مقایسه انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله و صفحه ای

مبدل حرارتی دستگاهی است که اجازه می دهد تا حرارت از یک سیال (مایع یا گاز) به یک سیال دوم (مایع یا گاز دیگری) بدون اینکه دو مایع مجبور شوند با هم مخلوط شوند یا در تماس مستقیم قرار گیرند منتقل شود.

از نظر تئوری ، ما می توانیم گرما را از جت های گاز فقط با انداختن آب سرد روی آنها بگیریم ، اما سپس شعله های آتش خاموش می شود! اصل اساسی مبدل حرارتی این است که بدون انتقال سیال حامل گرما ، گرما را انتقال می دهد.

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای از صفحات نازک ، کمی از هم جدا شده تشکیل شده اند که دارای سطح بسیار بزرگ و عبور جریان سیال کوچک برای انتقال گرما هستند. پیشرفت در تکنولوژی واشر و لحیم کاری ، مبدل حرارتی از نوع صفحه را عملی تر کرده است. در کاربردهای HVAC ، مبدل های حرارتی بزرگ از این نوع صفحه و فریم نامیده می شوند.

هنگامی که در حلقه های باز استفاده می شود ، این مبدل های حرارتی معمولاً از نوع واشر هستند تا اجازه جدا شدن ، تمیز کردن و بازرسی دوره ای را بدهند. انواع مختلفی از مبدل حرارتی صفحه ای باند دائمی وجود دارد ، مانند انواع بشقاب ماسوره ای ، لحیم کاری شده در خلا و جوش داده شده ، و آنها اغلب برای کاربردهای حلقه بسته مانند تبرید مشخص می شوند. مبدلهای حرارتی صفحات نیز در انواع صفحات مورد استفاده و در تنظیمات آن صفحات تفاوت دارند. برخی از صفحات ممکن است با "شورون" ، گودی ، یا الگوهای دیگر مهر شده باشند ، جایی که ممکن است دیگران دارای باله و یا شیارهای ماشینکاری شده باشند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

به نقل قول از wikipedia مبدل حرارتی پوسته و لوله مجموعه ای از لوله های حاوی مایعی هستند که باید گرم یا سرد شوند. سیال دوم از روی لوله هایی که در حال گرم شدن یا خنک شدن هستند عبور می کند تا بتواند گرما را تأمین کند یا گرمای مورد نیاز را جذب کند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله به طور معمول برای اعمال فشار بالا (با فشارهای بیشتر از 30 بار و درجه حرارت بیشتر) استفاده می شود بیش از 260 درجه سانتیگراد). دلیل این امر شکل مقاوم مبدل های حرارتی پوسته و لوله هستند.

هنگام طراحی لوله ها در مبدل های حرارتی پوسته و لوله ، چندین ویژگی طراحی حرارتی باید در نظر گرفته شود:

تغییرات زیادی در طراحی پوسته و لوله وجود دارد. به طور معمول ، انتهای هر لوله از طریق سوراخ های موجود در صفحات لوله به پلنوم (که بعضا جعبه آب نیز نامیده می شود) متصل می شوند.

لوله ها ممکن است به صورت U خم شوند که به آنها لوله های U شکل نامیده می شوند.

• قطر لوله: استفاده از قطر لوله کوچک مبدل حرارتی را هم اقتصادی و هم فشرده می کند. با این حال ، احتمال بیشتری دارد که مبدل حرارتی سریعتر خراب شود و اندازه کوچک ، تمیز کردن مکانیکی رسوب را دشوار می کند. برای غلبه بر مشکلات رسوب و تمیز کردن ، می توان از قطرهای بزرگتر لوله استفاده کرد. بنابراین برای تعیین قطر لوله ، فضای موجود ، هزینه و رسوب مایعات باید در نظر گرفته شود.
• ضخامت لوله: ضخامت دیواره لوله ها معمولاً برای اطمینان از موارد زیر تعیین می شود:

1. فضای کافی برای خوردگی وجود دارد
2. این ارتعاش ناشی از جریان دارای مقاومت است
3. مقاومت محوری
4. در دسترس بودن قطعات یدکی
5. قدرت حلقه (برای مقاومت در برابر فشار داخلی لوله)
6. قدرت کمانش (برای مقاومت در برابر فشار بیش از حد در پوسته)

