مبدل حرارتی
مقدمه
مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال حرارت موثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده میگردد. از رایجترین مبدلهای حرارتی رادیاتور خودرو و رادیاتور شوفاژ است.
مبدلهای حرارتی در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع، خودرو، نفت و گاز و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار میگیرند.
استانداردهای مرتبط
TEMA که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدلهای لولهای (آمریکا) تدوین شده است. برای طراحی و ساخت مبدلهای پوسته لولهای مورد استفاده قرار میگیرد.
API ۶۶۰ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحای و ساخت مبدلهای پوسته لولهای استفاده میگردند.
API ۶۶۱ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحی و ساخت مبدلهای هوا خنک استفاده میگردند.
ASME Sec VIII که برا ی طراحی مکان یکی مبدلهای حرارتی فشار بالا استفاده میگردد.
انواع مبدل های حرارتی
1) بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان:
جریان سیال داخل مجاری مبدل های حرارتی پیوسته یا متناوب است. در مبدل های حرارتی با جریان پیوسته مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده اند، به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. دو مجرای جریان توسط یک جداره لوله یا یک ورق از هم جدا شده اند.
2) بر مبنای پدیده انتقال:
تبادل انرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیرمستقیم صورت می گیرد:
در نوع مستقیم، حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می شود. معمولا یکی از این دو سیال گاز و دیگری مایع است که با فشار بخار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی قابل تفکیک هستند.
در نوع غیرمستقیم، حرارت ابتدا به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر منتقل می شود و سپس از آن به سیال سرد انتقال می یابد.
3) بر مبنای ساختمان مبدل:
در بسیاری مواقع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختمان تقسیم بندی می شوند. مبدل های حرارتی از نظر ساختمان به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از :
1) مبدل های حرارتی لوله ای (Pipe Heat Exchanger)
2) مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)
3) مبدل های حرارتی پره ای (Fin Heat Exchanger)
4) بازیاب حرارتی (Heat Recovers)
4) بر مبنای نوع جریان :
که شامل موارد زیر می شود :
1) جریان همسو (Co-Current)
2) جریان ناهمسو (Counter Current)
3) جریان متقاطع (Cross Current)
انواع مبدل های حرارتی لوله ای
مبدل حرارتی دو لوله ای Double tube" heat exchanger-"
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریان های سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد.
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .
مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" heat exchanger)
این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .
از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :
معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمان بر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است
مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین
- مبدل حرارتي پوسته و لوله :
نوعي از مبدل هاي حرارتي که در صنايع فرايندهاي شيميايي بسيار استفاده مي شوند از نوع پوسته-لوله هستند.كه در آنها يک سيال در داخل لوله ها جريان مي يابد در حالي که سيال ديگر درون پوسته و از روي لوله ها عبور مي نمايد.
و به جهت اطمينان از اين که سيال درون پوسته از روي لوله ها عبور نمايد و در نتيجه انتقال حرارت بيشتري صورت گيرد، از موانعي در داخل پوسته استفاده مي گردد.
مبدل هاي حرارتي صفحه اي:
اين مبدل ها، از صفحات نازک که کانال هاي جريان را تشکيل مي دهد ساخته شده اند. وجريان هاي سيال توسط صفحات مسطح که يا به صورت صاف يا موج دارند از هم جدا شده اند از مسيرهاي مشخص عبور داده مي شوند.و اين مبدل ها بيشتر براي انتقال گرما بين جريانهاي دو فاز از دو سيال متفاوت استفاده مي شوند.
اصولا اين مبدل ها خود از سه دسته زير توليد مي شوند كه در ذيل در خصوص هركدام توضيح مختصري داده مي شود:
1) صفحه هاي واشردار
2) Gasket Plate صفحه هاي حلزوني (Spiral Plate)
3) لاملا (Lamella)
اصول طراحی مبدلهای حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی صفحه ای اساسا" با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند 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 لوله ای ) 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 نمی کنند .
