تولید مبدل و انتقال گرما در صنایع فرآیندی دارای اهمیت زیادی میباشد.در اغلب فرآیندها لازم است به دفعات دمای سیال افزایش یا کاهش یابد.
تجهیزاتی که وظیفه تولید انرژی حرارتی و انتقال آن به فرآیندها را برعهده دارد:
دیگ های بخار
گرم کن ها
کوره ها
تجهیزاتی که وظیفه انتقال حرارت به سیال فرآیند را برعهده دارد:
کولرهای هوایی
چیلرها
برج های خنک کننده
کندانسورها
جوش آورها
تبخیرکننده ها
مبدل های حرارتی مانند پمپ ها و مخازن بطور وسیع در اکثر واحدهای فرآیندی کاربرد دارند،زیرا کنترل حرارت به عنوان بخش مهمی از عملیات کارخانه به حساب می آیدو میتواند به صورت کاربرد مستقیم (مثلا در یک کوره )و یا به صورت تبادل حرارت انجام شود.
این تجهیز علاوه بر آنکه یک مفهوم عام میباشد،به تجهیزی اطلاق میشود که به صورت خاص وظیفه انتقال حرارت بین دو سیال را برعهده دارد.
اساس کار مبدل های گرمایی ،انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر و غالبا از طریق یک سطح واسط جداکننده دیواره مانند و همچنین به ندرت از طریق ارتباط مستقیم دو سیال صورت میگیرد.
به دلیل نیاز صنایع فرآیندی به تبادل گرما میان سیالات با اختراع مبدل حرارتی فناوری و گسترده تولید این تجهیز با سرعت زیادی توسعه یافت.علاوه برایفای وظیفه اصلی خود ،در بسیاری از فرآیندها در صرفه جویی و بهینه سازی مصرف انرژی نیز تاثیر گذار میباشند.کاربرد صحیح انتقال حرارت در فرآیندها،میتواند باعث افزایش بازده و کیفیت محصول شده و مصرف انرژی را نیز کاهش دهد.اما برای بدست آوردن این منافع،لازم است عملکرد مبدل ها،شناخت انواع آن،شناخت شرکت های سازنده و انواع فناوری و اطلاع از آخرین اختراعات، فناوری ها و تجربیات دیگران،به درستی صورت پذیرد
تاریخچه
در سال 1748 میلادی در دانشگاه گلاسکو اولین یخچال آزمایشی توسط ویلیام کالن ساخته شد،این یخچال گرچه عملکرد صحیحی داشت،اما هیچگاه به صورت عملی و تجاری ساخته و عرضه نشد.
در سال1933میلادی در کشور اتریش،مبدل های صفحه ای با بازده و کارایی مناسب را برای استفاده در صنایعFischer ازسوی دیگر شرکت
غذایی تولید نمود.در طول چنگ چهانی دوم و دوره سازندگی به دلیل نیاز صنایع مختلف ،خودروها و کاربردهای خانگی و عمومی،ساخت مبدل های حرارتی پیشرفت های زیادی داشت.این پیشرفت ها باعث گردید تا مبدل های حرارتی تولیده شده دارای ظرفیت های گرمایی بالا و بازده خوب باشتد،از طرف دیگر امکان استفاده از آلیاژ های فلزی سبک و مقاوم در برابر خوردگی همچنین امکان اسفاده از سرامیک ها باعث کاهش وزن و ابعاد این مبدل ها شد و همچنین طول عمر مفید انها به میزان زیادی افزایش یافت.
آسانی نصب ،راه اندازی ،تعمیرات و نگهداری عملیاتی ،کاهش هزینه های تولید و هزینه نگهداری،تنوع در کاربرد و مطابقت با مقررات زیست محیطی از دیگر مزایای مبدل های نسل جدید میباشد.
