواند همه شرایط  را ارضا نمایداز محدودیت  بیشترو تنوع  کمتری برخوردار است . بر اساس  مشخصات  مساله و نیز تجربه ، نوع مبدل وآرایش جریانها  انتخاب می گرد .

تجزیه و تحلیل مبدلهای حرارتی  شامل محاسبات  انتقال حرارت ،افت فشارویا تعیین ابعاد  هندسی بوده و برای  انجام محاسبات مربوطه ،عواملی از قبیل  مشخصات  سطوح وخواص  هندسی انها، خواص  فیزیکی سیالها ونیز مشخصات  مساله  لازم  هستند. منظوراز مشخصات  سطوح ،خواص حرارتی واصطکاک آنها  مانند  منحنی های JH وfبرحسبRe می باشد.

وبا استفاده  ازروشهای مختلف بهینه سازی  درریاضیات  بهترین ومناسبترین طرح راباید انتخاب نمود . ممکن است  با توجه به متغییرهای طراحی ،تعداد زیادی  جواب بدست آید که همگی شرایط طرح را داشته باشند .مسایل محاسبات حرارتی  درمبدلها بطورکلی دو دسته  هستند : اول مسایلی هستندکه درآنها نوع مبدل و اندازه  آن معلوم بوده و موضوع  اصلی تعیین  نوع  انتقال  حرارت ودماهای  خروجی سیال براساس دبی هاو دماهای  ورودی  می باشد . این نوع مسایل  به مسایل  عملکردی  مبدلهای حرارتی  شهرت  دارند .

مسایل نوع دوم ،دبی هاو دماهای  ورودی وخروجی در سیال گرم و سرد داده  شده است .در این مسایل  انتخاب  یک نوع مبدل  حرارتی  مناسب ،تعیین اندازه و محاسبه سطح موردنیاز برای حصول  به دمای  خروجی موردنظر طراحی می شوند. پس از محاسبات  حرارتی وانتخاب  مبدلهای مناسب ،مرحله  طراحی  مکانیکی  مبدلها می رسد.پایداری و مقاومت مبدلها در برابر عوامل  خارجی در این مرحله  بررسی می شوند.

محاسبات مقاومتهای داخلی وتنشها جهت  تعیین ابعاد و ضخامتهای لازم  برای  صفحه ها، پرده ها،لوله ها ،پوسته و اجزای  دیگر بکاربرده  می شود.انتخاب مناسب مواد و روش اتصال پره ها به صفحه ها یا لوله ها، بستگی  به فشارها و دماهای سیال دارد ونیز بستگی به عواملی  از قبیل دماها و فشارها ،افت  فشارها  مجازنیز شرایط تمیزکاری  دارد .محاسبات  مربوط به تنشهای  حرارتی ،برای تعیین  دوام و طول عمر مبدل بکار رفته و پیش بینی لازم  را برای خاموش و روشن کردن های  متوالی و شرایط  کارکرد نیمه بار انجام می دهند.

همچنین باید سرعتهای مجاز جریانها برای به حداقل رساندن ارتعاشات ،فرسایش ،خوردگی ورسوب گذاری تعیین  شوند .علاوه بر اینها قیود خاصی که ممکن است  درطرح وجود داشته باشند باید درنظر گرفته  شوند .مانند تعویض قطعات و قابلیت  سرویس و نگهداری و نوع تمیز کردن. بنابراین یک طرح مکانیکی به همان اندازه و شایدهم بیشتراز طرح حرارتی  اهمت داشته واز پیچیدگی  نسبی بیشتری برخوردار است .اغلب ملاحظات مکانیکی بطور همزمان با طرح حرارتی موردبررسی قرار می گیرند.