• طول لوله: مبدل های حرارتی که معمولا دارای قطر پوسته کوچکتر و طول لوله طولانی باشند ارزانتر هستند. بنابراین ، به طور معمول این هدف وجود دارد که مبدل حرارتی را تا آنجا که از نظر جسمی امکان پذیر است در حالی که از توانایی تولید بیشتر نمی کند. با این حال ، محدودیت های زیادی برای این امر وجود دارد ، از جمله فضای موجود در محل نصب و نیاز به اطمینان از وجود لوله ها در طول هایی که دو برابر طول مورد نیاز است (بنابراین می توان آنها را برداشت و جایگزین کرد). همچنین ، بیرون آوردن و تعویض لوله های باریک و بلند مشکل است.
• پیچ لوله: هنگام طراحی لوله ها ، اطمینان از اینکه فاصله مرکز لوله های مجاور کمتر از 1.25 برابر قطر خارجی لوله ها نباشد ، عملی است. گام لوله بزرگتر منجر به قطر پوسته کلی بیشتر می شود که منجر به مبدل حرارتی گرانتری می شود.
• راه راه لوله: این نوع لوله ها که عمدتا برای لوله های داخلی استفاده می شود ، تلاطم مایعات را افزایش می دهد و اثر در انتقال حرارت با عملکرد بهتر بسیار مهم است.
• طرح لوله: به نحوه قرارگیری لوله ها در داخل پوسته اشاره دارد. چهار نوع طرح اصلی لوله وجود دارد که عبارتند از: مثلثی (30 درجه) ، مثلث چرخانده شده (60 درجه) ، مربع (90 درجه) و مربع چرخشی (45 درجه). از الگوهای مثلثی برای انتقال گرمای بیشتر استفاده می شود زیرا سیال را به حالت متلاطم تری در اطراف لوله کشی جریان می دهد. الگوهای مربعی در مواردی که رسوب زیاد تجربه می شود و نظافت منظم تر است.
• طراحی Baffle: از bafle ها در مبدل های حرارتی پوسته و لوله برای هدایت مایع در سراسر بسته لوله استفاده می شود. آنها عمود بر پوسته قرار گرفته و بسته را نگه داشته و از افتادگی لوله ها در طول طولانی جلوگیری می کنند. همچنین می توانند از لرزش لوله ها جلوگیری کنند. متداول ترین نوع بافل ، بافل مقطعی است. بافل های سگمنتال نیم دایره در 180 درجه به بافل های مجاور جهت یافته و مایعات را به سمت بالا و پایین بین بسته نرم افزاری لوله هدایت می کنند. فاصله بافل هنگام طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله از اهمیت ترمودینامیکی برخوردار است. برای تغییر افت فشار و انتقال گرما باید بافل ها را در نظر گرفت. برای بهینه سازی اقتصادی حرارتی پیشنهاد می شود که فاصله بافل ها از 20٪ قطر داخلی پوسته فاصله نباشد. فاصله بیش از حد بافرها باعث افت فشار بیشتر به دلیل تغییر مسیر جریان می شود. در نتیجه فاصله فاصله بیش از حد از دکل ها به این معنی است که ممکن است در گوشه های بین دکمه های خنک لکه های خنک تری وجود داشته باشد. همچنین اطمینان حاصل کنید که فاصله بافل ها به اندازه کافی نزدیک نیست تا لوله ها آویزان نشوند. نوع اصلی دیگر سرپیچی ، دیسک و دونات است که از دو بافل متحدالمرکز تشکیل شده است. بافل بیرونی و عریض تر شبیه دونات است ، در حالی که شکل بافل داخلی به صورت دیسک است. این نوع سرپیچی سیال را وادار می کند تا از هر طرف دیسک عبور کند و سپس از طریق بافل پیراشکی نوع متفاوتی از جریان مایع را تولید کند.
• طراحی لوله ها و باله ها: برای استفاده در خنک سازی هوا با استفاده از فناوری پوسته و لوله (مانند کولر هوا / کولر شارژی برای موتورهای احتراق) ، تفاوت در انتقال حرارت بین هوا و مایع سرد می تواند به حدی باشد که نیاز به افزایش وجود دارد منطقه انتقال حرارت در سمت هوا. برای این عملکرد می توان پره ها را روی لوله ها اضافه کرد تا ناحیه انتقال حرارت در سمت هوا افزایش یابد و پیکربندی لوله ها و پره ها ایجاد شود.

