هر یک از ما با ساده ترین مبدل های حرارتی روبرو شده ایم. نمونه بارز آن طراحی "لوله در لوله" یا چیزی شبیه به آن است. اگر مبدل حرارتی اختراع نشده بود، تصور زندگی ما دشوار بود. امروزه تعداد زیادی مبدل حرارتی وجود دارد. آنها نه تنها از نظر مشخصات فنی، بلکه در وسعت، طراحی و غیره با یکدیگر تفاوت دارند. بیایید در مورد این موضوع با جزئیات بیشتری صحبت کنیم و به نکات جالب توجه بپردازیم.
برخی اطلاعات کلی
مبدل حرارتی وسیله ای است که برای انتقال گرما از یک محیط به رسانه دیگر استفاده می شود. در عین حال، باید درک کنید که خود مبدل حرارتی، بدون تجهیزات گرمایش، کاملاً بی فایده است، اما در مجموعه می توانید نتایج شگفت انگیزی به دست آورید و حتی اتاق های بسیار بزرگ و سرد را با موفقیت گرم کنید. علاوه بر این، دانشمندان به طور مداوم سعی کرده اند تا از دست دادن گرما را هنگام انتقال آن به محیطی دیگر به حداقل برسانند. امروز امکان پذیر نیستبازدهی 100٪ را به رخ می کشد، اما می توانیم با خیال راحت در مورد راندمان 90-95٪ صحبت کنیم. ویژگی های عملیاتی و فنی محصول با استفاده از مواد آماده شده مخصوص و همچنین خنک کننده افزایش می یابد. البته همه اینها تا حدودی قیمت تجهیزات را افزایش می دهد، اما ارزشش را دارد.
هنگام طراحی، مهندسان دائماً با الزامات متناقضی مواجه می شوند که باید در یک بطری ترکیب شوند. به عنوان مثال، کاهش مقاومت هیدرولیکی و در عین حال افزایش ضریب انتقال حرارت ضروری است. مبدل حرارتی باید در برابر خوردگی مقاوم باشد، اما نگهداری آن خیلی سخت نباشد. همه اینها به این واقعیت منجر شد که بسیاری از انواع مبدل های حرارتی ظاهر شدند. یکی که به بهترین وجه مناسب شرایط است استفاده می شود.
طبقه بندی مبدل های حرارتی
همانطور که در بالا ذکر شد، در حال حاضر تعداد زیادی مبدل حرارتی وجود دارد. اول از همه، آنها باید با توجه به روش انتقال حرارت به محیط جدا شوند. در اینجا مبدل های حرارتی به گروه های زیر تقسیم می شوند:
- بازیابی؛
- بازسازی;
- اختلاط؛
- گرمایش الکتریکی.
بیایید نگاهی دقیق تر به مبدل های حرارتی بازیابی کنیم. طراحی محصول به معنای وجود دیوار تک لایه یا چند لایه است که گرما از طریق آن منتقل می شود. معمولاً این در حال حاضر در حرکت ثابت اتفاق می افتد. جالب است که در چنین دستگاه هایی انتقال حرارت با حرکت اجباری بدون تغییر فاز انجام می شودایالت ها. اما این فقط برای مبدل های حرارتی دائمی که کار می کنند صدق می کند. اگر در مورد واحدهایی با حالت عملکرد دوره ای صحبت کنیم ، برای مدت معینی گرمایش ، تبخیر و سرمایش انجام می شود و همه اینها در حالت متوالی است. چنین دستگاه هایی متعلق به مبدل های حرارتی با حرکت حرارتی ناپایدار هستند. این به دلیل این واقعیت است که دمای مایع خنک کننده در ورودی و خروجی به طور قابل توجهی متفاوت است. اغلب، چنین سنگدانه ها به شکل سیم پیچ و لایه ای، آجدار و اشکال دیگر یافت می شوند. کمی بعد به چند نوع نگاه خواهیم کرد. اما طبقه بندی مبدل های حرارتی به همین جا ختم نمی شود.
واحدهای احیا و گرمایش الکتریکی
در این مورد نیز مانند مورد قبلی از سطح تبادل حرارت برای انتقال انرژی گرمایی استفاده می شود. با این حال، این سطح نوعی نازل است. این نقش یک وسیله تجمعی میانی را ایفا می کند که گرما را جمع می کند. به طور کلی، کل فرآیند را می توان به چند مرحله تقسیم کرد. در مرحله اول، نازل مقدار مشخصی گرما را درک می کند. سپس انتقال به مرحله دوم وجود دارد و مایع خنک کننده روی سطح نازل منتقل می شود. این هنگام تغییر جریان مایع خنک کننده اتفاق می افتد. در این مرحله، نازل به تدریج سرد می شود و گرمای انباشته شده به محیط گرم که ممکن است اتاق شما باشد، آزاد می شود.