مبدلهای صفحه ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا می کنند .صفحات دارای قطعاتی در گوشهها هستند و به نحوی چیدمان شده اند که دو سیال عامل بصورت یک در میان میان صفحات جریان دارند .طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد میکند که مجموعه از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه ای مناسب را بدهند . .مبدلهای حرارتی صفحه ای معمولاً "در جریان سیالتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می شوند .از آنجا که کانالهای جریان کاملا کوچک هستند جریان قوی گردابه ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می گردد بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب میشود . واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می کنند و سیالها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می نمایند. شکل جریان عموما" به نحوی انتخاب می شوند که جریان سیالها خلاف جهت یکدیگر باشند .
انواع مبدلهای صفحه ای
- مبدل هاي صفحه اي واشردار :
اين مبدل ها شامل تعدادي از صفحات نازک با سطح چين دار يا موج دار مي باشند که سيال هاي گرم و سرد را از هم جدا مي سازد. و اين صفحات داراي قطعاتي در گوشه ها مي باشند که به نحوي آرايش داده شده اند که دو ماده اي را که بايستي گرما بين آنها مبادله شود، يکي در ميان در فضاي بين صفحات جريان مي يابند.
- مبدل هاي صفحه اي حلزوني :
اين مبدل هاي صفحه اي حلزوني با پيچاندن دو صفحه بلند موازي به شکل يک حلزون و با استفاده از يک ميله اصلي كه به لبه هاي صفحات مجاور جوش داده شده و به صورتي که يک کانال را تشکيل دهند، توليد مي شوند.
- مبدل هاي لاملا :
اين مبدل هاي حرارتي - گرمايي لاملا از مجموعه کانال هاي ساخته شده از صفحات فلزي نازک ،که به طور موازي جوشکاري شده اند تشكيل شده و يا به شکل لاملا (لوله هاي تخت يا کانال هاي مستطيلي) مي باشند که به صورت طولي در يک پوسته قرار گرفته اند.
مزایای مبدلهای صفحه ای
مبدلهای صفحه ای بصورت ویژه ای فشرده هستند و در نرخ انتقال حرارت حرارت مشابه فضای محدودتری در مقایسه با مبدلهای لوله دارد ضمن اینکه حجم کم و وزن کمتر و به طبع آن هزینههای کمتر در ساخت و بهره برداری و نگهداری را به همراه دارد .البته این نوع مبدل مانند همه تجهیزات صنعتی دارای محدودیتهائی هستند .
محدودیتها
علت اصلی عدم پیشرفت استفاده از این نوع مبدلهای در صنایع محدودیت ساخت صفحات بزرگ به جهت محدودیت در پرسکاری و ساخت صفحات میباشد. که عملاً مبدلهای حرارتی با اندازههای بیشتر از قابل ساخت نیستند یعنی در واقع بصرفه هم نیستند. دبیهای بزرگ جریان باعث افت فشارهای اضافی خواهد شد که از این منظر باعث محدودیت در ظرفیت گرمائی میشود که در مرتبه بالاتر طراحی واشرها به ترتیبی نیست که در فشارو دماهای بالاتر بتوان از این نوع مبدلها سود جست.
مبدلهای حرارتی صفحهای را نمیتوان برای کولینگ هوا استفاده کرد و حتی برای تبادل حرارت در کوپلهای هوا-هوا و یا گاز-گاز نیز مناسب نیستند ضمنا سیالاتی با لزجت بالا بویژه وقتی خنک کاری مورد نظر باشد با توجه به اثرات توزیع جریان در این نوع مبدلها ناکارآمد جلوه میکنند. ضمنا سرعتهای کم جریان سیال کمتر از، ضرایب کوچک انتقال حرارت و به تبع آن بازدهی غیر بهینه را در مبدلهای صفحهای ایجاد میکند که به همین علت در سرعتهای کمتر از نمی توان از این نوع مبدلها سود جست.
مبدلهای حرارتی صفحه ای برای انجام کندانس خیلی مناسب نیستند که این مورد بخصوص در مورد بخارها در خلا نسبی صدق میکند زیرا فاصلههای باریک صفحات و توربولانس ایجاد شده باعث بوجود آمدن افت فشارهای قابل ملاحظه ای در سمت بخار میشود .هرچند با توجه به پیشرفتهای حاصل شده در حال حاضر مبدلهای حرارتی صفحه ای با طراحیهای ویژه را می توان در سیستمهای تبخیر و کندانس نیز استفاده کرد. مسیرها و چیدمان جریان
سطوح کاربرد و استفاده مبدلهای حرارتی صفحه ای
مبدلهای حرارتی صفحه ای با داشتن مشخصات خاص بطور گسترده ای در صنایع غذائی مورد استفاده قرار می گیرند که به دلیل همین خاصیت یعنی تعمیر و نگهداری آسان و تمیز کاری بسیار راحتر دامنه نفوذ خود را حتی تا صنعت خودرو سازی نیز گسترش داده است . کاربردهای عمومی مبدلهای حرارتی صفحه ای اصولا در شرایط فازی مایع – مایع و جریانهای توربولانس می باشد. از موارد بسیار مهم استفاده از این نوع سیستمهای حرارتی می توان به سیستمهای خنک کن مرکزی که از آب دریا بعنوان چاه گرمائی استفاده میکند، اشاره کرد وهمچنین وقتی بحث موادخورنده مطرح است برگ برنده مبدلهای حرارتی صفحه ای در استفاده بدون محدودیت از مواد با تحمل خوردگی بالا در ساخت صفحات مبدل میباشد که می توان به عنوان نمونه از تیتانیوم در آن نام برد .
مبدل هاي حرارتي پره اي:
نوع مبدل هاي پره دار عمدتا براي کاربردهاي گاز- گاز استفاده مي گردد. در اکثر کاربرد ها کاهش جرم و حجم مبدل از اهميت ويژه اي برخوردار است. به دليل دست يافتن به اين کاهش حجم و وزن، مبدل هاي فشرده گرما همچنين به صورت وسيع در تبريد با دماي خيلي کم، بازيابي انرژي، صنايع فرايندي، تبريد و سيستم هاي تهويه مطبوع استفاده مي شوند.
مبدل هاي صفحه اي پره دار براي استفاده در توربين گازي، نيروگاه هاي هسته اي و مهندسي پيشرانه و تبريد و گرمايش و تهويه سيستم هاي بازيابي گرماي اضافه و صنايع شيميايي و سرمايش کاربرد داشته و اين مبدل ها به چهار دسته زير تقسيم مي گردند :
1) پره ساده
2) Plain Fin پره ساده سوراخ دار (Plain Perforated Fin)
3) پره دندانه اي يا کنگره اي
4) Serrated Fin پره هاي جناغي يا موجي شکل (Herring Bake Fin)
مبدل هاي حرارتي براساس جريان:
- جريان همسو (هم جهت) :
در اين نوع مبدل ها سيال سرد و گرم هر دو در يک جهت حرکت مي کنند و در حين عبور از مبدل تبادل حرارتي انجام مي دهند.
- جريان ناهمسو (مخالف جهت) :
در اين نوع مبدل سيال سرد در يک جهت و سيال گرم در جهت عکس آن وارد مبدل مي شود و بدين ترتيب تبادل حرارتي صورت مي پذيرد. در شرايط يکسان براي يک مبدل با جريان ناهمسو ميزان انتقال حرارت بيشتر خواهد بود.
- جريان متقاطع :
چنانچه يک سيال در لوله و سيال ديگر به صورت عمود بر لوله ها جريان داشته باشد، نوع جريان متقاطع خواهد بود. مبدل هاي حرارتي با جريان متقاطع در گرمايش و سرمايش هوا يا گازها کاربرد وسيعي دارند.
مبدلهای 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 تبدیل نمود و موتور را در محل مناسب تری قرار داد.
مبدل های حرارتی هوا خنک شامل مجموعه های Structure, Tube Bundle،Plenum،Fan، Motor، Support Mechanism و .... می باشد. این مبدل ها معمولا برروی Structure و با ارتفاع از سطح زمین نصب می شوند تا قابلیت انتقال هوا امکان پذیر باشد. استاندارد مورد استفاده برای طراحی این نوع مبدل هاAPI 661 می باشد و نرم افزار موارد استفاده B-jac، HTFS، HTRI می باشد.
تشریح مبدل هاي پوسته –لوله اي
تامين بسياري از خدمات صنعتي نيازمند به كارگيري تعداد زيادي مبدل دو لوله اي از نوع دو شاخه است.اين مبدل ها سطح قابل توجهي را اشغال كرده و در نقاط بسياري امكان نشت سيال وجود دارد هنگامي كه سطح تبادل حرارت زيادي مورد نياز باشد ، با استفاده از مبدل هاي پوسته-لوله اي مي توان سطح لازم را به دست آورد.
در مبدل هاي پوسته لوله اي ، لوله ها درون صفحه نگهدارنده ي لوله قرار گرفته وبه دليل پهن شدگي لوله در سوراخ هاي صفحه ي نگهدارنده ي نوعي آب بندي ايجاد مي گردد كه تحت شرايط عملياتي مناسب نشت صورت نمي گيرد.مثالي ساده ورايج از يك لوله كه انتهاي آن پهن شده در شكل(1-2) نشان داده شده است .
سوراخ محل قرار گرفتن لوله در صفحه نگهدارنده ي با قطر كمي بزرگتر از قطر خارجي لوله تعبيه مي شودو دو يا چند شيار نيز در جداره ي سوراخ ايجاد مي گردد.لوله درون اين سوراخ قرار مي گيرد وسپس با استفاده از نوعي نورد لوله به واسطه چرخش وسيله ي مذكور صورت مي گيرد.
اين نورد قادر به گذشتن از حدالاستيك لوله ي فلزي بوده و آن را به شرايط نيمه پلاستيك مي رساند.به نحوي كه درون شيارها وارد شده وآب بندي مورد نياز تامين مي گردد.براي نورد لوله بايد از مهارت كافي برخوردار بود زيرا احتمال تخريب لوله با كم شدن بيش از حد ضخامت لوله وجود دارد و در صورتي كه ضخامت لوله بيش از حد كاهش يابد ، مقاومت ساختماني آن كم خواهد شد.
در برخي از كاربردهاي صنعتي ، نصب لوله ها در صفحه نگهدارنده به نحوي كه بتوان آنها را به سهولت خارج كرد ، مطلوب مي باشد(شكل2-2).در اين صورت لوله ها در حقيقت درون صفحه ي نگهدارنده با كمك بست يا حلقه هاي فلزي نرم تثبيت مي گردند.
لوله هاي مبدل حرارتي
منظور از لوله هاي مبدل حرارتي ، لوله هايي ، نظير لوله هاي چگالنده مي باشد ونبايد آنها را با لوله هاي فولادي يا ساير لوله هايي كه با روش هاي تزريقي ساخته مي شوند(pipe) اشتباه كرد.قطر خارجي لوله اي مبدل حرارتي ويا چگالنده ها قطر خارجي واقعي برحسب اينچ است كه لقي مجاز ، آن بسيار كم مي باشد.
لوله هاي مبدل ها از انواع مختلف فلزات ساخته مي شوند كه شامل فولاد ، مس آلياژهاي مس و روي وقلع ، آلياژهاي مس وروي ، آلياژ مس-نيكل30-70 ، آلومينيوم برنز ، آلومنيوم وفولاد ضد زنگ مي گردند.اين لوله ها داراي ضخامت هاي متفاوتي هستند كه با درجه بندي بيرمنگام با علامتBWG يا درجه ي لوله مشخص مي شوند.اندازه ي لوله هايي كه عموما در دسترس مي باشند در جدول 10 ضميمه آمده است.
استفاده از لوله هايي با قطر خارجي3/4 و1 in در طراحي مبدل هاي حرارتي رايج مي باشد.داده هاي جدول 10 به نحوي مرتب شده اند كه براي كاربرد در محاسبات انتقال حرارت سودمندتر باشند.
گام لوله
سوراخ محل نصب لوله ها را نمي توان خيلي نزديك به هم تعبيه كرد زيرا فاصله ي فلزي بين دو تا لوله ي مجاور هم بسيار ناچيز بوده ومقاومت ساختماني صفحه ي نگهدارنده ي لوله را ضعيف مي كند.كوتاهترين فاصله ي ميان دو سوراخ مجاور هم را فاصله ي آزاد يا لقي آزاد مي نامند كه در حال حاضر استاندارد شده اند.لوله ها با الگوي مربعي يا مثلثي استقرار مي يابند كه در شكلهاي (3-2الف) و(3-2ب) مشاهده مي شوند.
مزيت گام مربعي اين است كه سطح خارجي لوله ها براي تميز كردن در دسترس مي باشد ودر جهات نشان داده شده در شكل(3-2 الف) افت فشار كمتري ايجاد مي گردد.گام لولهpt كوتاهترين فاصله ي مركز به مركز بين لوله هاي مجاور هم مي باشد.
