انواع مبادله گرما - توسط ساخت: راهنمای مهندسی صنعتی

طبقه بندی مبادلات گرمااز نظر ساختتمرکز بر روی هندسه فیزیکی، طراحی مکانیکی و مونتاژ مرزهای نگهدارنده گرما است. انتخاب چارچوب ساخت مناسب فشار کار حداکثر یک مبدل را تعیین می کند،بهره وری حرارتی، مقاومت در برابر آلودگی شیمیایی و زیر اثر نگهداری چرخه عمر. پنج دسته ساختاری اصلی مورد استفاده در کارخانه های فرآوری مدرن عبارتند از:پوسته و لوله,صفحه و قاب,خنک کننده هوا,لوله دوگانه (پین مو)ومارپیچمبادله گرما

ساخت پوسته و لوله نمایانگر استاندارد جهانی تاریخی برای فرآیندهای صنعتی سنگین به دلیل انعطاف پذیری مکانیکی استثنایی و سازگاری با شرایط سخت عملیاتی است.

این نوع شامل یک ظرف بزرگ استوانه ای خارجی (شیل) است که دارای یک ماتریس موازی از لوله های کوچکتر (بند لوله) است. یک مایع در داخل لوله ها (جانب لوله) جریان دارد.در حالی که مایع دوم از خارج لوله ها از طریق حفره پوسته باز (پای پوسته) عبور می کند.

• برگه ی ثابت لوله:ورق های لوله در هر دو طرف به طور مستقیم به پوسته جوش داده می شوند.ساختار مقرون به صرفه اما تمیز کردن مکانیکی داخل پوسته را محدود می کند و استرس مکانیکی را ایجاد می کند اگر تفاوت های بزرگ گسترش حرارتی بین پوسته و لوله وجود داشته باشد.

• تويوب:بسته لوله به شکل "U" پیوسته خم شده است، در یک طرف به یک صفحه لوله واحد متصل می شود. این اجازه می دهد لوله ها به طور کامل مستقل از پوسته گسترش و انقباض یابند،از بین بردن استرس گسترش حرارتیبا این حال، تمیز کردن منحنی های داخلی لوله ها به صورت مکانیکی بسیار دشوار است.

• سر شناور:یک صفحه لوله به چارچوب پوسته ثابت می شود، در حالی که صفحه لوله مقابل آزاد است تا در داخل پوسته شناور شود.این به طور همزمان مدیریت تفاوت های گسترده حرارتی بالا و اجازه می دهد تا استخراج کامل از بسته لوله برای نگهداری و تمیز کردن فشرده در هر دو لایه پوسته و لوله.

مبادلات گرما صفحه ای برای به حداکثر رساندن سطح انتقال گرما و به حداقل رساندن اثر فیزیکی تجهیزات اولویت دارند. آنها استاندارد برای پیکربندی های کم تا متوسط فشار هستند.

به جای عبور مایعات از طریق لوله های استوانه ای، سیستم های صفحه مایعات را از طریق کانال های نازک و باریک تشکیل شده بین صفحات فلزی موج دار که به هم نزدیک شده اند هدایت می کنند.صفحه ها به شدت در یک قاب ساختاری سنگین فشرده شده اند.

• صفحه و قاب گاسکت شده:بسته بندی های لاستومری دور هر صفحه را مهر و موم می کنند و مسیرهای مایع را هدایت می کنند. این ساخت بسیار ماژولار است.ظرفیت حرارتی را می توان به سادگی با جدا کردن قاب و وارد کردن یا خارج کردن صفحات مقیاس بندی کردهمچنین اجازه می دهد تا جداسازی دستی کامل برای بهداشت باشد.

• صفحه ی بریز شده:صفحه های فلزی جداگانه به طور دائم با استفاده از بریز خلاء (معمولاً با مواد پرکننده مس یا نیکل) به هم متصل می شوند. این کار کاملاً گازها را از بین می برد.اجازه می دهد تا واحد را به دست آوردن فشار و دمای بالاتر در حالی که باقی می ماند بسیار جمع و جوربا این حال، آنها نمی توانند برای تمیز کردن مکانیکی باز شوند.

