مبدل حرارتی چگونه کار می کند؟

مبدل های حرارتی که برای انتقال گرما بین یک سیال (مایع یا گاز) و سیال دیگر (مایع یا گاز دیگر) بدون اجازه تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر استفاده می شود، در هر دو فرآیند گرمایش و سرمایش از مبدل های حرارتی استفاده می شود.

مبدل های حرارتیدر طیف وسیعی از کاربردها از جمله تهویه مطبوع، کارخانه های شیمیایی، کارخانه های پتروشیمی، پالایشگاه های نفت، نیروگاه ها، فرآوری گاز طبیعی، تبرید، تصفیه فاضلاب و گرمایش فضا استفاده می شود. این را می‌توان در موتورهای احتراق داخلی نیز یافت، جایی که به مایع خنک‌کننده موتور اجازه می‌دهند تا از طریق کویل‌های رادیاتور عبور کند و هوا از کنار آن‌ها عبور کند و در عین حال خنک‌کننده را خنک کند و هوا را گرم کند.

یک مبدل حرارتی با اجازه دادن به گرمای یک سیال از سیال دیگر، خنک‌تر، بدون مخلوط شدن یا تماس مستقیم آنها کار می‌کند.

به عنوان مثال، لوله ای را تصور کنید که لوله دیگری در اطراف آن قرار دارد. لوله داخلی می تواند به یک سیال داغ اجازه عبور از آن را بدهد در حالی که یک سیال خنک تر به طور همزمان از لوله بیرونی عبور می کند. این به سیال خنک‌تر اجازه می‌دهد تا دمای سیال گرم‌تر را کاهش دهد، زیرا سیال گرمتر به طور همزمان گرمای خنک‌تر را افزایش می‌دهد. البته، این یک مثال بسیار اساسی از تبادل حرارت است، و تعدادی از عوامل دیگر نیز وجود دارد که در بررسی مبدل های حرارتی باید در نظر گرفته شوند:

1. پاس می دهد

با انحنا دادن لوله ها، به عنوان مثال به شکل S، می توانید اجازه دهید سیالات قبل از خروج از مبدل حرارتی بیش از یک «گذر» داشته باشند. تک گذر یک لوله مستقیم است که در آن سیال از یک انتها وارد و از انتهای دیگر مبدل حرارتی نسبتاً سریع خارج می شود. یک پاس دوگانه از شکل U- استفاده می‌کند، به طوری که سیال در همان انتها وارد مبدل حرارتی می‌شود و از مبدل حرارتی خارج می‌شود و زمان عبور سیال‌ها از یکدیگر-در مبدل حرارتی طولانی‌تر می‌شود. یک گذر سه‌گانه از یک ساختار S شکل استفاده می‌کند که به سیال اجازه می‌دهد تا سه بار قبل از خروج در طول مبدل حرارتی حرکت کند. هرچه تعداد پاس‌ها بیشتر باشد، مقدار انتقال حرارت بیشتری در دسترس است - صرفاً به این دلیل که سیالات برای مدت طولانی‌تری در کنار هم هستند - اگرچه این نیز می‌تواند منجر به افت فشار و کاهش سرعت شود.

2. تلاقی دما{1}}بیش از حد

تلاقی دمایی- زمانی اتفاق می‌افتد که گرمای سیال خنک‌کننده شروع به تلاقی با دمای سیال داغ در مبدل حرارتی کند. برای مثال، روغنی که در کنار آب با دمای 30 درجه سانتیگراد وارد مبدل حرارتی می شود، در صورتی که با رسیدن آب به 51 درجه سانتیگراد، روغن به 50 درجه سانتیگراد کاهش یابد، دمای آنها متقاطع می شود. در این مرحله سیال خنک کننده (آب) داغتر از روغن شده است. تلاقی دما{9}}می تواند به طور قابل توجهی کارایی مبدل حرارتی را کاهش دهد، به ویژه هنگام خنک شدن. با افزایش سرعت جریان مایع خنک‌کننده، می‌توان از این امر جلوگیری کرد (به «نرخ جریان» در زیر مراجعه کنید)، بنابراین مایع خنک‌کننده بیشتری در سیستم وجود دارد. در مواردی که تلاقی دما غیرقابل اجتناب است، استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای (به «انواع مبدل حرارتی، در زیر مراجعه کنید) بهترین راه حل است.

