مبدل‌های حرارتی دستگاه‌هایی هستند که برای انتقال انرژی حرارتی بین دو سیال با دماهای متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دستگاه‌ها در صنایع مختلفی از جمله نفت، گاز، پتروشیمی، صنایع غذایی، و نیروگاه‌ها کاربرد فراوانی دارند. عملکرد مناسب یک مبدل حرارتی به عوامل مختلفی بستگی دارد که در این مقاله به بررسی جامع آن‌ها می‌پردازیم.
عوامل موثر بر انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی
-
مشخصات سیالات:
دما
- اختلاف دمای محرک: همانطور که قبلاً ذکر شد، اختلاف دما بین دو سیال، نیروی محرکه اصلی برای انتقال حرارت است. هرچه این اختلاف بیشتر باشد، گرادیان دمایی ایجاد شده در جداره مبدل حرارتی بیشتر شده و در نتیجه انتقال حرارت با سرعت بیشتری انجام می‌شود.
- تأثیر دما بر خواص فیزیکی: دما بر خواص فیزیکی سیالات مانند ویسکوزیته، چگالی و ظرفیت گرمایی ویژه تأثیر می‌گذارد. تغییرات این خواص با دما، می‌تواند بر ضریب انتقال حرارت کنوکتیو تأثیرگذار باشد.
دبی
- تأثیر دبی بر ضریب انتقال حرارت کنوکتیو: افزایش دبی سیال باعث افزایش سرعت جریان و در نتیجه افزایش ضریب انتقال حرارت کنوکتیو می‌شود. زیرا با افزایش سرعت، لایه مرزی نازک‌تر شده و مقاومت حرارتی کاهش می‌یابد.
- تأثیر دبی بر افت فشار: افزایش دبی، باعث افزایش افت فشار در داخل مبدل حرارتی می‌شود. بنابراین، انتخاب دبی مناسب، بهینه سازی بین انتقال حرارت و افت فشار را می‌طلبد.
خواص فیزیکی
- ویسکوزیته: ویسکوزیته سیال، مقاومت آن در برابر جریان یافتن است. سیالات با ویسکوزیته بالاتر، ضریب انتقال حرارت کنوکتیو کمتری دارند.
- چگالی: چگالی سیال بر نیروهای شناوری و اختلاط در جریان تأثیر می‌گذارد. تغییرات چگالی با دما، می‌تواند بر الگوی جریان و در نتیجه بر انتقال حرارت تأثیر بگذارد.
- ظرفیت گرمایی ویژه: ظرفیت گرمایی ویژه نشان می‌دهد که چه مقدار انرژی حرارتی برای افزایش دمای واحد جرم از یک سیال مورد نیاز است. سیالات با ظرفیت گرمایی ویژه بالاتر، برای جذب یا دفع حرارت، به مقدار بیشتری انرژی نیاز دارند.
- ضریب هدایت حرارتی: ضریب هدایت حرارتی، بیانگر توانایی یک ماده در انتقال حرارت به صورت هدایتی است. سیالات با ضریب هدایت حرارتی بالاتر، انتقال حرارت هدایتی بیشتری دارند.
فاز سیال
- انتقال حرارت در سیالات تک‌فاز: در سیالات تک‌فاز، انتقال حرارت عمدتاً به صورت کنوکتیو رخ می‌دهد.
- انتقال حرارت در سیالات دو‌فاز: در سیالات دو‌فاز (مانند جوشش و چگالش)، مکانیسم‌های انتقال حرارت پیچیده‌تر بوده و ضرایب انتقال حرارت بسیار بالاتر از سیالات تک‌فاز هستند. پدیده‌هایی مانند حباب‌زایی، فیلم جوشش و چگالش قطره‌ای، بر انتقال حرارت در سیالات دو‌فاز تأثیرگذارند.