مبدلهای حرارتی مایع خنک شده لوله ثابت مخصوصاً مناسب برای کاربردهای دریایی و سخت را می توان با پوسته های برنجی یا آلومینیومی ، لوله های مس یا نیکل مس ، دکمه های برنجی و توپی های انتگرال برنجی جعلی مونتاژ کرد.

مقایسه مبدل حرارتی پوسته و لوله و صفحه ای

در صورت مقایسه مبدل حرارتی صفحه ای با مبدل های پوسته و لوله ، ترتیب صفحه پشته ای حجم و هزینه کمتری دارد. تفاوت دیگر این دو در این است که مبدلهای صفحه ای معمولاً مایعات با فشار کم تا متوسط ​​را در مقایسه با فشارهای متوسط ​​و زیاد پوسته و لوله کار می کنند. سومین و تفاوت مهم این است که مبدلهای صفحه ای بیشتر از جریان جریان متقابل ، جریان خلاف جریان را به کار می گیرند ، که این امر باعث می شود اختلاف درجه حرارت نزدیک ، تغییرات دما بالا و بازده افزایش یابد.

منبع : ترجمه شده از en.wikipedia

مهمترین عوامل در انتخاب مناسب ترین مبدل حرارتی

در حالی که طیف گسترده ای از مبدل های حرارتی در دسترس هستند ، مناسب بودن هر نوع (و طراحی آن) در انتقال گرما بین مایعات بستگی به مشخصات و الزامات کاربرد دارد. این عوامل تا حد زیادی طراحی بهینه مبدل حرارتی مورد نظر را تعیین می کنند و بر رتبه و محاسبات اندازه مربوطه تأثیر می گذارند.

برخی از عواملی که متخصصان صنعت هنگام طراحی و انتخاب مبدل حرارتی باید در نظر داشته باشند عبارتند از:

• نوع مایعات ، جریان سیال و خواص آنها

• خروجی های حرارتی مورد نظر

• محدودیت اندازه

• هزینه ها

نوع سیال ، جریان و خواص

نوع خاص مایعات مانند هوا ، آب ، روغن ، و غیره - و خصوصیات فیزیکی ، شیمیایی و حرارتی آنها - از جمله فاز ، دما ، اسیدیته یا قلیایی ، فشار، سرعت جریان و غیره - در تعیین جریان کمک می کند. پیکربندی و ساخت و ساز مناسب برای آن برنامه انتقال حرارت خاص است.

به عنوان مثال ، اگر مایعات خورنده ، درجه حرارت بالا یا مایعات با فشار زیاد درگیر باشند ، طراحی مبدل حرارتی باید قادر به تحمل شرایط تنش بالا در طی فرآیند گرمایش یا سرمایش باشد. یکی از روش های تحقق این الزامات با انتخاب مصالح ساختمانی است که دارای خواص مورد نظر می باشند: مبدلهای حرارتی گرافیتی دارای رسانایی حرارتی بالا و مقاومت در برابر خوردگی هستند ، مبدلهای حرارتی سرامیکی می توانند درجه حرارت بالاتر از نقاط ذوب فلزات متداول و مبدلهای حرارتی پلاستیک را کنترل کنند.جایگزین کم هزینه ای را ارائه می دهد که دارای درجه ای از مقاومت در برابر خوردگی و هدایت حرارتی است.

روش دیگر با انتخاب طرحی مناسب برای خواص سیال است: مبدلهای حرارتی صفحه ای قادر به انتقال مایعات با فشار متوسط ​​تا متوسط ​​اما در سرعت بالاتر از انواع دیگر مبدلهای حرارتی هستند و تبادل گرما دو فاز هنگام کار با مایعات ضروری است. یک تغییر فاز در کل فرآیند انتقال حرارت. سایر خصوصیات جریان سیال و سیال که متخصصان صنعت ممکن است هنگام انتخاب مبدل حرارتی به خاطر داشته باشند عبارتند از ویسکوزیته سیال ، خصوصیات رسوب ، محتوای ذرات و وجود ترکیبات محلول در آب.