در حال حاضر شرکت های زیادی در ایران و سایر کشورها به تولید انواع مبدل حرارتی مشغول میباشند.اما ساخت مبدل های گرمایی در اندازه های ،قابل انعطاف و با بازده بالا و همچنین نیاز برخی از صنایع به مبدل های ویژه باعث گردیده،همچنان تولید مبدل های حرارتی پیشرفته و خاص در انحصار شرکت های صاحب فناوری و دانش فنی بالا قرار دارد.به عنوان مثال مبدل حرارتی گرم کننده سوخت موتور هواپیما ،باید کوچک و بسیار مقاوم،مطمئن بوده و بتواند فشار زیادی را در دمای حدود 1000درجه سانتیگراد تحمل کند.عملکرد این مبدل ها در عملکرد صحیح سیستم سوخت هواپیما تاثیر مستقیم داشته و به همین علت ساخت این تجهیزات نیاز به دانش فنی،و فناوری بالا داشته و وجود امکانات مناسب آزمایش این تجهیزات نیز الزامی است.
انواع مبدل ها
پوسته –لوله
این مبدل ها مخازن استوانه ای شکل بلند از جنس فولاد هستند که شامل مجموعه ای از مجراهای موازی میباشند.در این نوع مبدل ها ،سیال در داخل پوسته مبدل جریان و سیال دیگری نیز در داخل تیوپ ها به جریان در می آید و به این صورت تبادل حرارتی مورد نظر میان دو سیال انجام میگیرد.در انتهای مبدل،سرپوش ها را میتوان طوری طراحی نمود که جریان های مختلف از مجراهای ان عبور کنند،همچنین اگر بخواهیم چند جریان مختلف از سمت پوسته عبور کنند،میتوان تعدادی بافل را به این منظور به موازات تیوبهای مبدل نصب نمود.
صفحه ای
این مبدل ها،در کاربرد هایی که دما و فشار پایین است مورد استفاده قرار میگیرند و از قسمت هایی شامل پوششهایی انتهایی،میله حامل،نازل های ورودی و خروجی،ورقه ها و واشرهای لاستیکی تشکیل میشوند.داخل مبدل میان صفحات فواصلی جهت عبور سیال وجود دارد و واشر لاستیکی نیز در کانال های اطراف و پیرامون صفحات قرار گرفته،توزیع جریان سیال را حفظ میکنند.در گوشه های هر صفحه نیز مسیر ورود و خروج جهت سیال گرم و سرد وجود دارد که وقتی صفحات کنار هم قرار میگیرند تشکیل چهار مسیر از میان مجموع صفحات را میدهد
حلزونی
معمولا در واحدهای شیمیایی استفاده شده و دارای ساختاری دایره ای شکل میباشند که شامل دو نوار دراز از ورقه میشوند که به شکل یک زوج مجرای مارپیچی هم مرکز به هم پیچیده شده اند و لبه های دیگر این مجرا بسته هستند،لذا سیال از کانال های بسته و ممتد عبور میکند.پوشش های مبدل که در هر طرف مجموعه مارپیچی قرار میگیرند جداشدنی هستند و میتوان با برداشتن آن ها به ورقه حلزونی دسترسی پیدا نمود.
جفت لوله ای
این نوع مبدل که به لوله-پره نیز معروف است،زمانی مورد استفاده قرار میگیرد که حرارت یکی از دو سیال تفاوت بیشتری نسبت به جریان حرارت دیگری داشته باشد،در چنین حالتی اضافه کردن تعدادی پره به لوله داخلی ،مقاومت سیال در برابر جریان حرارت را از بین میبرد.
مبدل جفت لوله از یک لوله درون لوله دیگر تشکیل شده که هر دو لوله دارای یک خم برگشتی میباشند.
منابع:
Heat Transfer in Process Engineering, by DR. EDUARDO CAO, McGraw-Hill, 2010
gas conditioning and processing john campbell,1994
introduction to heat transfer by d butterworth oxford university press
TEMA: The Tubular Exchanger Manufacturers Association