پس از آن مساله  ارزیابی برآورد هزینه  درمبدلها مطرح می گردد .وهمچنین عوالی از قبیل معیارها. روشهای ارزیابی وقیمت و هزینه  درنظر گرفته می شود. محدودیتهای ساخت از قبیل  قطعات مورد  نیاز از موادخام ،قالب، ابزار،کوره ها،وماشینها می باشندو هزینه تمام شده برای یک مبدل که ازدو قسمت  تشکیل می گردد :

هزینه های مربوط به سرمایه گذاری درطرح ، مواد،ساخت، آزمایش،حمل و نقل و نصب .

هزینه های حین  کارکرد  مبدل مانند هزینه پمپ کردن  سیالها ، نگهداری و تعمیر  یا تعویض  قطعات و تمیز کاری و...

طراحی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله

بطورکلی هدف از طرح یک مبدل  حرارتی ونیز  تجزیه و تحلیل  آن تعیین سطوح  لازم  جهت تبادل حرارت  مورد نیاز  می باشد .برای طراحی  مبدلهای حرارتی  دوروش عمده  وجود دارد.

1.روش  استفاده از اختلاف دمای توسط  لگاریتمی

2. روش  راندمان وتعداد واحدهای  انتقال

نکات مهم در طراحی کندانسوز وبررسی بهینه سازی آن

به لحاظ اینکه مبدلهای  حرارتی  پوسته ،  لوله ای فاقد قستهای  تحرک  می باشند و تغییر  دما بین دوسیال صورت می گیرد . یک مهندس  طراح  می تواند طرحی  از دستگاه  را به سادگی  تهیه کند و حدس  خود را گسترش دهد. با وجود  آنکه مبدل  حرارتی  دارای  قطعات  پیچیده ای  از تجهیزات  مختلف  نیست  ولی ملاحظات  زیادی  در رابطه  با انتخاب و اپتیمم طرح  وجود ندارد زیرا که مسایل  از فرایند  به فرایندی  دیگر  تفییر می کند .طراحی مبدلهابراساس  اطاعات  طرح ، آزمایشات  در انتقال  حرارت ، طراحی  مکانیکی  ، نگهداری و هزینه  می باشد . هدف  هر مهندس طراح  می بایست  این باشد  که  مبدل  حرارتی  را بگونه ای طراحی  کند که مبدل  عمل کردبه ویژه  خود را داشته باشد  با کمترین  زحمت  حداقل  قیمت را برای  مصرف کننده داشته باشد.

به سبب پیچیدگی  در طرح  وارتباط  بین متغیر ها  ،کاربرد هر مبدل  حرارتی  می تواند برای طرحهای ختلف  عنوان  شود.  که مصرف کنده  می باید  انتخاب  نهایی  را انجام  دهد .

با وجود  یکه  هر خریدار وفروشنده ای  مشخصات  مربوطه  برای کاربرد ویژه ای که مبدل  برای آن  طرح شده  را می داند،‌ولی سوالاتی  وجود دارد که استفاده  کننده  می بایست جهت  اتخاب  مبدل  حرارتی  انها را پاسخگوباشد . این موارد عبارتند از :

آیا سرعت های سیال درمحدوده قابل قبولی است  تا هم ازسایش مؤلفه های  مبدل جلوگیری  شودو هم  اثر ارتعاشات را محدود کند .

آیادریچه  های ورود و خروج  سیال در مکانهای مناسب  هستند .

در مورد افت  فشار،آیا درد محدوده مجاز است و حداکثر بازده  را دارد.

آیا مسئله اختلاف  انبساط بین پوسته و لوله ها در نظر  گرفته شده است.

اتصال لوله بهTube Sheet ازچه نوعی  است .

آیا فلزات بکاررفته در طراحی برای شرایط  کارکرد مبدل  مناسب هستند.

خیلی سوالات دیگر که باید جواب  داده شود تا  ارزیابی مبدل حرارتی  در حد قابل قبولی  واقع شود .

معمولاً  هزینه های تعمیراتی در ارتباط با تصحیح عدم بازدهی مناسب در یک  مبدل حرارتی فقط بخش کوچکی  ازتاوان پرداختی بود .

