دنیای مبدل حرارتی

مبدل های حرارتی همانند پمپ ها و مخازن به طور وسیع در اغلب واحد های فرآیندی استفاده می شوند . چراکه کنترل حرارت به صورت بخش مهمی از عملیات کارخانه به حساب می آید و می تواند به صورت کاربرد مستقیم ( مثلا در یک کوره ) و یا به صورت تبادل حرارت ( مثلا در یک مبدل لوله ای یا پوسته ای Shell and Tube ) انجام شود .
کاربرد داخلی یک مبدل حرارتی تامین تعادلی حرارتی با دفع و یا جذب حرارت در تبادل با منابع بیرون میان دو جریان با دماهای متفاوت می باشد .
در این مقاله به بیان بررسی الزامات عمومی برای طراحی و جانمایی مبدل های حرارتی خواهیم پرداخت . علاوه بر این اطلاعات که طراح جهت تعیین مکان ، ارتفاع ، عملکرد و نگهداری انواع متداول مبدل ها و نیز تعیین مکان لوله کشی و کنترل گرما لازم برای این وسایل را مرور خواهیم کرد .

قسمت های مختلف و اطراف یک مبدل حرارتی

خنک کننده ( Cooler )

خنک کننده تعبیه شده ، گاز جاری در فرآیند را با انتقال حرارت آن به آب خنک کننده اتمسفر و یا محیط های دیگر ، خنک می کند .

مبدل (Exchanger)

مبدل ها ، حرارت را میان جریان هوا گرم و جریان هوا سرد ، تبادل می کنند .

دیگ بخار مضاعف (Reboiler)

سیال جمع آوری شده در ته برج ها را با استفاده از بخار ، روغن و یا یک جریان داغ به عنوان واسطه حرارتی ، تبخیر می کند .

هیتر (Heater)

جریان جاری در فرآیند را با استفاده از چگالش بخار حرارت می دهد .

کندانسور (Condenser)

بخار را به وسیله انتقال حرارت از آن به آب سرد ، هوای اتمسفر و یا هر محیط واسطه دیگر ، تقطیر می کند .

چیلر (Chiller)

جریان فرآیند را به وسیله تبخیر ماده یخچالی (Refrigerant) تا دماهای بسیار پایین سرد می کند .

ساختمان مبدل Exchanger Construction

متداول ترین مبدل های حرارتی که در کاربردهای فرآیندی استفاده می شوند را مورد بررسی قرار خواهیم داد :

مبدل های پوسته و لوله Shell and Tube

مبدل های پوسته و لوله ، مخازن استوانه ای شکل بلند از جنس فولاد هستند که شامل مجموعه ای از مجراهای موازی می باشند .
در این نوع مبدل ها ، سیال در داخل پوسته مبدل جریان یافته و سیالی دیگر نیز داخل تیوپ ها جاری می شود و به این صورت تبادل حرارتی مورد نظر میان دو سیال انجام می گیرد .

در انتهای مبدل نیز سرپوش ها (Head) را می توان طوری طراحی کرد که جریان های مختلف از مجراهای مبدل عبور کنند . به علاوه اگر بخواهیم چند جریان مختلف از سمت پوسته عبور کنند ، می توان تعدادی Baffle را به این منظور به موازات تیوب ها مبدل نصب نمود .
می توان Baffle را داخل پوسته مبدل ، عمود بر تیوب ها نصب کرد تا سیال درون پوسته روی تیوب ها جاری و سطح تماس بیشتر و زمان ماندگاری آن در داخل مبدل بیشتر شود .
مبدل های چند مسیری (Multiple Pass) به منظور افزایش سرعت سال و یا بیشتر کردن مسیر جریان جهت انتقال حرارت بیشتر استفاده می شوند .
پوسته ی اغلب مبدل ها از لوله های یکپارچه و بدون درز جوش یا همان لوله مانیسمان در قطرهای کوچک و برای اندازه های بزرگتر از صفحات فولادی جوش داده شده و شکل گرفته ساخته می شوند .
اندازه مجموعه لوله ها (Tube Bundle) می تواند از قطر 8 تا 96 اینچ و طول 6 تا 50 فوت تغییر کند . انتهای پوسته را نیز می توان طوری طراحی نمود که بتوان از پوشش های پوسته ای (Shell Cover) از نوع فلنج ، بشقابی (Dished) و جوشی و یا اینکه از سرپوش های جوشی یا فلنجی (Flange or Welded heads) استفاده نمود .
در هر دو قسمت تیوب ها و پوسته مبدل ، نازل های ورودی و خروجی قرار می گیرند که وظیفه شان تامین جریان لازم از میان مبدل است .
کل واحد مبدل نیز از قسمت پوسته خروجی روی Saddle متصل شده برای نصب افقی و یا روی Lug برای نصب عمودی قرار گرفته و ساپورت می شود . مجموعه لوله ها (Tube Bundle) از تعداد زیادی لوله با قطر کوچک تشکیل شده است که در انتهای Bundles به ورق های لوله (Tube Sheet) منتهی می شود .
یک انتهای Tube Bundle ثابت و انتهای دیگر آن آزاد بوده و به صورت شناور قابلیت انبساط و افزایش طول را دارد . در شکل های ساده تر لوله ای U شکل ، فقط یک ورق لوله (Tube Sheet) استفاده می شود که به صورت یکپارچه با سرپوش کانال (Channel head) قرار میگیرد .
چانچه تعداد مناسبی از سرپوش (Head cover) ، پوشش پوسته (Shell cover) در دسترس باشد ، می توان مبدل هایی با شکل ها و طرح های مختلف در نظر گرفت . به این ترتیب می توان استفاده های زیاد و متنوعی از آن ها به عمل آورد .

