کاربرد مبدل حرارتی در صنایع پتروشیمی

مبدل حرارتی چیست؟

یک مبدل حرارتی یا اصطلاحا Heat Exchanger یک سیستم جهت انتقال داده حرارت بین 2 سیال می باشد که این سیال می تواند هم گاز باشد هم مایع و در اصل مبدل حرارتی نه تنها برای انتقال و انجام فرآیندهای گرمایشی بلکه برای انتقال سرما هم مورد استفاده قرار می گیرند. جهت اینکه از مخلوط شدن سیال های جاری در مبدل حرارتی جلوگیری شود با استفاده از یک دیواره ی جامد از همدیگر جدا می شوند و در بعضی از انواع مبدل حرارتی می توانیم جریان های سیال را بصور مستقیم با هم در تماس قرار دهیم.

بطور مثال یک مبدل حرارتی روغنی، حرارت ایجاد شده در یک روغن داغ را به هوا یا آب منتقل می کند و یا اینکه مبدل حرارتی در یک استخر، گرمای بالای آب داغ بویلر را به سمت آب استخر منتقل خواهد کرد بدون اینکه این دو آب با یکدیگر تماس مستقیم داشته باشند. مبدل حرارتی انواع و مدل های مختلفی دارند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.

معرفی انواع مبدل های حرارتی

مدل حرارتی از نظر فشار کاری سیال در سه دسته فشار بالا، فشار متوسط و فشار پایین قرار می گیرد ولی اکثرا انواع مبدل حرارتی را از نظر ساختار طراحی دسته بندی می شوند که شامل:

البته بجز 4 دسته ی فوق مبدل های دیگری هم وجود دارند که از نظر کاربرد بسیار کم کاربرد هستند و بیشتر بر روی برخی پرکاربردتر تمرکز می کنیم که عبارتند از مبدل های لوله ای، مبدل های پوسته و لوله، صفحه ای و هوا خنک که کاربردهای بسیار بیشتری دارند و در کلیه ی صنایع مختلف نیز مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه به بررسی هرکدام از آنها خواهیم پرداخت و علاوه بر ساختار، مزایا و ویژگی های آنها را نیز ارائه خواهیم داد که می توانید تمامی این اطلاعات را بصورت مستند و همراه با  مشاهده بفرمائید.

مبدل های حرارتی لوله ای

در مبدل لوله یا همان دو لوله ای، یک لوله را با قطر کوچکتر داخل لوله ای دیگر با قطر بزرگتر و بصورت همرکز قرار می گیرند و در این نوع مبدل انتقال حرارت از راه جداره لوله با سایز کوچکتر بین دو بین دو سیال که می تواند گاز یا مایع باشد انجام خواهد گرفت. مبدل حرارتی لوله ای را می توان ساده ترین شکل و نوع مبدل از لحاظ ساختار معرفی کرد که مهمترین عیب آن هم توانایی انتقال حرارت کمتر نسبت به مبدل های دیگر می باشد که البته بخاطر سطح تبادل حرارتی کم در آن می باشد.

از مبدل حرارتی لوله ای اکثرا برای تبادل حرارت بین سیال گازی بهره برده می شود. البته موقعی که فشار یک مورد از دو سیال یا حتی هردو آنها بالا باشد می توانیم از مبدل حرارتی هم استفاده کنیم. پس ساختار کلی یک مبدل حرارتی دو لوله ای در ساده ترین نوع آن به این شکل است که دو لوله با قطرهای متفاوت می باشند که لوله با قطر کوچکتر بصورت هم مرکز داخل لوله ی با قطر بزرگتر قرار می گیرد. بصورت کلی دیواره ی لوله ی داخلی سطح انتقال حرارت را مشخص می کند و اکثرا برای دست یافتن به سطح بیشتر فین گذاری می شود.

برخی از مزایای مبدل حرارتی که می توانیم از آن استفاده کنیم عبارتند از :

از جمله معایبی که می توانیم برای مبدل حرارتی نام ببریم مربوط به این است که سطح انتقال حرارتی در این مبدل کم بوده و تنها برای مبدل های کوچکتر و البته با ظرفیت کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. البته فضایی که این نوع مبدل ها اشغال می کنند بسیار زیادتر از مبدل های دیگر است و در صنایع مدرن و جدید امروزی بسیار کمتر بسراغ آن می روند چون بازدهی و راندمان کار را پایین می آورد.