3. اختلاف دما

این به تفاوت دما بین مایع خنک‌کننده و سیال داغ اشاره دارد که در مبدل حرارتی مهم است، همانطور که با «تقاطع{0}}درجه حرارت» (بالا) نشان داده شده است. مایع خنک‌کننده باید در دمای پایین‌تری نسبت به سیال داغ نگه داشته شود و هر چه خنک‌کننده سردتر باشد، در خروج گرما از سیال داغ مؤثرتر خواهد بود.

4. نرخ جریان

این مقدار مایعی است که از یک مقطع-یک لوله در یک دوره زمانی خاص عبور می کند. این به عنوان حجم سیال در هر زمانی که سیال جریان یافته است - با سرعت جریان بیشتر به طور بالقوه توانایی مبدل حرارتی برای انتقال گرما را افزایش می دهد. با این حال، سیال بیشتر همچنین به معنای جرم بیشتر برای حمل و نقل و همچنین افزایش افت فشار و سرعت است.

مبدل های حرارتی را می توان بر اساس آرایش جریان یا با طراحی خود مبدل حرارتی طبقه بندی کرد.

سه طبقه بندی اصلی چیدمان جریان موجود در مبدل های حرارتی عبارتند از: جریان موازی، جریان متقابل و جریان متقاطع:

• جریان موازی:این دو سیال در یک انتهای مبدل حرارتی وارد می شوند و قبل از خروج با هم به صورت موازی حرکت می کنند
• جریان شمارنده:سیالات در دو طرف مبدل حرارتی وارد می شوند و در جهت مخالف در سیستم حرکت می کنند. این کارآمدترین ترتیب جریان است، زیرا میانگین اختلاف دمای بین سیالات در سراسر سیستم بالاتر است
• متقاطع-جریان:در این شکل از مبدل حرارتی، سیالات عمود بر یکدیگر (در زاویه قائمه) حرکت می کنند

علاوه بر آرایش جریان، مبدل های حرارتی را می توان بر اساس نوع، با توجه به طراحی فیزیکی مبدل حرارتی دسته بندی کرد:

• دو لوله:این ساده ترین نوع مبدل حرارتی است که توسط صنعت استفاده می شود. همانطور که از نام آن پیداست، اینها از دو لوله تشکیل شده اند که مایعات می توانند از طریق آنها جریان پیدا کنند. پیکربندی جریان می تواند جریان موازی یا ضد جریان باشد، با جریان مخالف کارآمدتر است در حالی که جریان موازی بهتر است اگر دو سیال به دمای یکسانی منتقل شوند. طراحی و نگهداری این مبدل های حرارتی آسان و ارزان است اما در مقایسه با طرح های دیگر از راندمان نسبتا پایینی برخوردار است.
• پوسته و لوله:مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله از مجموعه‌ای از لوله‌های فلزی استفاده می‌کنند که از طریق آن یک سیال جریان می‌یابد که توسط یک پوسته مهر و موم شده احاطه شده است که سیال دوم از آن عبور می‌کند. این نوع مبدل حرارتی با انواع جریان - موازی، متقابل و متقاطع کار می کند و در لوکوموتیوهای بخار یافت می شود. بافل ها برای هدایت جریان سیال، القای ارتعاش در سیال و پشتیبانی از لوله ها استفاده می شوند، در حالی که پره ها را می توان با فن آوری های خنک کننده هوا (مانند خنک کننده های بین-موتور احتراقی) نیز برای افزایش ناحیه انتقال حرارت استفاده کرد.
• بشقاب / باله:این نوع مبدل حرارتی از پشته‌هایی از صفحات فلزی نازک استفاده می‌کند که با باله‌ها از هم جدا می‌شوند تا سطوحی را تشکیل دهند، دقیقاً مانند طبقات یک ساختمان. با این حال، هر یک از این «طبقه‌ها» خود-از طبقه بالا یا پایین جدا می‌شوند و مجموعه‌ای از لوله‌های مهر و موم شده را ایجاد می‌کنند که سیالات می‌توانند از طریق آن جریان داشته باشند. این یک سطح بزرگ ایجاد می کند که قادر به تبادل سریع گرما است و همچنین جریان سیال را در کل سطح انتقال حرارت تضمین می کند و از رکود و تجمع سیال جلوگیری می کند. صفحات را می توان در اندازه ها، عمق ها و اشکال مختلف از جمله صفحات راه راه، صفحه و قاب، صفحه و پوسته یا صفحات مارپیچ ایجاد کرد. تلاطم جریان بالا بین صفحات باعث انتقال حرارت بیشتر و کاهش فشار می شود. این نوع مبدل حرارتی در کاربردهایی مانند کوره های گازی و دیگ های بخار استفاده می شود.
• هوا خنک:این نوع مبدل حرارتی معمولاً در وسایل نقلیه و سایر برنامه های متحرک که آب خنک در دسترس نیست یافت می شود. به جای دو مایع، سیستم های خنک کننده با هوا از هوای خنک یک فن یا جریان هوای ناشی از حرکت خود خودرو استفاده می کنند.
• کندانسورها، بویلرها و اواپراتورها:این نوع تبادل حرارتی شایسته ذکر ویژه است، زیرا به روشی کمی متفاوت از مواردی که قبلاً توضیح داده شده عمل می کند. به جای وارد کردن دو سیال (گرم و سرد)، اینها از خنک کردن و تراکم گاز داغ به شکل مایع (و بالعکس) برای ایجاد یک چرخه انتقال حرارت استفاده می کنند. این فرآیندی است که توسط توربین‌های بخار و ژنراتورهای بخار استفاده می‌شود، که از چرخه تبخیر آب به بخار و خنک شدن بعدی آن به مایع استفاده می‌کنند.
• بازیابی کننده ها:Recuperator یک مبدل حرارتی است که برای جذب گرمایی که در غیر این صورت از دست می‌رود، طراحی شده است، مانند گرمایی که از یک ساختمان خارج می‌شود. هوای گرم از طریق یک کانال در کنار یک کانال مجزای ورودی از سیال خنک به بیرون هدایت می شود تا یک جریان متضاد ایجاد کند. سیستم تهویه{2}}بازیابی گرما به این صورت کار می‌کند که به ساختمان اجازه می‌دهد با هوای تازه تهویه شود بدون اینکه تمام گرمای خود را از هوای گرمتر خروجی از دست بدهد.
• احیا کننده ها:این نوع مبدل‌های حرارتی به سیالات ورودی و خروجی اجازه می‌دهند تا در زمان‌های مختلف از یک کانال در جهت مخالف حرکت کنند. هنگامی که سیال گرم به بیرون جریان می یابد، مقداری از گرمای خود را از دست می دهد، سپس، با جریان یافتن سیال سرد، مقداری از گرمای باقیمانده را که در آنجا باقی مانده است، می گیرد. این نوع تبادل حرارت در موتور استرلینگ استفاده می‌شود که از یک پیستون برای فشار دادن گاز محبوس شده بین منبع گرما (مانند آتش) و منطقه خنک‌تر یا «سینک» استفاده می‌کند که در آن گرما از دست می‌رود. این نوع مبدل حرارتی با "بازسازی" گرما، اتلاف حرارت را در یک سیستم کاهش می دهد.

مبدل های حرارتی برای طیف گسترده ای از کاربردها در مصارف صنعتی و روزمره استفاده می شوند.

در حالی که مبدل های حرارتی در طیف وسیعی از طرح ها و سیستم های جریان متفاوت هستند، همه آنها به شیوه ای مشابه کار می کنند. امکان تماس حرارتی بین یک سیال گرمتر و یک سیال خنک‌تر (بدون اختلاط واقعی)، به طوری که این دو سیال یکی دیگر را گرم یا سرد می‌کنند-.

این باعث بهبود کارایی وسایل نقلیه و سایر واحدها و همچنین صرفه جویی در هزینه ها و کاهش مصرف انرژی (و هر گونه تأثیر زیست محیطی مرتبط) می شود.

به برنامه های HX برسید

سناریوهای کاربرد مبدل حرارتی شما (مانند فرآوری مواد غذایی، صنایع پتروشیمی، خنک‌کننده برق) و ویژگی‌های متوسط ​​(خورندگی/ویسکوزیته/دما) متفاوت است، بنابراین طرح مشخصات نیز منحصراً مطابقت داده می‌شود-لطفاً نیازهای خود را به ما اطلاع دهید، و ما پارامترها و قیمت‌های هدفمند را در اختیار شما قرار می‌دهیم.

ایمیل:global@gneesteels.com