گام رايج براي استقرار لوله هاي ¾in.OD با گام مربعي معادل1-in وبراي لوله ي1 in-OD برابر1 ¼ است.براي استقرار لوله ها به روش مثلثي اين گام ها عبارتند از :لوله ي¾in.OD با گام مثلثي 15/16 –in ، لوله ي ¾in.OD با گام مثلثي 1-in ولوله ي1 in-OD با گام مثلثي ¼1 -inدر شكل(3-2 پ) آرايش لوله ها با گام مربعي را 450 چرخانده ايم ولي هنوز مشابه شكل(3-2الف) است.
در شكل(3-2ت) آرايه ي اصلاح شده گام مثلثي كه قابل تمييز كردن با روش هاي مكانيكي است مشاهده مي گردد.اگر لوله ها به حد كافي با يكديگر فاصله داشته باشند امكان ايجاد فواصل لازم براي تميز كردن به صورت نشان داده شده در شكل نيز فراهم مي گردد.
پوسته ها:
پوسته ها را از لوله ي فولادي (pipe) با قطر ناميipsتا 12.in مي سازند قطرهاي بيش از 12 از جمله24in داراي قطر خارجي واقعي ونامي مشابه هستند.
ضخامت استاندارد براي پوسته از 12تا 24 in معادل 3/8 in است كه براي فشار عملياتي تا كه براي فشار عملياتي تا00psi مناسب مي باشد وضخامتهاي بيشتر از اين حد براي فشارهاي بالاتر بكار برده مي شود.پوسته هاي با قطر24in را با استفاده از صفحات فولادي نورد شده مي سازند.
مبدل هاي داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده ي لوله ها
ساده ترين نوع مبدل ، مبدل با صفحه ي ثابت يا ساكن نگهدارنده ي لوله ها مي باشد كه نمونه هايي از آنها در شكل(4-2) نشان داده شده است.
قسمتهاي اصلي عبارتند از :پوسته(1) مجهز به نازل ها وصفحات نگهدارنده ي لوله ها(2) در هر دو انتها كه بعنوان فلانچ براي اتصال دو مجرا(3) نيز بكار مي رود و پوششهاي مجاري (4)مربوط به هريك از آنها.لوله ها درون صفحه ي نگهدارنده قرار گرفته و از موانع مغشوش كننده ي متقارب (5) روي پوسته استفاده شده است.
محاسبه ي سطح تبادل حرارت موثر غالبابر مبناي فاصله ي ميان وجوهي از صفحات نگهدارنده ي لوله كه مقابل هم هستند صورت مي گيرد ، وطول كلي لوله مد نظر قرار نمي گيرد.
موانع مغشوش كننده ي جريان
واضح است كه ضرايب انتقال حرارت بالاتر هنگامي حاصل مي گردند كه مايع در حالت متلاطم و در هم نگه داشته مي شود براي ايجاد تلاطم ودرهم شدن جريان در خارج از لوله ها استفاده از موانع ومغشوش كننده كه باعث مي شوند سيال درون پوسته در جهات عمود بر محور لوله ها جريان يابد ، مرسوم است.به اين ترتيب تلاطم كافي وقابل توجه حتي در صورت كم بودن دبي مايع در پوسته فراهم مي گردد.
فاصله ي مركز تا مركز بين موانع مغشوش كننده يا فاصله گذاري ميان موانع مغشوش كننده مي نامند.چون موانع مغشوش كننده ممكن است بسيار نزديك به هم يا بسيار دور از هم قرار گيرند ، سرعت جرمي بستگي به قطر پوسته ندارد.فاصله گذاري موانع مغشوش كننده معمولا بيش از فاصله اي معادل با قطر پوسته يا كمتر از فاصله معادل يك پنجم قطر پوسته نمي باشد
موانع مغشوش كننده با كمك با كمك ميله هاي نگهدارنده(6) به ص.رتي كه به شكل(4-2) ديده مي شود در جاي خود استقرار مي يابند.اين ميله بر صفحه ي نگهدارنده لوله ها پيچيده شده اند وقطعاتي از لوله با قطري بيش از ميله وطولهاي كوتاه بر روي آنها قرار گرفته كه فاصله ي بين دو مانع مغشوش كننده ي مجاور هم را حفظ مي كند.جزئيات لازم در شكل(5-2) مشاهده مي گردد.