خروجی های حرارتی

خروجی حرارتی مبدل حرارتی به میزان گرمای منتقل شده بین مایعات و تغییر دمای مربوطه در پایان فرآیند انتقال حرارت اشاره دارد. انتقال گرما در مبدل حرارتی منجر به تغییر دما در هر دو مایعات می شود ، دمای یک سیال به محض خارج شدن گرما کاهش می یابد و با افزودن حرارت ، دمای مایعات دیگر افزایش می یابد. خروجی حرارتی مطلوب و میزان انتقال حرارت به تعیین نوع و طراحی بهینه مبدل حرارتی کمک می کند زیرا برخی از طرح های مبدل حرارتی نرخ انتقال بخاری بیشتری را ارائه می دهند و می توانند درجه حرارت بالاتر از سایر طرح ها را تحمل کنند ، البته با هزینه بالاتر.

محدودیت اندازه

پس از انتخاب نوع مطلوب مبدل حرارتی ، یک اشتباه معمول در خرید یک مورد که برای فضای فیزیکی داده شده بسیار بزرگ است. اغلب اوقات ، خرید دستگاه تبادل گرما در اندازه ای که فضای بیشتری را برای گسترش یا اضافه کردن آن فراهم می کند ، محتاط تر است و نه انتخاب دستگاهی که فضا را به طور کامل در بر بگیرد. برای برنامه های کاربردی با فضای محدود مانند هواپیماها یا اتومبیل ها ، مبدل های حرارتی جمع و جور کارایی انتقال حرارت بالا را در راه حل های کوچکتر و سبک تر ارائه می دهند. مشخصه ای از سطح انتقال حرارت زیاد به نسبت حجم ، چندین نوع از این دستگاههای تبادل گرما در دسترس هستند ، از جمله مبدلهای حرارتی صفحه جمع و جور. به طور معمول، این دستگاه ها از ویژگی های نسبت ≥700 متر 2 / متر 3 برای برنامه های کاربردی گاز به گاز و ≥400 متر 2 / متر 3 برای برنامه های کاربردی مایع به گاز.

هزینه ها

هزینه مبدل حرارتی نه تنها قیمت اولیه تجهیزات بلکه هزینه های نصب ، بهره برداری و نگهداری از طول عمر دستگاه را نیز شامل می شود. اگرچه لازم است مبدل حرارتی را انتخاب کنید که به طور مؤثر الزامات برنامه ها را برآورده کند ، همچنین لازم است که هزینه های کلی مبدل حرارتی انتخاب شده را در نظر داشته باشید تا بهتر تشخیص دهید که آیا دستگاه ارزش سرمایه گذاری دارد یا خیر. به عنوان مثال ، مبدل حرارتی در ابتدا گران اما با دوام تر ممکن است منجر به هزینه های نگهداری کمتر و در نتیجه هزینه های کل کمتر در طی دوره های چند ساله شود ، در حالی که مبدل حرارتی ارزان تر ممکن است در ابتدا ارزانتر باشد اما در همان مدت زمان به چندین تعمیر و تعویض نیاز دارد. 

مبدل حرارتی چیست؟

به زبان ساده مبدل حرارتی وسیله ای است که گرما را از یک رسانه به دیگری منتقل می کند.
 یک کولر روغن هیدرولیک یا نمونه آن گرما را از روغن داغ با استفاده از آب سرد یا هوا حذف می کند. روش دیگر مبدل حرارتی در استخر شنا برای گرم کردن آب استخر از آب گرم از دیگ بخار یا مدار آب گرم خورشیدی استفاده می کند. انتقال گرما توسط مواد تبادل کننده در حال حرکت بی آنکه اختلاط یا تماس مستقیمی بین آنها صورت گیرد انجام می شود.
مبدل حرارتی پوسته و لوله ، مایعات را از طریق لوله و لوله عبور می کند ، جایی که به عنوان مبدل حرارتی با هوا خنک می شود و هوا را از طریق هسته باله ها خنک می کند تا یک مایع خنک شود.

