آشنایی با مبدل های حرارتی

 

مبدل‌های حرارتی دستگاه‌هایی هستند که برای انتقال گرما بین دو یا چند سیال - یعنی مایعات، بخارات یا گازها - با دماهای مختلف طراحی شده‌اند. بسته به نوع مبدل حرارتی مورد استفاده، فرآیند انتقال حرارت می تواند گاز به گاز، مایع به گاز یا مایع به مایع باشد. این عملیات از طریق جداکننده جامد، که از اختلاط سیالات یا برخورد مستقیم آن ها جلوگیری می کند، انجام می شود. سایر ویژگی‌های طراحی، از جمله مصالح و اجزای سازنده مبدل، مکانیسم‌های انتقال حرارت، و پیکربندی‌های جریان نیز به طبقه‌بندی و دسته‌بندی انواع مبدل‌های حرارتی موجود کمک می‌کنند. با توجه به کاربرد مبدل های حرارتی در طیف وسیعی از صنایع، شبیه سازی نرم افزاری و عددی آن‌ها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. نرم افزار انسیس فلوئنت از جمله‌های نرم افزارهایی است که دارای قابلیت‌های متعددی جهت مدلسازی این دسته از مسائل است. به منظور آموزش و یادگیری نحوه‌ی شبیه سازی مبدهای حرارتی در نرم افزار انسیس فلوئنت به سایت www.fluentcfd.ir  مراجعه کنید.

این مقاله بر روی مبدل‌های حرارتی تمرکز دارد، طرح‌ها و انواع مختلف موجود را بررسی می‌کند و عملکردها و مکانیسم‌های مربوطه را توضیح می‌دهد. علاوه بر این، این مقاله ملاحظات لازم به جهت انتخاب و همچنین کاربردهای رایج برای هر نوع دستگاه مبادله حرارتی را تشریح می کند. 

طراحی مبدل حرارتی بسیار به ترمودینامیک وابسته است، که علمی است که به جریان انرژی گرمایی، دما و روابط با سایر اشکال انرژی می پردازد. برای درک ترمودینامیک مبدل های حرارتی، یک نقطه شروع خوب این است که در مورد سه روش انتقال گرما – هدایت، جابجایی و تشعشع – بیاموزیم. در بخش های زیر، بررسی هر یک از این حالت های انتقال حرارت ارائه شده است.

انتقال حرارت هدایتی عبارت است از عبور انرژی حرارتی بین موادی که با یکدیگر در تماس هستند. دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی مولکول ها در یک ماده است - اجسام گرم تر (که در دمای بالاتری هستند) حرکت مولکولی بیشتری از خود نشان می دهند. هنگامی که یک جسم گرمتر با یک جسم سردتر (یکی که در دمای پایین تری قرار دارد) در تماس قرار می گیرد، یک انتقال انرژی حرارتی بین دو ماده انجام می شود و از انرژی جسم گرم تر کاسته می شود و در همین حین انرژی جسم سردتر افزایش پیدا می کند. این روند تا رسیدن به تعادل حرارتی ادامه خواهد داشت.

نرخ انتقال انرژی گرمایی در یک ماده توسط هدایت حرارتی با عبارت زیر بدست می‌آید :

در این عبارت، Q مقدار گرمای منتقل شده درون ماده در مدت زمان t را نشان می دهد، ΔT اختلاف دما بین یک طرف ماده و طرف دیگر (گرادیان حرارتی)، A سطح مقطع ماده، و d ضخامت ماده است. ثابت k به عنوان هدایت حرارتی ماده شناخته می شود و تابعی از خواص ذاتی ماده و ساختار آن است. هوا و سایر گازها عموماً دارای رسانایی حرارتی پایینی هستند، در حالی که جامدات غیرفلزی مقادیر بالاتر و جامدات فلزی معمولاً بالاترین مقادیر را نشان می دهند.

انتقال حرارت جابجایی انتقال انرژی حرارتی از یک سطح از طریق حرکت سیالی مانند هوا یا آب گرم شده است. بیشتر سیالات هنگام گرم شدن منبسط می شوند و بنابراین چگالی کمتری پیدا می کنند و نسبت به قسمت های دیگر سیال که خنک تر هستند، بالا می روند. بنابراین، هنگامی که هوای اتاق گرم می شود، به دلیل گرم تر بودن و داشتن چگالی کم تر تا سقف بالا می رود و انرژی گرمایی را با برخورد با هوای خنک اتاق منتقل می کند، سپس متراکم تر می شود و دوباره به سمت زمین برمی گردد. این فرآیند یک جریان جابجایی طبیعی یا آزاد ایجاد می کند. جابجایی همچنین می‌تواند از طریق چیزی که جابجایی اجباری یا کمکی نامیده می‌شود رخ دهد، مانند زمانی که آب گرم از طریق لوله‌ای مانند سیستم گرمایش هیدرونیک (Hydronic) پمپ می‌شود. 