انواع متعددي از موانع مغشوش كننده در مبدل ها كاربرد دارند اما رايجترين آنها موانع مغشوش كننده ي قطاعي است كه در شكل(6-2)نشان داده شده است.موانع مغشوش كنننده ي قطاعي از صفحات سوراخ داري ساخته مي شود كه ارتفاع آن معمولا75 درصد قطر داخلي پوسته است.
اين نوع را موانع مغشوش كننده با برش 25 درصد مي نامند و در تمامي مباحث كتاب از آنها استفاده مي شود .با اين همه از موانع مغشوش كننده ي قطاعي با برش هاي ديگر نيز در صنعت استفاده مي كنند.
دان هو تاثير برش موانع مغشوش كننده بر ضريب انتقال حرارت را بررسي و ارائه كرده است.موانع مغشوش كننده را مي توان به نحوي قرار داد كه جريان از بالا به پايين و از پايين به بالا هدايت شود ويا اينكه آنها را 900 چرخانده وجريان را از يك سمت به سمت ديگر منحرف كرد.نوع اخير در مواردي كه مخلوطي از مايع يا گاز در پوسته جريان دارد مطلوب تر است.همانگونه كه بعدا گفته خواهد شد گام موانع مغشوش كننده ي سرعت موثر سيال در پوسته را نيز تعيين مي كند واين سرعت ارتباطي با برش 25 درصد ندارد.
انواع ديگر مغشوش كننده نوع مدور وحلقوي (شكل7-2) ومانع مغشوش كننده ي اريفيسي (شكل8-2)مي باشد.اگرچه انواع ديگري از موانع مغشوش كننده نيز كاربرد دارند ولي اهميت چنداني ندارند.
مبدل هاي داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده با مجاري يكپارچه
يكي ديگر از انواع مبدل ها با صفحه ي ثابت نگهدارنده ي لوله در شكل (9-2) مشاهده مي گردد كه در آن صفحات نگهدارنده ي درون پوسته قرار گرفته ومجرايي ايجاد مي كنند كه بخشهاي يكپارچهاي از پوسته هستند.
براي بهره گيري از مبدل هاي داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده ي غالبا لازم است انبساط هاي حرارتي جزئي بين لوله ها وپوسته در هنگام عمليات ويا تنش هاي حرارتي كه در صفحه ي نگهدارنده ايجاد مي گردد را پيش بيني كرد.اين كار را مي توان با در نظر گرفتن اتصالات انبساطي روي پوسته انجام داد.انواع مختلفي از اتصالات قابل ارتجاع موجود و در دسترس است.
مبدل2-1 با صفحه ثابت نگهدارنده ي لوله
مبدل هايي از انواع نشان داده شده در شكل هاي (4-2)و(9-2) را مي توان با جريانهاي مختلف الجهت در نظر گرفت بدون آنكه به حركت جريان سيال داخل پوسته در طول لوله ها توجه كنيم.از نقطه نظر عملي در هنگامي كه يك سيال در تمام لوله ها در يك مسير عبور ميكند دستيابي به جريان با سرعت زياد بسيار مشكل است.اين مشكل را مي توان با اصلاح طرح به گونه اي كه سيال درون لوله هاي متوالي فقط در بخشي از لوله ها جريان يابد برطرف كرد.مثالي از مبدل حرارتي يا صفحه ي نگهدارنده ودو مسير گذر در شكل(10-2) مشاهده مي گردد كه در آن تمام سيال لوله ها متواليا از درون لوله ها عبور مي كند.
مبدل هايي كه سيال جاري در پوسته يك مسير را طي مي كند وسيال درون لوله ها در دو يا چند مسير جريان مي يابد را مبدل 2-1 مي نامند.يك مجراي نفوذ داراي تيغه ي جدا كننده اي است كه براي ورود وخروجي سيال درون لوله ها از يك مسير به مسير ديگر تعبيه مي شود.همانند مبدلهاي داراي كلاهك براي عبور سيال لوله ها ، سطح خارجي لوله ها جهت بازديد وتمييز كردن با روشهاي مكانيكي در دسترس مي باشند.