• صفحه ی جوشکاری:جعبه ها کاملاً با هم جوش خورده انداین ساخت و ساز مزایای بهره وری حرارتی هندسه صفحه را به محیط های شیمیایی تهاجمی و دمای بالاتر گسترش می دهد که در آن گاسکت های لاستیکی استاندارد به سرعت تخریب می شوند.

مبادلات گرما خنک شده با هوا به عنوان ظرف های فشاری تخصصی طبقه بندی می شوند که برای رد گرما به طور مستقیم به جو اطراف بدون تکیه بر زیرساخت های آب طراحی شده اند.

ساختار دارای بانک های افقی یا عمودی از لوله ها (بند لوله) است که به سرپوش های پایانی متصل می شوند.خارج از لوله ها به صورت ساختاری با هزاران باله فلزی نازک پیچیده یا بیرون کشیده شده است تا سطح نگهدارنده گرما را چند برابر کند. فن های محوری بزرگ موتور به طور مستقیم جریان هوا را از طریق سطوح بالدار ایجاد می کنند.

• استخدام اجباری:مجموعه های فن در زیر بسته های لوله قرار دارند و هوا را به سمت بالا فشار می دهند. این امکان دسترسی آسان به اجزای مکانیکی ( موتورها، کمربندها،برای نگهداری و محافظت از تیغه های فن از هوای خروجی با دمای بالا.

• پیشنهاد ایجاد شده:مجموعه های فن ها بر روی بسته های لوله نشسته اند و هوا را از طریق باله ها به سمت بالا می کشند.این یک توزیع بسیار یکنواخت از هوا را در سراسر بسته لوله ایجاد می کند و از لوله ها در برابر خطرات زیست محیطی مانند برفی یا آفتاب محافظت می کند.

ساخت لوله های دوگانه ساده ترین تکرار ساختاری تجهیزات انتقال گرما صنعتی است که برای کاربردهای کوچک و مایعات با لزگی بالا بهینه شده است.

این پیکربندی شامل یک لوله قطر کوچکتر است که به صورت متمرکز در داخل یک لوله قطر بزرگتر نصب شده است. یک مایع از طریق لوله داخلی حرکت می کند،و مایع دوم از طریق شکاف حلقه ای بین دو لوله حرکت می کندبرای بهینه سازی فضای فیزیکی، آنها اغلب به عنوان طرح های ماژولار "شیرپوش" تنظیم می شوند، بخش های لوله های بلند و مستقیم که با خم های 180 درجه باریک متصل می شوند.

• جریان واقعی ضد جریان:سادگی هندسی اجازه می دهد تا 100٪ پیکربندی ضد جریان خالص، بالاترین کارایی دمای ممکن را به دست آورد.

• ظرفیت فشار بالا:چون لوله های صنعتی استاندارد با دیواره های بلند به جای ورق های نازک و تخصصی برای ساخت و ساز استفاده می شوند.سیستم های لوله دوگانه می توانند با حداقل خطر خرابی ساختاری به فشارهای شدید مقاومت کنند..

مبادلات گرما مارپیچی واحدهای دایره ای تخصصی هستند که به طور خاص برای پردازش خمیر بسیار خیس ، لجن های با لزگی بالا و جریان های زباله های صنعتی بسیار کثیف طراحی شده اند.

ساختار شامل دو ورق فلزی بلند و مسطح است که به طور متمرکز در اطراف یک mandrel هسته مرکزی پیچیده شده است، ایجاد دو مسیر جریان مارپیچی کاملاً جدا شده و مداوم.مایعات در این منحنی ها به صورت ضد جریان جریان دارند.، کانال های متمرکز.

• خود تمیز کردن یک کانال:برخلاف طرح های پوسته و لوله که در آن مایع می تواند لوله های مسدود شده را دور بزند، یک مبدل مارپیچی از یک کانال مداوم برای هر مایع استفاده می کند.مساحت قطعه متقاطع محلی کاهش می یابد.، ایجاد یک اوج سرعت محلی که به طور طبیعی سپری سپرده دور.