تأثیر متقابل خواص فیزیکی
خواص فیزیکی سیالات به صورت جداگانه و توأم بر انتقال حرارت تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، افزایش دما باعث کاهش ویسکوزیته می‌شود که منجر به افزایش ضریب انتقال حرارت کنوکتیو می‌شود. اما از طرف دیگر، افزایش دما باعث کاهش چگالی می‌شود که می‌تواند بر الگوی جریان و در نتیجه بر انتقال حرارت تأثیر بگذارد.
درک عمیق از این مشخصات، برای طراحی بهینه مبدل‌های حرارتی و پیش‌بینی عملکرد آن‌ها بسیار ضروری است.
-
مشخصات هندسی مبدل حرارتی:
مشخصات هندسی مبدل حرارتی، به طور مستقیم بر عملکرد آن تأثیرگذار است. این مشخصات، بر میزان سطح تماس بین سیالات، الگوی جریان سیال و در نتیجه، میزان انتقال حرارت تأثیر می‌گذارند. در ادامه، هر یک از این مشخصات را به طور مفصل بررسی می‌کنیم:
نوع مبدل حرارتی
- مبدل‌های پوسته و لوله: این نوع مبدل‌ها از یک پوسته استوانه‌ای تشکیل شده‌اند که درون آن تعدادی لوله قرار دارد. سیال گرم در پوسته و سیال سرد در لوله‌ها جریان می‌یابند. با استفاده از بافل‌ها، جهت جریان سیال در پوسته تغییر داده می‌شود تا ضریب انتقال حرارت افزایش یابد.
- مبدل‌های صفحه‌ای: این مبدل‌ها از صفحات موازی تشکیل شده‌اند که در بین آن‌ها کانال‌هایی برای جریان سیالات وجود دارد. این نوع مبدل‌ها دارای سطح تماس بسیار زیاد و افت فشار کم هستند.
- مبدل‌های مارپیچی: در این مبدل‌ها، دو کانال مارپیچی به دور هم پیچیده شده‌اند. این نوع مبدل‌ها برای سیالات با ویسکوزیته بالا مناسب هستند.
- مبدل‌های حرارتی صفحه و قاب: این مبدل‌ها از صفحات موج‌دار تشکیل شده‌اند که بین آن‌ها واشرهای آب‌بندی قرار دارد. این نوع مبدل‌ها برای سیالات خورنده و سیالاتی که تمایل به تشکیل رسوب دارند، مناسب هستند.
مساحت سطح انتقال حرارت
- تأثیر بر ضریب انتقال حرارت: هرچه مساحت سطح انتقال حرارت بیشتر باشد، سطح تماس بین دو سیال افزایش یافته و در نتیجه، میزان انتقال حرارت بیشتر می‌شود.
- روش‌های افزایش سطح انتقال حرارت: برای افزایش سطح انتقال حرارت، می‌توان از روش‌هایی مانند افزایش تعداد لوله‌ها در مبدل‌های پوسته و لوله، افزایش تعداد صفحات در مبدل‌های صفحه‌ای و ایجاد برجستگی‌ها روی صفحات استفاده کرد.
ضخامت جداره
- تأثیر بر مقاومت حرارتی: ضخامت جداره جداکننده دو سیال، بر مقاومت حرارتی تأثیر می‌گذارد. هرچه ضخامت جداره کمتر باشد، مقاومت حرارتی کمتر شده و در نتیجه، انتقال حرارت بیشتر می‌شود.
- محدودیت‌های کاهش ضخامت: کاهش بیش از حد ضخامت جداره، می‌تواند باعث کاهش استحکام مکانیکی مبدل حرارتی شود.
آرایش لوله‌ها
- تأثیر بر ضریب انتقال حرارت و افت فشار: آرایش لوله‌ها در مبدل‌های پوسته و لوله، بر ضریب انتقال حرارت و افت فشار تأثیر می‌گذارد. آرایش‌های مختلفی مانند مثلثی و مربعی وجود دارد که هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند.
- آرایش مثلثی: در این آرایش، لوله‌ها به صورت مثلثی در پوسته قرار می‌گیرند. این آرایش، باعث افزایش توربولانس جریان شده و ضریب انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.