سطح خارجي لوله ها را نيز مي توان فقط با برداشتن پوشش مجرا واستفاده ازيك تمييزكننده ي دوراني ويا برس سيمي تميز كرد.مسائل انبساط در مبدل هاي 2-1 داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده ي لوله ها نسبتا بحراني تر هستند زيرا هر دو گذر لوله پوسته در جهات مخالف هم تمايل به انبساط از خود نشان داده و بر صفحه ثابت نگهدارنده ي لوله ها تنش وارد مي گردد.
مبدل هاي داراي دسته ي لوله هاي قابل برداشت
در شكل(11-2) يك مبدل 2-1 با جريانهاي مختلف الجهت نشان داده شده است كه دسته ي لوله ها را مي توان از درون پوسته خارج كرد.اين مبدل شامل يك صفحه ي نگهدارنده ي ثابت لوله است كه بين دو فلانچ مجر اوپوسته بسته شده است.
در انتهاي ديگر دسته ي لوله ها در يك صفحه ي نگهدارنده شناور يا در پوش شناور قرار دارد.در پوش شناور به صفحه ي نگهدارنده ي لوله ها پيچ شده است وكل مجموعه را مي توان از انتهاي مجرا بيرون كشيد.پوسته به كمك كلاهك پوسته بسته شده است.درپوش شناور نشان داده شده سبب حل مسائل انبساط در اغلب موارد شده ومرسوم به در پوش شناوربا قابليت تحرك مي باشد.
نقص استفاده از درپوش با قابليت تحركشكل ساده ي هندسي آن است.براي استحكام در پوش شناور لازم است آن را به صفحه ي نگهدارنده ي لوله پيچ كنيم ولي بكار بردن اين پيچ ها نيازمند به كارگيري فضايي است كه امكان قراردادن تعداد زيادي پيچ در آن وجود داشته باشد.پيچ كردن نه تنها تعداد لوله هاي قابل تعبيه در مجموعه را كاهش مي دهد بلكه مجاري عبور جريان نامطلوبي بين دسته ي لوله ها وپوسته ايجاد ميكند.
اين نقيص را مي توان با كمك مبدل هاي 2-1 داراي درپوش شناور وحلقه ي شكاف دار نشان داده شده در شكل(12-2)برطرف كرد.اگر چه ساخت اين نوع مبدل گرانتر است ولي داراي مزاياي مكانيكي متعددي است.
اين نوع مبدل ها با نوع داراي قابليت تحرك تفاوت دارند كه دليل اين تفاوت وجود مجموعه ي حلقه ي شكاف دار در صفحه ي نگهدارنده ي شناور است كه مي تواند بزرگتر از پوسته بوده وآن را در خود جاي دهد.جزئيات يك حلقه ي شكاف دار در شكل(13-2) مشاهده مي گردد.
صفحه ي شناور نگهدارنده ي لوله ها تعبيه شده است.اين حلقه به دونيم تقسيم شده وامكان باز كردن آن وجود دارد.هريك از سازندگان مبدلهاي در طرح مورد بحث اصلاحاتي انجام داده اند اما هدف همه ي آنها تامين سطح بيشتر نسبت به درپوش هاي شناور با قابليت تحرك براي پوسته هاي داراي قطر مشابه است .مجاري ورودي چدني با پوشش غير متحرك نيز در شكل(12-2) نشان داده شده اند.
نحوه ي استقرار لوله ها وشمار لوله ها
نمونه اي از نحوه ي استقرار لوله ها براي يك مبدل با درپوش شناور داراي حلقه ي شكاف دار را در شكل (14-2) مشاهده مي كنيد.استقرار واقعي براي پوسته اي با قطر13 ¼in.ID ولوله هايي با قطر 1 in.ID و گام مثلثي 1 ¼in مسير گذر در لوله ها مي باشد.
تيغه ي جداكننده نيز براي مجراي ورودي ودر پوش شناور همراه با جهت گيري مسيرهاي جريان نشان داده شده است.معمولا لوله ها را بصورت متقارن در صفحه ي نگهدارنده ي تعبيه نمي كنندوهمواره فضاي خالي اضافي براي پوسته با حذف لوله هايي كه مستقيما در مقابل نازل ها قرار مي گيرند.در نظر گرفته مي شودتا اثرات انقباض ناگهاني سيال در ورود به پوسته از ميان برود.
