سه نوع مبادله گرما چیست؟

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال موثر انرژی حرارتی از یک سیال به سیال دیگر بدون اختلاط سیالات طراحی شده است. در حالی که زیرمجموعه ها و پیکربندی های زیادی وجود دارد، سه نوع اصلی مبدل حرارتی مورد استفاده در صنایع جهانی عبارتند از:

1. مبدل های حرارتی پوسته و لوله: استاندارد صنعتی قوی برای کاربردهای فشار بالا و دمای بالا.

2. مبدل های حرارتی صفحه ای: طراحی های فشرده و بسیار کارآمد برای فشارهای متوسط ​​و پردازش های بهداشتی ایده آل.

3. مبدل های حرارتی خنک شونده با هوا: سیستم های لوله پره ای که از هوای محیط به جای آب برای خنک کردن استفاده می کنند، ایده آل برای مکان های دورافتاده یا خشک.

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله پرکاربردترین سیستم‌های مدیریت حرارتی در صنایع سنگین هستند، به ویژه در پالایشگاه‌های نفت، نیروگاه‌ها و تاسیسات فرآوری شیمیایی.

این طرح شامل یک مخزن فشار بیرونی استوانه ای بزرگ ("پوسته") است که شامل بسته ای از لوله های کوچکتر و موازی است. یک سیال از طریق لوله‌های داخلی (سمت لوله) جریان می‌یابد، در حالی که سیال دوم روی و اطراف لوله‌های داخل پوسته (سمت پوسته) جریان می‌یابد. بافل‌ها معمولاً در داخل پوسته نصب می‌شوند تا تلاطم ایجاد کنند و جریان را هدایت کنند، سرعت انتقال حرارت را به حداکثر می‌رسانند و لوله‌ها را از نظر ساختاری پشتیبانی می‌کنند.

• مزایا: توانایی استثنایی در تحمل فشارهای شدید و دمای بالا. آنها بسیار قابل تنظیم هستند (تک پاس یا چند گذر) و نگهداری آنها نسبتاً آسان است، زیرا بسته های لوله اغلب می توانند برای تمیز کردن مکانیکی جدا شوند.

• محدودیت ها: آنها به ردپای فیزیکی بزرگی نیاز دارند و در مقایسه با طرح های صفحه با اندازه مشابه، بازده حرارتی کلی کمتری دارند.

• فرآیندهای پالایش و تقطیر پتروشیمی.

• تولید بخار و چگالش در نیروگاه ها

• خنک کننده صنعتی پرفشار.

مبدل های حرارتی صفحه ای (که اغلب مبدل های حرارتی Plate و Frame نامیده می شوند) به دلیل ردپای فشرده و راندمان حرارتی استثنایی خود مشهور هستند.

به جای پوسته ای حاوی لوله، این طرح از یک سری صفحات فلزی نازک موجدار با فاصله نزدیک استفاده می کند که در یک قاب سفت و سخت به هم فشرده شده اند. موج‌ها کانال‌های باریک و بسیار متلاطم ایجاد می‌کنند و واشرهای الاستومری جریان را متناوب می‌کنند تا سیالات سرد و گرم از شکاف‌های متناوب عبور کنند. این یک سطح عظیم برای انتقال حرارت در یک حجم فضایی بسیار کوچک ایجاد می کند.

• مزایا: راندمان حرارتی بسیار بالا به دلیل تماس سطحی زیاد و آشفتگی القایی. آنها بسیار فشرده، سبک و مدولار هستند (ظرفیت را می توان به سادگی با افزودن صفحات بیشتر افزایش داد). همچنین برای بازرسی بصری و تمیز کردن کامل آنها به راحتی جدا می شوند.

• محدودیت ها: واشرهای بین صفحات توانایی سیستم را برای کنترل فشارهای شدید یا دماهای فوق العاده بالا محدود می کند. واشرها همچنین می توانند از نظر شیمیایی تخریب شوند و نیاز به تعویض دوره ای داشته باشند.

• فرآوری غذا و نوشیدنی (پاستوریزه کردن)، به دلیل سازگاری بهداشتی، "Clean-in-Place" (CIP).

• تولید دارو.

• سیستم های HVAC و تبرید تجاری.

مبدل های حرارتی هوا خنک که به عنوان خنک کننده های فن دار نیز شناخته می شوند، زمانی استفاده می شوند که یک محیط خنک کننده مایع (مانند آب) کمیاب، از نظر اقتصادی غیر قابل دوام یا از نظر محیطی محدود باشد.

در این سیستم، سیال فرآیند داغ از طریق یک سری لوله جریان می یابد. از آنجایی که هوا رسانای ضعیفی برای گرما است، این لوله‌ها با پره‌های فلزی بیرونی تعبیه شده‌اند تا سطح سطح آنها را به‌طور مصنوعی افزایش دهند. سپس از فن های صنعتی بزرگ (اعم از کشش اجباری یا کشش القایی) برای دمیدن هوای اتمسفر محیط در سراسر لوله های پره دار استفاده می شود و گرما را مستقیماً در محیط پخش می کند.

• مزایا: بدون نیاز به آب خنک کننده، آن را دوستدار محیط زیست می کند و نیاز به مواد شیمیایی پیچیده تصفیه آب یا برج های خنک کننده را از بین می برد. ایده آل برای نصب از راه دور.

• محدودیت ها: عملکرد حرارتی به شدت به دمای هوای محیط بستگی دارد (در روزهای گرم تابستان کمتر موثر است). آنها به طور کلی به یک ردپای فیزیکی عظیم نیاز دارند و فن ها در حین تولید نویز صوتی، انرژی الکتریکی قابل توجهی مصرف می کنند.

• ایستگاه های کمپرسور خط لوله از راه دور

• معماری های خنک کننده مرکز داده

• کارخانه های پتروشیمی مستقر در مناطق بیابانی یا خشک.

س: آیا طبقه بندی های دیگری به جز نوع ساخت و ساز وجود دارد؟

ج: بله. در حالی که Shell & Tube، Plate و Air-Cooled به ساختار فیزیکی اشاره دارند، مبدل های حرارتی نیز بر اساس آرایش جریانشان طبقه بندی می شوند. سه نوع جریان عبارتند از Counter-Flow (سیالات در جهت مخالف حرکت می کنند و بیشترین بازده را دارند)، جریان موازی (سیالات در یک جهت حرکت می کنند) و Cross-Flow (سیالات عمود بر یکدیگر حرکت می کنند).

س: کدام نوع مبدل حرارتی کارآمدتر است؟

A: از نظر انتقال حرارت در واحد حجم، مبدل حرارتی صفحه ای کارآمدترین است. صفحات موجدار آشفتگی بالایی ایجاد می کنند و مساحت سطح را به حداکثر می رساند و به آن اجازه می دهد تا به رویکردهای دمایی محکمی دست یابد که پوسته و لوله نمی توانند در یک ردپای مشابه با یکدیگر مطابقت داشته باشند.

س: چرا لوله ها در مبدل های هوا خنک دارای پره هستند؟

الف: هوا (گاز) رسانایی حرارتی بسیار کمتری نسبت به آب یا نفت دارد. باله ها به بیرون لوله ها متصل می شوند تا سطح در معرض هوا را به شدت افزایش دهند و از نظر ریاضی ضریب انتقال حرارت ضعیف گاز را جبران کنند.