- آرایش مربعی: در این آرایش، لوله‌ها به صورت مربعی در پوسته قرار می‌گیرند. این آرایش، باعث کاهش افت فشار می‌شود اما ضریب انتقال حرارت آن کمتر از آرایش مثلثی است.
سایر مشخصات هندسی
- طول لوله‌ها: افزایش طول لوله‌ها، باعث افزایش سطح انتقال حرارت می‌شود.
- قطر لوله‌ها: کاهش قطر لوله‌ها، باعث افزایش سرعت سیال و در نتیجه، افزایش ضریب انتقال حرارت می‌شود.
- فاصله بین لوله‌ها: فاصله بین لوله‌ها، بر الگوی جریان سیال و در نتیجه، بر ضریب انتقال حرارت تأثیر می‌گذارد.
در طراحی یک مبدل حرارتی، انتخاب مناسب مشخصات هندسی، به عوامل مختلفی مانند نوع سیالات، دبی سیالات، اختلاف دما، فشار کاری و محدودیت‌های فضایی بستگی دارد.
-
رسوب‌گیری:
- تشکیل رسوب روی سطوح انتقال حرارت باعث کاهش ضریب انتقال حرارت و افزایش افت فشار می‌شود. نوع سیال، دمای سیال، سرعت سیال و جنس مواد سازنده مبدل حرارتی بر میزان رسوب‌گیری تاثیرگذار هستند.
-
جوشیدن و چگالش:
- در صورتی که یکی از سیالات در مبدل حرارتی جوشیده یا چگالش پیدا کند، ضریب انتقال حرارت به شدت افزایش می‌یابد.
-
اثر ناخالصی‌ها:
- وجود ناخالصی‌ها در سیالات می‌تواند بر خواص فیزیکی آن‌ها و در نتیجه بر میزان انتقال حرارت تاثیرگذار باشد.
عوامل موثر بر ضریب کلی انتقال حرارت
ضریب کلی انتقال حرارت (U) پارامتری است که بیانگر میزان انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی است. عوامل موثر بر ضریب کلی انتقال حرارت عبارتند از:
- ضریب انتقال حرارت جداره: ضریب انتقال حرارت جداره به جنس، ضخامت و هدایت حرارتی جداره بستگی دارد.
- ضرایب انتقال حرارت کنوکتیو: ضرایب انتقال حرارت کنوکتیو در سمت سیال گرم و سرد به خواص فیزیکی سیالات، سرعت سیالات و نوع جریان (توربولانت یا لامینار) بستگی دارد.
- مقاومت‌های حرارتی ناشی از رسوب: مقاومت‌های حرارتی ناشی از تشکیل رسوب بر روی سطوح انتقال حرارت باعث کاهش ضریب کلی انتقال حرارت می‌شوند.
نتیجه‌گیری
همانطور که مشاهده شد، عوامل مختلفی بر مقدار انتقال گرمای مبدل حرارتی تاثیرگذار هستند. برای طراحی و انتخاب یک مبدل حرارتی مناسب، باید تمامی این عوامل را در نظر گرفت. با درک عمیق این عوامل می‌توان مبدل حرارتی را بهینه طراحی کرد تا با کمترین مصرف انرژی، بیشترین بازدهی را داشته باشد.
کلام آخر
مجموعه مبنا صنعت اسپادانا فعالیت خود را از سال ۱۳۸۶ آغاز کرد و با سابقه طولانی خود در ارائه طراحی یک واحد آبرسانی صنعتی،اجرای تصفیه خانه آب و پساب،اجرای آبرسانی به صنایع،اجرای شبکه انتقال پساب،ساخت فیلتر شنی،کلاریفایریا زلال کننده،ماشین ریکلایمر،اجرای پروژه های EPC،ریخته گری اسلب،ایستگاه تقلیل فشار،طراحی و ساخت غبارگیرهای صنعتی،طراحی و ساخت کولینگ تاور تبخیری و هیبریدی،تصفیه آب به روش RO،اجرای پروژه های صنایع فولاد سازی؛ ساخت فیلتر شنیبا بهترین کیفیت میباشد.