بازسازها واحدهای غیر ساکن هستند. نازل اغلب بی حرکت است و فرآیندهای حرارتی به طور همزمان تکرار می شوند. دستگاه هایی از این نوع اغلب اسکرابر یابرج های خنک کننده.
ماهیت مبدل های حرارتی الکتریکی این است که از برق به عنوان منبع اصلی گرما استفاده می شود. از تاسیسات قوس الکتریکی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی استفاده می شود. آنها می توانند گرمایش مستقیم و غیر مستقیم باشند. رایج ترین مبدل های حرارتی در صنعت بخاری های القایی و مقاومتی هستند. همانطور که می بینید، تجهیزات تبادل حرارتی می توانند متفاوت باشند، اکنون ما نگاهی دقیق تر به هر نوع، دامنه و ویژگی های طراحی آن خواهیم داشت.
مبدل حرارتی مارپیچی
دستگاه یک جفت کانال مارپیچ است. آنها معمولاً در اطراف پارتیشن مرکزی می پیچند. برای انجام این کار، آنها از مواد نورد ساخته شده اند. شایان ذکر است که مبدل های حرارتی مارپیچی برای گرم کردن و خنک کردن سیالات با ویسکوزیته بالا مناسب هستند.
به طور کلی، سطح گرمایش توسط دو ورقه فلزی تشکیل شده است که به وسیله یک جوش به هسته متصل می شوند. خود واحد فقط از 2 کانال تشکیل شده است که معمولاً مستطیل شکل هستند که به شکل مارپیچ ساخته شده اند. انتهای مارپیچ (داخلی) دارای دیواره جداکننده است و با پین ثابت می شود. مبدل های حرارتی را می توان هم عمودی و هم افقی ساخت. اگر به دلیل فضای ناکافی یا پیکربندی پیچیده اتاق امکان نصب یک نوع وجود نداشته باشد، از نوع دوم، ترجیح داده شده استفاده می شود. همچنین جالب است که مصرف کننده می تواند مارپیچ را انتخاب کندمبدل های حرارتی با عرض های مارپیچی مختلف، از 20 تا 150 سانتی متر. در همان زمان، سطح گرمایش می تواند از 3.2 تا 100 متر مربع با حداکثر فشار سیستم 1 مگاپاسکال متغیر باشد.
لازم به ذکر است که این تجهیزات تبادل حرارتی دارای تعدادی مزیت قابل توجه است. اولاً، مقاومت هیدرولیکی کاهش یافته است. دوم، فشردگی و راندمان بالا و شدت انتقال حرارت. اما همه اینها به این واقعیت کمک کرد که اشکالاتی در قالب طراحی و تعمیر پیچیده وجود داشت.
درباره مبدل های حرارتی صفحه ای
در حال حاضر مبدل های حرارتی صفحه ای تاشو و غیرقابل جداسازی تولید می شوند. طبیعتا نوع اول به دلایل زیادی ارجحیت بیشتری دارد. اول، سهولت تعمیر و نگهداری است. چنین تجهیزاتی خیلی سریع جدا و مونتاژ می شوند، بنابراین هر گونه خرابی در مدت زمان کوتاهی از بین می رود. مدل‌های جدا نشدنی معمولاً تعمیر نمی‌شوند و اگر تعمیر شوند، بسیار طولانی‌تر می‌شوند.
در واقع از نام این دستگاه می توان فهمید که این تجهیزات از بسته ای از صفحات پیش ساخته تشکیل شده است. آنها را می توان از مواد مختلفی مانند مس، تیتانیوم، گرافیت و غیره ساخت. تقریباً همیشه برای بهبود عملکرد، صفحات را موجدار می کنند. در مبدل های حرارتی صفحه ای، جریان خنک کننده سرد و گرم به صورت لایه ای عبور می کند.