طراحی ضعیف است ونتایج  اتلاف درتولید نیروگاه برای یک روز چندین  برابر قیمت خرید یک مبدل حرارتی هزینه دارد .  

اطلاعات طراحی برای استفاده کننده

انتخاب  یک طرح  مبدل  حرارتی  نمی باید  غیر جدی تلقی  شود . زمان  قابل ملاحظه ای  می باسد  در محاسبات  انتقال حرارت و طراحی  مکانیکی  صرف شود  تا طراحی  مبدل  حرارتی را بهینه  کرده باشیم . کارخانه  سازنده ویا طراحی  می باید حداقل اطلاعات زیر را  رابرای استفاده  کننده فراهم  آورد:

انتقال حرارت  کلی

دبی  سیال  ورودی و خروجی  مبدل

دماهای ورودی و خروجی ازمبدل

فشار عمل کرد  دستگاه

ضریب رسوب

 افت  فشارهای  مجاز

خوردگی  مجاز

مواد سازنده

ضخامت  دیواره  لوله  برای ملاحظات  خوردگی

نوع مبدل حرارتی

مشخصات ،کدهاواستانداردها

محدودیت  های  اندازه و فضا

نصب  عمودی  یا افقی

حرارت مخصوص ، ضریب هدایت  حرارت، ویسکوزیته و... سیال  بکار رفته

شرایط فرایند در مبدل  حرارتی

LMTD

از آنجائیکه اندازه ودرنتیجه  قیمت  یک مبدل حرارتی بستگی زیادی به اختلاف دما ی  متوسط  لگاریتمی« LMTD» دارد یک بایداین موضوع را در نظر داشته باشد مقدار

« LMTD» بزرگ معمولاً  یک مبدل حرارتی  کوچک  تر نتیجه می دهد . برای  یافتن  بهینه  دماهای عمل کرد باید براساس  وظیفه کاری و کاربرد مبدل  عمل شود .

طراحی غیر مفید و عملکرد  ضعیف مبدل حرارتی وقتی رخ می دهدکه مقدار «LMTD» خیلی کم و یا خیلی زیادباشد . برای  یک طراحی خوب که خیلی از کاربردها  را در بر می گیرد اختلاف دمای 1T DحدودF  10ْ باشد و اختلاف  دمای  T2D حدودF 40ْ باشد.

دبی  جریان سیال

مقدار دبی هردو سیال  پوسته و لوله میتواند طرح و اندازه  یک مبدل را تحت تاثیر  قرار دهد .

ضرایب رسوب

رسوبات تشکیل شده روی لوله ها(داخل وخارج ) که در مقابل جریان حرارات مقاومت  ایجادمی کند (Fouling) نامیده می شود . اندازه وقیمت یک مبدل حرارتی در ارتباط  با مقاومت رسوب نیزمی باشد .حدس تصادفی را می توان برای ضریب رسوب  درنظر گرفت زیرادرعملکردمبل تاثیربسزایی دارد.

ارآنجائیکه یافتن ضرایب رسوب کارمشکلی می باشد ،لذا آنهااز طریق آزما یش بدست می آورند. بنابراین استفاده کننده از مبدل حرارتی باید اطینان خاطری  از طراح  داشته باشدکه ضرایب رسوب  ویژه این عملکرد را تعیین کرده  باشد .محدوده اطلاعات  در قابل دسترس زیادی  برای محاسبه  صحیح  درجه رسوب که می بایست  برای شرایط عملکرد داده  شود ، وجود دارد . رسوب به مواد  سازنده  لوله ها ، نوع سیال  در جریان ، دماها،  سرعتها،و شرایط  دیگر بستگی دارد و تغییر  می کند . لذا  انتخاب  ضرایب  رسوب اختیاری  است . اگر رسوب  سنگین  در کاربرد ویژه ای داشته باشیم،  استفاده کننده  باید  برای  جلو گیری  از رسوب  از سیستم ها ی تمیز کننده  شیمیایی و یا مکانیکی  در زمانهای  متناوب استفاده کند.