در طراحی مبدل حرارتی لوله ای یکی از معیارهای مهم نوع الگوی جریان می باشد که در مبدل قرار دارد و مبدل لوله ای عموما می تواند برای هر دو الگوی جریان موازی و جریان مخالف طراحی بشود ولی الگوی جریان متعامد در مبدل لوله ای کارایی چندانی ندارد. ولی از جمله ویژگی های مهم این نوع مبدل این است که عملکرد و کارکرد درست و بهینه آنها تحت شرایط الگوی جریان مخالف می باشد. این الگو بیشترین بازدهی را داشته و بالاترین میزان ضریب انتقال حرارت را در طراحی مبدل لوله ای بدنبال دارد.

کاربرد  لوله ای برای مواقعی است که نرخ جریان سیال عبوری کم باشد و میزان تغییرات دمایی زیادی انجام بگیرد یا اینکه انتقال حرارت کم برای نرخ جریان زیادی مورد نیاز باشد. البته در این نوع کاربرد در شرایط مفید و خوب خواهد بود که فضای کافی برای کار گذاشتن مبدل حرارتی لوله ای فراهم باشد. اگر هم فضای کافی در یک بخش وجود ندارد می توانیم چندین مبدل لوله ای را بصورت سری و موازی در واحد های جداگانه ای نصب و فعال کنیم که بشکل عمومی قرار بگیرند. از مبدل حرارتی لوله ای می توانیم در صنعت غذایی و البته در تهویه هوای مطبوع استفاده کرد مانند اواپراتور، کندانسور یا بعنوان بویلر.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

بعد از شناخت کافی نسبت به مبدل حرارتی بسراغ مبدل حرارتی پوسته و لوله می رویم که این مدل از لحاظ ساختار یکی از معمول ترین مبدل ها برای استفاده در تهویه مطبوع و سرمایش صنعتی می باشد. از نام آن مشخص است که مبدل پوسته و لوله از تعدادی لوله ایجاد شده است که درون پوسته ای قرار دارد که بشکل استوانه ای می باشد. درباره نحوه کار این مبدل باید گفت که دو جریان سیال با دماهای ابتدایی متفاوتی وارد آن می شوند و یکی از آن سیال ها دورن لوله ها می رود و سیال دیگر درون پوسته قرار می گیرد و از آن عبور می کند. حرارت از راه دیواره ی لوله ها بین دو سیال انتقال خواهد یافت و گاهی از سیال داخل لوله به سیال جاری در پوسته این انتقال انجام می شود یا بالعکس از سیال جاری داخل پوسته به سیال داخل لوله منتقل می شود.

قبلا اشاره کردیم که هرکدام از سیال ها می توانند از گازها یا مایعات باشند و این شرایط وجود دارد که هرکدام از داحل پوسته یا لوله جریان پیدا کنند. مبدلی که تنها سیال مایع و فقط سیال گاز در دو سمت آن جریان خواهد داشت را مبدل تک فاز می گوییم و البته مبدل حرارتی دو فاز نیز توانایی انتقال حرارت به مایع برای جوشاندن و تبخیر آنها و یا برای خنک کردن بخاطر جهت چگالش آن با تغییر فاز را خواهند داشت که البته اینکار با تغییر فازی که معمولا در سمت پوسته انجام می شود بکار خواهد رفت.

طراحی مبدل حرارتی از نوع پوسته و لوله تنوع بالایی دارد که عموما در ابتدا و انتهای لوله از راه سوراخ های قرار داده شده در تیوب شیت به پلنیوم، یک فضا را در ابتدا و یا در انتهای مبدل ایجاد می کند و از طریق آن بهم وصل می شوند. اکثرا بافل ها در داخل پوسته جهت هدایت جریان سیال ورودی در نظر گرفته می شوند.  در اصل با استفاده از بافل ها می توانیم ضمن ایجاد کردن تلاطم در جریال سیال که سبب افزایش ضریب انتقال حرارت می شود، ایجاد تماس با تمامی لوله ها ایجاد کنیم و زمان تبادل حرارت بین لوله ها و جریان سیال بیشتری در اختیار داشته باشیم.