در هنگام مشخص کردن یک مبادله گرما بر اساس نوع ساخت، مهندسان طراحی سه محدودیت اساسی را ارزیابی می کنند:

1. تفاوت گسترش حرارتی:اگر مایع داغ و مایع سرد تفاوت های دمایی شدید را نشان دهند، ساختارهایی که اجازه حرکت آزاد ساختاری را می دهند (مانند لوله U، پوسته سر شناور و لوله)یا سیستم های پلیت و فریم) برای جلوگیری از انحراف شدید ساختاری یا ترک جوش اجباری هستند..

2. سازگاری شیمیایی گاسکت:در ساخت صفحه و قاب، گاسکت های لاستومری (به عنوان مثال، NBR، EPDM، Viton) باید از نظر شیمیایی نسبت به مایع فرآیند بی اثر باشند. اگر جریان حاوی حلال یا اسید بسیار تهاجمی باشد،مهندسان باید ساخت و ساز را به انواع بشکهای کاملاً جوش داده شده یا سیستم های شیل و لوله فلزی تغییر دهند.

3. تعداد رينولدز و افت فشار:مبادلات گرما صفحه ای باعث آشفتگی مایع بالا حتی در سرعت های جریان پایین می شود، و ضریب انتقال گرما برتر را تولید می کند.این آشفتگی منجر به کاهش فشار به طور قابل توجهی بیشتر ($دلتای P$) در هر واحد طول در مقایسه با مسیرهای خطی، لوله مستقیم سیستم های پوسته و لوله یا لوله دوگانه.

سوال: تفاوت اصلی بین یک "سنگ فرآیند" و یک "مبادله گرما" از نظر ساخت چیست؟

ج: یک ظرف فرآیند استاندارد (مانند یک راکتور یا مخزن ذخیره سازی) در درجه اول برای نگه داشتن یا مخلوط کردن مایعات در فشارها و حجم های خاص ساخته شده است.یک مبادله گرما یک زیر مجموعه تخصصی از ظروف فشار طراحی شده است که به طور خاص با بهینه سازی، مرزهای داخلی با دیواره های نازک طراحی شده برای به حداکثر رساندن انتقال گرما در حالی که جریان مایعات را کاملاً جدا نگه می دارد.

س: چرا نمی توان مبادلات گرما صفحه ی بریز شده را به صورت مکانیکی تمیز کرد؟

ج: مبادلات صفحه ی بریز شده به طور دائمی از طریق فلزات سازی خلاء به یک بلوک فلزی جامد و تک نفره ادغام می شوند. زیرا آنها بدون بولت های مکانیکی، قاب ها یا اجزای داخلی قابل برداشت هستند.نميتونه باز بشهآنها باید به طور انحصاری با استفاده از چرخه های شستشوی پاکسازی شیمیایی (CIP) تمیز شوند.

س: یک مهندس چه زمانی باید یک پوسته سر شناور و لوله را به جای یک طراحی لوله U انتخاب کند؟

A: طراحی لوله U به طور استثنایی به خوبی با گسترش حرارتی مقابله می کند اما تمیز کردن مکانیکی خم های لوله داخلی را غیرممکن می کند.اگر مایع طرف لوله به شدت کثیف باشد یا تمایل به ترک سپرده های جامد داشته باشد، یک مهندس باید یک طراحی سر شناور را انتخاب کند، که اجازه می دهد یک میله مکانیکی مستقیم به طور کامل از طریق لوله های تمیز کننده عبور کند در حالی که هنوز هم گسترش حرارتی بالا را در اختیار دارد.

انتخاب طبقه بندی ساختمانی مناسب مبادله گرما یک تعادل ظریف از خواسته های مکانیکی و متغیرهای فرآیند است.پوسته و لولهبرای کارایی فشرده و بار گرمایی متغیر،صفحه و قابمدل ها عملکرد بی نظیر را ارائه می دهند، در حالی کههوا خنک کنندهچارچوب ها محدودیت های جغرافیایی آب را حل می کنند.