مبدل های صفحه ای Plate exchanger

این نوع مبدل معمولا در کاربردهایی که دما و فشار پایین است ، استفاده می شوند. مبدل های صفحه ای از قسمت هایی شامل پوشش های انتهایی (End Cover) میله ای حامل (Carrying bar) نازل های ورودی و خروجی ، ورقه ها (Plate) و واشرهای لاستیکی (Gasket) تشکیل می شوند .
داخل مبدل میان صفحات فواصلی جهت عبور جریان سیال وجود دارد . واشر لاستیکی ذکر شده نیز که در کانال های اطراف و پیرامون صفحات قرار گرفته ، توزیع جریان سیال را حفظ می کند .

در گوشه های هر صفحه نیز مسیر ورود و خروج برای سیال گرم و سرد وجود دارد که وقتی صفحات کنار هم قرار میگیرند ، تشکیل چهار مسیر را از میان مجموعه صفحات (Plate pack) می دهند .
نحوه توزیع سیال های گرم و سرد به کانال های جریان مختلف توسط واشر پیرامون هر سوراخ تعیین می شوند . وقتی سیال بخواهد به صفحه بعدی برود ، واشر حول سوراخ دست نخورده باقی می ماند ، جهت گیری و تنظیم جریان سیال توسط محورهای حامل (Carrying bar) بالایی و پایینی و Slot در هر صفحه تغییر می کند .
وقتی مجموعه کاملا مونتاژ شد ، مجموعه صفحات (Plate Pack) و واشرها با استفاده از چند پیچ بین دو سرپوش محکم می شوند . پوشش انتهای ثابت (Fixed end cover) مبدل و میله حامل (Carrying bar) تکیه گاه های سیستم بوده و مبدل روی آن ها ساپورت می شود . قابل توجه اینکه مبدل های صفحه ای نسبت به مبدل های لوله و پوسته ای با سطح برابر ، به فضای نصب و سرویس کمتری احتیاج دارند .

مبدل های حرارتی حلزونی Spiral heat exchanger

مبدل های حرارتی حلزونی یا مارپیچی عموما ئر واحد های شیمیایی استفاده شده و دارای ساختاری دایره ای شکل می باشند . این مبدل ها شامل مجموعه ای از دو نوار دراز از ورقه می شوند که به شکل یک زوج مجرای مارپیچی هم مرکز به یکدیگر پیچیه شده اند .
لبه های دیگر این مجرا بسته هستند ، لذا سیال از کانال های پیوسته و ممتد عبور می کند .

پوشش (Cover) مبدل نیز که در هر طرف مجموعه مارپیچی قرار میگیرند ، قابل جدا شدن هستند و می توان با برداشتن آن ها به ورقه های حلزونی دسترسی پیدا کرد .
نازل های ورودی و خروجی با محفظه ی ورقه ها و پوشش ها (Cover) یکپارچه می باشند . تکیه گاه های سیستم در حالت نصب افقی به صورت Leg متصل به محفظه (Housing) مبدل و در حالت نصب عمودی به صورت Leg می باشد .
مشابه مبدل های صفحه ای ، مبدل های حرارتی نیز به نوعی جمع و جور بوده و نسبت به مبدل های متدوال با سطح برابر ، نیاز به فضای سرویس کمتری دارد .

مبدل های جفت لوله Double pipe exchanger

مبدل های جفت لوله ای یا مبدل لوله و پره (Fin-Tube) زمانی مورد استفاده قرار میگیرد که کی از دو سیال تفاوت بیشتری نسبت به جریان حرارت نسبت به دیگری داشته باشد و یا وقتی که سطح انتقال حرارت کوچک است .
در چنین حالاتی ، اضافه کردن تعدادی پره به لوله داخلی ، مقاومت سیال در برابر جریان حرارت را از بین می برد.مبدل جفت لوله ای از یک لوله درون لوله دیگر تشکیل شده است که هر دو لوله دارای یک خم برگشتی (Return bend) می باشند . لوله داخلی از پره پر شده و لوله خارجی به صورت یک پوسته عمل می کند .
نازل های پوسته (Shell nozzle) به صورت عمودی در لوله خارجی نصب و نازل های لوله ای (Tube nozzle) مستقیما با انتهای لوله داخلی جوش داده می شوند . در نهایت مجموعه مبدل به صورت افقی روی براکت های متصل به پایه و یا در یک طرف تکیه گاه یک دستگاه دیگر مجاور ، قرار گرفته و ساپورت می شود .