تجهیزات به خودی خود خوب هستند زیرا طرح مناسبی دارند. این امکان افزایش مساحت سطح تبادل حرارت را فراهم کرد و همه اینها را در ابعاد نسبتاً کوچک قرار داد.در هر صورت، قبل از خرید، محاسبه مبدل های حرارتی انجام می شود، که به شما امکان می دهد اطلاعاتی در مورد میزان برق مورد نیاز دستگاه در یک مورد خاص به دست آورید. باید درک کرد که تمام صفحاتی که در یک بسته به هم کشیده می شوند به دلیل یک شکل کانال هایی بین خود ایجاد می کنند. مایع در آنها جریان می یابد. خوب، اکنون به چند جزئیات جالب دیگر مربوط به این تجهیزات نگاه خواهیم کرد.
استفاده از واشر
همانطور که در بالا ذکر شد، عنصر اصلی انتقال حرارت صفحات هستند. آنها سرد مهر می شوند. برای این کار از آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی استفاده می شود که می تواند دوام و کارایی دستگاه را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. ضخامت صفحات بسته به مدل می تواند از 0.4 تا 1.0 میلی متر متغیر باشد. در موقعیت کاری، صفحات محکم به یکدیگر فشرده می شوند. در این حالت کانال های شکاف کوچکی تشکیل می شوند. در قسمت جلویی یک شیار مخصوص وجود دارد، یک واشر لاستیکی (مهر) در آنجا نصب شده است. علاوه بر این، واشرها دارای سوراخ هایی هستند که برای تامین و حذف سیال ضروری هستند. در صورت شکستن یکی از سوراخ ها، سیستمی از شیارهای زهکشی برای جلوگیری از اختلاط محیط سرد و گرم ارائه می شود.
به دلیل ایجاد جریان متقابل بین دو رسانه، امکان دستیابی به نه تنها بهبود در تنظیم دما، بلکه انتقال حرارت سریعتر با مقاومت های هیدرولیکی نسبتاً کوچک وجود داشت. زائد نیست اگر بگوییم که اصل اساسی عملکرد مبتنی بر جریان متضاد است، یعنی حرکت گرمایش وسیال گرمایشی در جهات مختلف برای جلوگیری از اختلاط، یک مهر و موم لاستیکی دوتایی یا یک صفحه فلزی نصب می شود. تعداد صفحات و کانال ها ممکن است بسته به نیاز عملیاتی تجهیزات متفاوت باشد. قبل از ایجاد، محاسبه حرارتی مبدل های حرارتی انجام می شود که امکان تعیین حالت بهینه عملکرد را فراهم می کند. گاهی اوقات از آلیاژهای گران قیمت استفاده می شود که ترس از عملکرد طولانی مدت در یک محیط تهاجمی ندارند.
مبدلهای حرارتی صفحه ای
PRT برای انتقال گرما در محیط های غیر تهاجمی و گازی در محدوده دمایی وسیع، از -270 تا +200 درجه سانتیگراد استفاده می شود. در این حالت فشار در سیستم می تواند به 100 اتمسفر برسد و از خلاء شروع شود. این طرح بر اساس ایده اعمال یک سطح آجدار در دو طرف صفحات است. خود محصول از چندین دنده تشکیل شده است که به لطف آنها انتقال حرارت بین رسانه ها انجام می شود. شایان ذکر است که این مبدل حرارتی صفحه پره ای است که دارای طیف گسترده ای از اشکال باله است. این به شما امکان می دهد تا کمی ویژگی های عملیاتی و فنی را تغییر دهید. اغلب می توانید دنده های پیوسته و مواج را ببینید. اما علاوه بر این موارد، موارد عجیب و غریب تری نیز وجود دارد، مانند سوراخ‌دار و پوسته‌دار. معمولاً از ورق فلز به عنوان ماده استفاده می شود. ضخامت آنها بسته به فشار در سیستم و سیال مورد استفاده قابل تنظیم است.
اغلب این نوع مبدل های حرارتی با انواع مختلف جریان ساخته می شوند. بیشتر اوقات، جریان مخالف استفاده می شود، اما وجود داردمدارهای مستقیم و متقاطع اگر به طور خلاصه در مورد نقاط قوت چنین تجهیزاتی صحبت کنیم، تعداد زیادی از آنها وجود دارد. اولاً، اینها ویژگی های عملیاتی هستند، مانند انتقال سریع و شدید حرارت. ثانیاً اندازه آن کوچک است. امروزه بسیاری می گویند که مبدل های حرارتی پره ای هستند که پیشرفته ترین هستند. اغلب PRT در صنایعی مانند انرژی، پالایش نفت، صنایع شیمیایی و هوانوردی استفاده می شود. همه اینها به دلیل مزایای زیاد و همچنین طیف گسترده ای از سیالات و فشارهای مورد استفاده در سیستم است.