برای جابجایی آزاد، نرخ انتقال گرما با استفاده از قانون سرمایش نیوتن بیان می شود :

در رابطه فوق Q ̇ نرخ انتقال گرما، h_c ضریب انتقال حرارت جابجایی، A سطحی است که فرآیند جابجایی روی آن اتفاق می‌افتد، و ΔT اختلاف دمایی بین سطح و سیال است. ضریب انتقال حرارت جابجایی h_c (مشابه هدایت حرارتی) تابعی از خواص سیال است.

تابش یا تشعشع حرارتی مکانیزم انتقال انرژی گرمایی است که شامل انتشار امواج الکترومغناطیسی از یک سطح یا جسم گرم شده است. بر خلاف هدایت و جابجایی، تابش حرارتی برای حمل انرژی موج به یک محیط واسط و میانی نیاز ندارد. تمام اجسامی که دمای آن ها بالاتر از صفر مطلق (273.15- درجه سانتیگراد) است، تشعشعات حرارتی را در یک محدوده طیفی معمولاً وسیع منتشر می کنند. 

نرخ خالص حرارت تلف شده توسط تشعشع را می توان با استفاده از قانون استفان - بولتزمن به صورت زیر بیان کرد :

که در رابطه فوق Q انتقال حرارت در واحد زمان، T_h دمای جسم داغ (به واحد مطلق، کلوین (K))، T_c دمای محیط سردتر است (در واحد مطلق، کلوین (K))، σ ثابت استفان - بولتزمن است (که مقدار آن 5.6703×〖10〗^(-8) است). اصطلاحی که با ε نشان داده می شود ضریب صدور (Emissivity) ماده است و بسته به ویژگی های ماده و توانایی آن در انعکاس (Reflect)، جذب (Absorb) یا انتقال (Transmit) تابش می تواند مقداری بین 0 تا 1 داشته باشد. این پارامتر تابعی از دمای مواد نیز می باشد.

همانطور که در بالا ذکر شد، همه مبدل های حرارتی بر اساس اصول اولیه یکسانی کار می کنند. با این حال، این دستگاه ها را می توان بر اساس ویژگی های طراحی آن ها به چند روش مختلف طبقه بندی و دسته بندی کرد. مشخصه های اصلی که مبدل های حرارتی را می توان طبقه بندی کرد عبارتند از :

انواع مختلف (پیکربندی) جریان

روش ساخت

مکانیسم انتقال حرارت

دو نوع مکانیزم انتقال حرارت توسط مبدل های حرارتی استفاده می شود - انتقال حرارت تک فاز یا دو فاز.

در مبدل های حرارتی تک فاز، سیالات در طول فرآیند انتقال حرارت دچار تغییر فاز نمی شوند، به این معنی که سیال گرم تر و خنک تر در همان حالت فازی که وارد مبدل حرارتی شده اند، باقی می مانند. به عنوان مثال، در کاربردهای انتقال حرارت آب به آب، آب گرم تر گرما را از دست می دهد که سپس به آب سردتر منتقل می شود و به گاز یا جامد تبدیل نمی شود.

از سوی دیگر، در مبدل های حرارتی دو فازی، سیالات در طول فرآیند انتقال حرارت تغییر فاز را تجربه می کنند. تغییر فاز می تواند در یک یا هر دو سیال مورد استفاده رخ بدهد که منجر به تغییر فاز از مایع به گاز یا گاز به مایع می شود. به طور معمول، دستگاه هایی که از مکانیزم انتقال حرارت دو فازی استفاده می کنند، نسبت به دستگاه هایی که از مکانیسم انتقال حرارت تک فاز استفاده می کنند، به ملاحظات طراحی پیچیده تری نیاز دارند. برخی از انواع مبدل های حرارتی دو فازیِ موجود عبارتند از بویلر، کندانسور و اواپراتور.

انواع مبدل های حرارتی

بر اساس مشخصات طراحی که در بالا ذکر شد، چندین نوع مختلف مبدل حرارتی موجود است. برخی از انواع متداول‌تر مورد استفاده در صنعت عبارتند از :

مبدل  های حرارتی پوسته و لوله (Shell and tube heat exchangers)

مبدل های حرارتی دو لوله ای (Double pipe heat exchangers)

مبدل  های حرارتی صفحه ای (Plate heat exchangers)

کندانسورها، اواپراتورها و بویلرها

مبدل های حرارتی پوسته و لوله

متداول ترین نوع مبدل‌های حرارتی، مبدل‌های حرارتی پوسته‌ای و لوله‌ای از یک لوله یا سری لوله‌های موازی (به عنوان مثال، دسته لوله) ساخته می‌شوند که درون یک مخزن فشار استوانه‌ای مهر و موم شده (یعنی پوسته) قرار دارند. طراحی این دستگاه ها به گونه ای است که یک سیال از لوله کوچکتر و سیال دیگر از درون پوسته و و از روی سطح خارجی لوله ها جریان می یابد. دیگر ویژگی‌های طراحی موجود برای این نوع مبدل حرارتی شامل لوله‌های پره دار، انتقال حرارت تک یا دو فازی، جریان متقابل یا ناهمسو، جریان همسو، جریان متقاطع و یا پیکربندی‌های یک، دو یا چند گذری می‌باشد. 