 

شما می توانید مبدلهای حرارتی را در انواع مکان ها مشاهده کنید ، معمولاً برای گرم کردن یا خنک کردن ساختمانها یا کمک به موتورها و ماشینها برای کارآمدتر کار کردن. یخچال و فریزر و دستگاه های تهویه مطبوع ، برای مثال، مبدل های استفاده از حرارت در راه مخالف از سیستم های حرارت مرکزی: آنها گرما را از یک محفظه و یا اتاق که در آن می خواست نه و پمپ آن دور در یک سیال به یک جای دیگر که در آن می توان آن را ریخته بیرون از راه مایع خنک کننده کاملاً درون شبکه ای از لوله ها بسته می شود ، بنابراین در واقع با هوا تماس نمی گیرد: انرژی گرما را از هوای داخل می گیرد و آن را در هوای بیرون رها می کند ، اما هرگز مستقیماً با آن هوا مخلوط نمی شود.

انواع مبدل حرارتی

مبدل حرارتی انواع مختلفی وجود دارد که با توجه به کاربرد آنها تقسیم بندی می شوند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله یا Shell و Tube

مبدل های حرارتی پوسته و لوله از تعداد زیادی لوله کوچک تشکیل شده است که درون یک پوسته استوانه ای قرار گرفته اند. لوله ها با استفاده از بسته نرم افزاری لوله یا "پشته لوله" درون سیلندر قرار می گیرند که می تواند دارای صفحات لوله ثابت (به طور دائم بر روی بدنه ثابت باشد) باشد ، یا در مورد Heat Exchange یک پشته لوله شناور که امکان گسترش بسته های لوله را دارد.
مبدل حرارتی پوسته و لوله ، مایعات را از طریق لوله و لوله عبور می کند ، جایی که به عنوان مبدل حرارتی با هوا خنک می شود و هوا را از طریق هسته باله ها خنک می کند تا یک مایع خنک شود.

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدلهای حرارتی Plate همانند مبدلهای حرارتی یک پوسته و لوله کار می کنند و به جای لوله ها از یک سری صفحات پشته استفاده می کنند. مبدلهای حرارتی بشقاب معمولاً بسته به کاربرد و مایعات مورد استفاده ، باریک یا واشر هستند. ساخت و ساز فولاد ضد زنگ جمع و جور آنها را به یک انتخاب ایده آل برای استفاده با مبرد یا در فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی تبدیل کرده است.

مبدل حرارتی خنک کننده هوا

در انواع مبدلهای حرارتی خنک کننده هوا  لوله‎های عبوری سیالات وسط فین ‎های انتقال حرارت احاطه ‎شده‎اند که  معمولاً در رادیاتور ماشین، رادیاتور فن کویل‎ ها، کندان سور یخچال ‌‏ها و کویل‎ های حرارتی که منبع آب دائمی در دسترس نیست استفاده می شود. 

دمای ورودی و خروجی

عبور درجه حرارت اصطلاحی است که برای توصیف سناریو استفاده می شود که دمای هر دو مدار در مبدل حرارتی مایع سرد شده شروع به عبور از آن می کند. این می تواند یک عامل مهم در طراحی مبدل های حرارتی باشد زیرا با عبور درجه حرارت، بازده یک کولر به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. در بسیاری موارد مبدل حرارتی صفحه بهترین گزینه برای برنامه هایی است که نمی توان از عبور درجه حرارت جلوگیری کرد.

روغن	آب
دمای ورودی	80	30
دمای خروجی	50	51.5
نرخ جریان	25 لیتر در دقیقه	15 لیتر در دقیقه

جدول فوق نشان می دهد که دمای خروجی آب خنک کننده کمی بالاتر از دمای خروجی روغن است. یکی از راه های ساده برای مقابله با این و افزایش راندمان کولر روغن ، افزایش سرعت جریان مایع خنک کننده است. در این مثال خاص افزایش سرعت جریان آب به 25 لیتر در دقیقه باعث می شود دمای خروجی آب به 43 درجه سانتیگراد کاهش یابد.