مبدل حرارتی پوسته و لوله: طراحی و ویژگی‌ها
تجهیزات مبادله حرارتی سطحی که قبلاً بررسی کردیم، به اندازه واحدهای پوسته و لوله محبوب نیستند. اینها فقط دستگاه هایی هستند که در همان ابتدا در ساده ترین نسخه ذکر شدند - این سیستم "لوله در لوله" است. مبدل حرارتی از این نوع سیستم (بسته ای) از لوله ها است که در یک پوشش قرار می گیرند. لوله ها نورد شده و به بدنه محصول جوش داده می شوند. در برخی موارد، آنها به طور اضافی سوخته می شوند. این کار برای اطمینان از سفتی 100٪ انجام می شود. بدنه با نازل های اضافی عرضه می شود. برخی برای تامین بخار، برخی دیگر برای حذف میعانات مورد نیاز هستند. علاوه بر این، توری های عرضی در بدنه وجود دارد که برای پشتیبانی از لوله های تبادل حرارت در تمام طول دستگاه استفاده می شود. جالب توجه است که مبدل های حرارتی پوسته و لوله در دمای 190 درجه سانتیگراد یافشار بخار اشباع بیش از 15 بار.
هر سیستمی که شامل حرکت سیال باشد می تواند در معرض چکش آب قرار گیرد. این پدیده قادر است تجهیزات را به طور جزئی یا کامل غیرفعال کند. برای جلوگیری از این اتفاق از انواع مختلفی از عناصر ذخیره سازی استفاده می شود که اصطلاحاً مخازن انبساط نامیده می شوند. اما در مورد ما، این ضروری نیست، زیرا مبدل های حرارتی پوسته و لوله در برابر آنها بسیار مقاوم هستند. علاوه بر این، هیچ الزام دقیقی برای تمیزی محیط وجود ندارد. عیب قابل توجه چنین تجهیزاتی این است که انواع مبدل های حرارتی از این نوع بسیار فلزی هستند که بر هزینه و ابعاد نهایی تأثیر می گذارد.
مبدلهای حرارتی برای تجهیزات گاز
بر کسی پوشیده نیست که هر دیگ بخار سوخت جامد یا گاز دارای مبدل حرارتی در طراحی خود است، به آنها بخاری نیز می گویند. ما قبلاً انواع اصلی را در نظر گرفته ایم. همانطور که احتمالا متوجه شدید، این یا آن انواع در صنایع مختلف استفاده می شود. برخی از دستگاه‌ها کاربرد گسترده‌تری پیدا کرده‌اند، برخی دیگر در صنایع خاصی استفاده می‌شوند و برای سایرین مناسب نیستند. در مورد ما، استفاده از مبدل های حرارتی لوله ای و صفحه ای صورت می گیرد. در مورد اول، ما با سیستمی از لوله ها سر و کار داریم، در مورد دوم - با صفحات. در اصل، صرف نظر از نوع، یک مبدل حرارتی برای یک آبفشان باید تعدادی از الزامات را برآورده کند. اولا داشتن ضریب انتقال حرارت بالا و ثانیا بادوام و مقاوم در برابر دمای بالا. محبوب ترین مواد مس، آلومینیوم وفولاد. گزینه دوم کمتر ترجیح داده می شود، زیرا چنین فلزی سنگین است، که کارایی را کاهش می دهد. در هر صورت، مبدل حرارتی برای آبفشان باید حداقل 5 سال کار کند.
نتیجه گیری
بنابراین انواع اصلی مبدل های حرارتی را بررسی کردیم. گونه هایی مانند پوسته و صفحه بدون توجه رها شدند. در اصل، آنها کمی با کلاسیک لایه ای یا آجدار متفاوت هستند. اما اغلب می توانید اجاق های حمام با مبدل حرارتی با پوشش پیدا کنید. با این حال، ویژگی کلیدی این است که تجهیزات در برابر دما و فشارهای عملیاتی بالا مقاوم هستند. محفظه می تواند از موادی مانند تیتانیوم، فولاد ضد زنگ یا فولاد کربنی ساخته شود. جالب است که اجاق های حمام با مبدل حرارتی پوسته ای و صفحه ای برای بخار یا میعانات به خوبی تنظیم می شوند که بدون شک یک مزیت قابل توجه است. در اصل، این می تواند داستان را کامل کند، زیرا اکنون همه چیزهایی را که در مورد مبدل های حرارتی نیاز دارید می دانید.