برخی از انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای موجود شامل مبدل های حرارتی سیم پیچ حلزونی (helical coil heat exchangers) و مبدل های حرارتی دو لوله ای و برخی از کاربردها شامل پیش گرمایش، خنک کاری روغن و تولید بخار می باشد.

 

شکل 2 - نمای نزدیک از مبدل حرارتی لوله ای (بسته لوله).

جهت آموزش و یادگیری نحوه‌ی شبیه سازی مبدل های حرارتی پوسته و لوله در نرم افزار فلوئنت به این سایت مراجعه کنید.

مبدل های حرارتی دو لوله ای

مبدل های حرارتی دو لوله ای، نوعی مبدل حرارتی پوسته و لوله هستند که از ساده ترین طراحی و پیکربندی مبدل حرارتی استفاده می-کنند و متشکل از دو یا چند لوله یا لوله استوانه ای هم مرکز (یک لوله بزرگتر و یک یا چند لوله کوچکتر) می باشند. طبق طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله، یک سیال از طریق لوله کوچکتر و سیال دیگر در اطراف لوله کوچکتر و در لوله بزرگتر جریان می یابد. 

الزامات طراحی مبدل‌های حرارتی دو لوله ای شامل ویژگی‌هایی مانند بازیابی حرارتی و تماس غیرمستقیم است که قبلاً ذکر شد، زیرا سیالات از هم جدا می‌مانند و در طول فرآیند انتقال حرارت از طریق کانال‌های خود جریان می‌یابند. با این حال، برخی انعطاف‌پذیری در طراحی مبدل‌های حرارتی دو لوله ای وجود دارد، زیرا آن‌ها می‌توانند به صورت جریان همسو یا جریان ناهمسو طراحی شوند و در پیکربندی‌های سری، موازی یا سری - موازی در یک سیستم استفاده شوند. به عنوان مثال، شکل 3، در زیر، انتقال گرما در یک مبدل حرارتی دو لوله ای با لوله های جدا از هم را با پیکربندی جریان همسو نشان می دهد.

شکل 3 - انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی دو لوله  ای

مبدل های حرارتی صفحه ای از چندین صفحه نازک که در کنار هم قرار گرفته اند، ساخته شده است. هر جفت صفحه کانالی را ایجاد می-کند که از طریق آن یک سیال می تواند جریان یابد. این جفت ها روی هم چیده شده و به یکدیگر متصل می شوند - از طریق پیچ و مهره، لحیم کاری، یا جوش - به طوری که یک مسیر عبور دوم بین این جفت ها ایجاد می شود و باعث می شود که سیال دیگر بتواند از طریق آن جریان یابد. 

طراحی صفحه استاندارد نیز در انواع مختلف در دسترس است، مانند مبدل های حرارتی پره صفحه ای (Plate Fin) یا صفحه بالشی (pillow Plate). مبدل‌های پره صفحه‌ای از پره‌ها یا جداکننده‌های بین صفحات استفاده می‌کنند و اجازه می‌دهند پیکربندی‌های جریان چندگانه (بیش از دو جریان سیال) از دستگاه عبور کنند. مبدل های صفحه بالشی به صفحات فشار وارد می کنند تا راندمان انتقال حرارت را در سراسر سطح صفحه افزایش دهند. برخی از انواع دیگر موجود عبارتند از مبدل های حرارتی صفحه و قاب (plate and frame)، صفحه و پوسته (plate and shell) و مبدل های حرارتی صفحه حلزونی (spiral plate).

 

شکل 4 - نمای نزدیک از یک مبدل حرارتی صفحه ای.

بویلرها، کندانسورها و اواپراتورها مبدل های حرارتی هستند که از مکانیزم انتقال حرارت دو فازی استفاده می کنند. همانطور که قبلاً ذکر شد، در مبدل های حرارتی دو فاز، یک یا چند سیال در طول فرآیند انتقال حرارت دچار تغییر فاز می شوند، یا از مایع به گاز یا گاز به مایع تبدیل می شوند.

کندانسورها وسایل مبادله حرارتی هستند که گاز یا بخار گرم شده را می گیرند و آن را تا نقطه چگالشش خنک کرده و گاز یا بخار را به مایع تبدیل می کنند. از طرف دیگر، در اواپراتورها و بویلرها، فرآیند انتقال حرارت، سیالات را از حالت مایع به حالت گاز یا بخار تغییر می دهد.

سایر مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی در کاربردهای مختلفی در طیف وسیعی از صنایع استفاده می شوند. در نتیجه، انواع مختلفی از مبدل های حرارتی موجود است که هر کدام برای نیازها و مشخصات یک کاربرد خاص مناسب است. علاوه  بر مبدل های حرارتی ذکر شده در بالا، انواع دیگر مبدل های موجود عبارتند از مبدل های حرارتی خنک شونده با هوا (air cooled heat exchangers)، مبدل های حرارتی خنک شونده با فن (fan cooled heat exchangers) و مبدل های حرارتی چرخ آدیاباتیک (adiabatic wheel heat exchangers).