هنگامي كه لوله ها با حداقل فاصله ي بين تيغه ها ولوله ها ودر قطري عاري از هرنوع انسداد موسوم به حد لوله ي خارجي چيده شوند.تعدادلوله ها در آرايش استقرار لوله ها را شمار لوله مي نامند.همواره اين امكان وجود ندارد كه تعداد لوله هاي مساوي در هر مسير گذر درنظر گرفت ، اگرچه در مبدل هاي بزرگ اين عدم توازن نبايد بيش از 5درصد باشد.در جدول9 ضميمه شمارلوله ها براي لوله هاي ¾ و1 in OD در پوسته اي با يك مسير گذر ويك ، دو ، چهار ، شش ، هشت مسير گذر در لوله ها داده شده است.
شمار لوله ، شامل يك مسير ورود آزاد در زير نازل ورودي است كه مساوي با سطح مقطع نازل ها مي باشد ودر جدول (1-2) داده شده است.هنگامي كه نازل ورودي بزرگتري بكار برده مي شود ، فضاي خالي اضافي را مي توان با بزرگتر كردن پايه ي نازل ورودي يا حذف لوله هايي كه بطور معمول در نزديكي نازل ورودي قرار ميگيرند ، تامين كرد.
درپوش شناور آب بندي شده
يكي ديگر از اصطلاحاتي كه در مبدل 2-1 با در پوش شناور صورت مي گيرد.استفاده از مبدل با درپوش آبندي شده است كه در شكل(15-2) مشاهده مي گردد.اين مبدل داراي الحاقاتي بر صفحه ي نگهدارنده ي شناور است كه با استفاده از كاسه نمد تامين مي گردد.
اگرچه اين اقدام براي پوسته هايي تا قطر36in.ID كاملا رضايت بخش است كاسه نمدهاي بزرگتر براي فشارهاي بالاتر يا كاربردهاي همراه با ارتعاش توصيه نمي گردد.
مبدل هاي با خم U شكل
مبدل2-1 نشان داده در شكل(16-2) شامل لوله هايي است كه داراي خمي به شكل u است واين لوله ها درون صفحه ي نگهدارنده ي نورد مي شوند.لوله ها مي توانند آزادانه منبسط شوند وبه اين ترتيب به صفحه ي نگهدارنده ي شناور ، درپوش شناور ، فلانچ پوسته وپوسته ي قابل برداشتن نيازي نخواهد بود.موانع مغشوش كننده را مي توان به همان شيوه هاي معمول با گام مربعي يا مثلثي نصب كرد.
حداقل قطر خم هاي u شكل را كه مي توان بدون تغيير شكل قطر خارجي لوله در محل خميدگي مورد استفاده قرار داد قطري معادل سه تا چهار برابر قطر خارجي لوله است اين بدان معني است كه معمولا حذف لوله ها در مركز دسته ي لوله ها با توجه به نحوه ي چيدن آنها ضرورت دارد.
يكي از انواع جالب مبدل هاي داراي خمU شكل در تصوير(17-2) نشان داده شده است.در اين مبدل از يك صفحه ي نگهدارنده ي ثابت دوگانه استفاده شده است كه در مواردي كه نشت ونفوذ يك سيال به درون سيال ديگر باعث خوردگي شديد ومخرب مي گردد كاربرد دارد.
با استفاده از دوصفحه ي نگهدارنده ي لوله با فاصله ي موجود بين آنها ، هريك از سيالاتي كه از درون صفحه ي متصل به آن نشت كنند به بيرون هدايت مي شوند.به اين ترتيب در اثر نشت جريان هيچ كدام از سيالات آلوده به سيال ديگر نخواهند شد مگر آنكه خود لوله دچار خوردگي گردد.در عين حال مي توان از شكستگي لوله ها با استفاده از آزمون دوره اي شوك فشار لوله ها ممانعت وجلوگيري كرد.
منابع و ماخذ
جزوه اصول طراحی مبدلهای حرارتی صفحه ای (پیمان زندیه )
WWW.ABC165.info سایت
كتاب طراحي مبدلهاي حرارتي -انتقال حرارت فرآيند ها
Heat exchangers: selection ،rating and thermal design