لازم بذکر است که در در مبدل حرارتی پوسته و لوله شاید لوله ها به شکل مستقیم یا بصورت حرف U خم شده باشند و مورد استفاده قرار بگیرند. نوع طراحی ساختار  پوسته و لوله با لوله های مستقیم بصورت 1 یا 2 یا 4 پاس قابل انجام است. در اینجا منظور ما از پاس (Pass) میزان دفعاتی است که جریان سیال داخل لوله ها از میان سیال که درون پوسته جاری است، طول مبدل را طی می کند. پس در نوع مبدلی که از نوع یک پاس می باشد جریان سیال از یک طرف لوله وارد شده و از طرف دیگر خارج خواهد شد. علاوه بر این با این تعریف، دسته ای از مبدل ها که بشکل لوله های خم شده هستند را می توانیم به نوعی مبدل 2 پاس حساب کنیم.

خیلی از تولید کنندگان ترجیح می دهند از مبدل حرارتی 2 پاس با لوله های U شکل استفاده نکنند چون میزان مقاومت در جداره لوله ها در بخش خمیده تضعیف شده و ممکن است شکسته شود و از طرفی هزینه تمام شده آنها بسیار بیشتر خواهد شد. پس اکثرا از این نوع مبدل های پوسته و لوله برای ظرفیت های پایین می توانیم استفاده کنیم. همانطور که در بالا و در بخش مبدل های لوله ای گفته شد این مبدل ها برای الگوی جریان غیر موافق بالاترین بازدهی و کارایی را در انتقال حرارت دارند چون که تبادل گرما با بیشترین میزان اختلاف دما بصورت دما متوسط لگاریتمی بین جریان هوای گرم و سرد انجام می شود.

کاربرد مبدل های پوسته و لوله ای به حدی بالاست که می توانیم رایج ترین نوع مبدل حرارتی بنامیم چون معمولا برای گرمایش و سرمایش انواع مایعات و گازها مورد استفاده قرار می گیرند. یکی دیگر از ویژگی های این مبدل ها که باعث شده است کاربرد آنها بیشتر باشد انعطاف پذیری در طراحی آنهاست که امکان بهره بردن از مبدل را در فشارهای مختلف و دما را با سیال های مختلف فراهم می کند. از این مبدل می توانیم در نیروگاه تولید برق، داروسازی، تولید اسید سولفوریک، معادن، تولید کاغذ، پتروشیمی و پالایشگاه ها استفاده کرد.

مبدل حرارتی صفحه ای

شکل دیگری از مبدل حرارتی از نوع مبدل صفحه ای یا Plate است که از صفحه های بسیار نازک از جنس فلزی برای انتقال حرارت میان دو سیال گرم و سرد استفاده می شود. این صفحات سطوح صافی یا موج دار دارند که برای ایجاد کانالهای برای جریال های سیال، آنها را از یکدیگر جدا می کنند.

از جمله مزایای  صفحه ای این است که در مقایسه با سایر مبدل های موجود مانند مبدل لوله یا مبدل پوسته و لوله جریان سیال مورد نظر در کنار سطح بسیار بزرگتری برای تبادل کردن گرما است. چون سیال های گرم و سرد بر روی صفحات فلزی می توانند بصورت کامل پخش شوند در نتیجه انتقال حرارت بسیار بهتری صورت می گیرد و تغییرات دما با سرعت بسیار بیشتری اتفاق خواهد افتاد.

مبدل هوا خنک یا فن دار

در آخر نوع دیگری از مبدل حرارتی وجود دارد که با نام مبدل هوا خنک که دارای فن خنک کننده است می باشد. این مبدل از یک یا تعداد بسیار بیشتری لوله های رفت و برگشتی یا کویل با پره های موجود در آن و یک یا چند فن ساخته شده که سیال با دمای بالا از داخل کویل عبور داده می شود بر اثر وزش هوا توسط فن های این مبدل در سطح بیرونی از کویل، حرارت اضافه از سیال با درجه ی حرارت بالا کسر خواهد شد و دما کاهش پیدا می کند. مبدل های هوا خنک به شکل های عموما عمودی، V شکل و افقی طراحی می شوند.

برای اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید