طراحی مبدل حرارتی

آشنایی با مبدل حرارتی

  • مبدل حرارتی (heat exchanger) تجهیزی است که برای انتقال حرارت بهینه از یک محیط به محیط دیگر به کار می‌رود
  • مبدل‌های حرارتی حرارت را بین دو یا چند جریان سیال که درون دستگاه جریان دارند منتقل می‌کنند
  • مبدل‌های حرارتی در صنایع زیادی همانند فرآیند، نیروگاه، تهویه مطبوع، تبرید، برودت، بازیافت حرارت و صنایع ساخت و تولید دارند. در صنایع نیروگاهی انواع زیادی از بویلرهای فسیلی، بخار‌سازهای هسته‌ای، کندانسورهای بخاری، ری‌ژنراتورها و برج‌های خنک کن به کار می‌روند. در صنایع فرآیندی، مبدل‌های جریان دو فاز برای تبخیر، تقطیر، انجماد کریستال و به عنوان بسترهای سیال‌سان (fluidized beds)‌ با واکنش‌های کاتالیستی به کار می‌روند. سیستم‌های تهویه مطبوع و تبرید نیاز به کندانسور و اواپراتور دارند.
  • پیش‌رفت زیادی در کاربرد مبدل‌های حرارتی صورت گرفته است. یکی از قدم‌های اصلی در پیش‌رفت اولیه بویلرها، معرفی بویلرهای واتر تیوب (water-tube boilers) بود. تقاضا برای موتورهای قدرتمندتر نیاز به بویلرهایی که با فشار بیش‌تر کار کنند را بیش‌تر کرد و در نتیجه بویلرها بزرگ‌تر و بزرگ‌تر شدند. واحدهای بویلری که در نیروگاه‌های مدرن به کار می‌روند فشار بخار بالای 80 بار تولید و از کوره‌های دارای تیوب‌های آب، سوپرهیترها و قسمت‌های بازیافت حرارتی همانند اکونومایزرها و هیترهای هوا و کندانسورهای با کارایی بالا استفاده می‌کنند. تکامل بویلرهای مدرن و کندانسورهای کارامد‌تر برای صنعت نیروگاهی، یک مایل‌استون مهم در مهندسی بوده است.
  • در صنایع فرآیندی، مهندسان با طراحی تجهیزات تبخیر مایع درگیر هستند. در صنایع شیمیایی، وظیفه یک اواپراتور یا وپورایزر (vaporizer)، تبخیر یک مایع یا تغلیظ یک محلول به وسیله تبخیر بخشی از حلال است. وپورایزرها در فرآیند کریستال‌سازی نیز به کار می‌روند. حلال اغلب آب است ولی در بسیاری از شرایط، حلال با ارزش است و برای استفاده مجدد بازیافت می‌شود. وپورایزرها در فرآیندهای شیمیایی در اندازه‌های مختلفی موجود هستند
  • برای پیش‌بینی کارایی یک مبدل حرارتی، لازم است که ابتدا آرایش جریان در مبدل‌های حرارتی را مشخص نماییم؛ سپس نرخ جریان در مسیرهای از پیش مشخص را تعیین کنیم و سوم مقاومت‌های در برابر انتقال حرارت از یک جریان به دیگری را در هر نقطه از حجم مبدل حرارتی محاسبه نماییم. مشخص کردن توزیع دما در هر جریان به وسیله محاسبات ریاضی انجام می‌شود
  • زمانی که آرایش‌ها ساده باشند، همانند جریان متقابل (counter flow)، جریان موازی (parallel flow)، جریان متقاطع (cross flow)، جریان متقاطع-متقابل (cross-counter flow)، و مبدل حرارتی پوسته و لوله چند پاسه (multi-pass sheel and tube)، و زمانی که مقاومت در برابر انتقال حرارت در کل حجم یک‌نواخت باشد، اغلب می‌توان معادلات کارایی مربوطه را به صورت تحلیلی حل کرد. از طرف دیگر زمانی که آرایش جریان‌ها پیچیده باشند، همانند حالت عمومی یا زمانی که مقاومت انتقال حرارت از یک نقطه تا نقطه دیگر متفاوت باشد، معادلات مربوطه را باید به وسیله محاسبات عددی حل نمود. عددی که به عنوان مقاومت در مبدل‌های حرارتی واقعی در شرایط مختلف در نظر گرفته می‌شود مهم است که اغلب وابسته به دماهای محلی سیالات دارای انتقال حرارت است
انیمیشن انتقال گرما در مبدل حرارتی

انیمیشن انتقال گرما در مبدل حرارتی

شماتیک مبدل حرارتی

شماتیک مبدل حرارتی

انتقال گرما در مبدل حرارتی

انتقال گرما در مبدل حرارتی

انواع مبدل حرارتی

  • مبدل حرارتی لوله‌ای (tube/pipe heat exchanger)
  • مبدل حرارتی لوله‌ای فین‌دار (finned tube heat exchanger)
  • مبدل حرارتی صفحه‌ای (plate heat exchanger)
  • مبدل حرارتی دابل پایپ (double pipe heat exchanger)
  • مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchanger)
  • مبدل حرارتی صفحه‌ای اسپیرال (spiral plate heat exchanger)
  • مبدل حرارتی لاملا (lamella heat exchanger) یا رامن (Ramen heat exchanger)
  • مبدل حرارتی بازیاب (regenerative heat exchanger)
  • مبدل حرارتی تماس مستقیم (direct contact heat exchanger)
  • کولر هوایی (air cooler) یا مبدل حرارتی هوا خنک (air cooled heat exchanger)
  • برج خنک کن (cooling tower)
  • کندانسور (condenser)
  • اواپراتور (evaporator)
  • بویلر (boiler)
  • ری‌بویلر (reboiler)
  • خشک کن (dryer)
  • کوره (furnace)
  • کویل هوایی تهویه (air coil)
  • لوله‌ حرارتی (heat pipe)
مبدل حرارتی

مبدل حرارتی

مبدل حرارتی در صنایع نفت و گاز

  • اصلی ترین مصرف کننده مبدل حرارتی در ایران، صنعت نفت و گاز و صنایع وابسته است
  • در صنایع نفت و گاز دو نوع از مبدل حرارتی استفاده می شود:مبدل پوسته و لوله و مبدل حرارتی صفحه ای
  • مبدل حرارتی در این صنعت هم برای گرم کردن و هم برای سرد کردن استفاده میشود

کاربردهای مبدل حرارتی در صنایع نفت و گاز

  • تقطیر حلال و مخلوط های چند ماده ای
  • گرمادهی و خنک کاری راکتورها و نگهدارنده محصولات
  • حرارت دهی یا خنک سازی تولید محصولات حد واسط در واکنش ها
  • خنک سازی هیدروکربن
  • خنک سازی آب در چرخه های آب در قسمت های مختلف واحدهای پتروشیمی
  • مبدل های حرارتی در پتروشیمی برای بازیابی حرارت در واحدهای تولید بنزن
  • استفاده از انواع مبدل های حرارتی برای بازیابی حرارت در تمام فرآیندهای پتروشیمیایی
  • استفاده به عنوان اوپراتور و کندانسور
  • تامین آب داغ به عنوان گرمکن آب تغذیه بویلر
  • خنک کاری سدیم هیدروکسید
  • استفاده به عنوان گرم کننده نفت خام
  • استفاده به عنوان پیش گرمکن آب و خنک کاری آن

مبدل حرارتی در صنایع نفت و گاز

  • اصلی ترین مصرف کننده مبدل حرارتی در ایران، صنعت نفت و گاز و صنایع وابسته است
  • در صنایع نفت و گاز دو نوع از مبدل حرارتی استفاده می شود:مبدل پوسته و لوله و مبدل حرارتی صفحه ای
  • مبدل حرارتی در این صنعت هم برای گرم کردن و هم برای سرد کردن استفاده میشود

استفاده از مبدل حرارتی در پتروشیمی

  • در پتروشیمی ها به حرارت دادن سیال ها نیازی وجود ندارد
  • مبدل های حرارتی جهت خنک کردن سیال ها و گازها بکار میروند
  • از جمله این مواد که به خنک کردن نیاز دارند می توان به اتیلن و اتان و پروپیلن و پروپان اشاره کرد

مبدل حرارتی مدارچاپی (PCHE)

تاریخچه

  • مبدل حرارتی مدارچاپی (Printed Circuit Heat Exchanger) که به اختصار به PCHE معروف است، طرح نسبتا جدیدی از مبدل‌های حرارتی فشرده (Compact Heat exchangers) است که ابداع آن درنتیجه تحقیقات انجام شده در دانشگاه سیدنی استرالیا در سال 1980 شکل گرفت
  • سپس ساخت و تجاری سازی این مبدل در سال 1990 توسط شرکت بریتانیایی Heatric Ltd. (UK) آغاز شد. نام این مبدل‌های حرارتی به دلیل تشابه در شکل و بخشی از فرآیند ساخت، برگرفته از بردهای الکترونیکی مدارچاپی (Printed Circuit Boards) است
  • در ادامه به توضیح فرآیند ساخت، هندسه صفحات و کانال‌ها و نیز ویژگی‌ها و محدودیت‌های کاری که برای مبدل‌های مدارچاپی تعریف شده است پرداخته خواهد شد

فرآیند ساخت این نوع مبدل حرارتی

  • به‌منظور ساخت مبدل‌های حرارتی مدارچاپی، ابتدا یک سمت از صفحات مسطح ((Sheet تحت عملیات حکاکی شیمیایی قرارگرفته که در اثر آن مسیرهای جریان سیال بر روی صفحات شکل می‌گیرد
  • سپس مجموعه ای از صفحات گرم و سرد حکاکی شده به‌صورت یکی در میان بر روی یکدیگر قرارگرفته و تحت فرآیند اتصال نفوذی به یکدیگر جوش می‌شوند و بلوک یا هسته مبدل شکل می‌گیرد
  • در صورت نیاز به دبی بالاتر، چند بلوک را می‌توان به یکدیگر جوش داد تا بلوک بزرگ‌تر و درنتیجه مبدل بزرگتری حاصل شود. در مرحله آخر نیز، هدرها و نازل های ورودی و خروجی به بلوک جوش داده می‌شوند تا شکل نهایی PCHE حاصل شود. به‌طور معمول مرجع استاندارد برای طراحی مکانیکی و ساخت این مبدل‌ها ASME VIII Division 2. است.

جنس صفحات

  • به‌طور معمول صفحات مبدل‌های مدارچاپی از جنس فولادهای ضد زنگStainless steel 316L , 304L) )، مس، تیتانیوم و سوپرآلیاژهای نیکل (Inconel 600, Incoloy 800) است، چون مستحکم و در مقابل خوردگی مقاوم اند. همچنین قابلیت انجام فرآیند اتصال نفوذی در آن‌ها وجود دارد

هندسه صفحات و کانال‌ها

  • مبدل‌های حرارتی مدارچاپی معمولا چگالی سطحی حرارتی بیشتر از m2/m3 2500 را دارا می باشند که آن‌ها را در دسته فشرده ترین و کم حجم ترین مبدل‌های حرارتی قرار می‌دهد، و این به دلیل فشردگی کانال‌های نسبتا باریک بر روی صفحات مبدل هست. ضخامت صفحات در این مبدل‌ها بسته به هندسه کانال‌ها می‌تواند بین mm 1-3 متغیر باشد و طول و عرض صفحات بسته به نیاز، تجهیزات و نوع طراحی ابعاد متفاوتی می‌تواند داشته باشد. به‌طور معمول و در مبدل‌های تجاری Heatric Ltd. (UK) ضخامت صفحات حدود mm 1.6 است و بزرگترین طول و عرض صفحات که در حال حاضر نیز در دسترس هست، به ترتیب mm 1500 و mm 600 است
  • کانال‌های عبور سیال در مبدل‌های مدارچاپی، مقطع تقریباً نیم‌دایره‌ای با قطر mm 0.5-2 و در برخی موارد تا mm 5 دارند. اما معمولاً عرض کانال مبدل‌های مدارچاپی بین mm 1-2 و عمق بین mm 0.5-1 است. درنتیجه قطر هیدرولیکی کانال‌ها بین mm 0.6-1.2 به دست خواهد آمد. فاصله بین دو کانال نیز به‌طور معمول حدود mm 0.5 است که البته این فاصله تقریبی است و بسته به ضخامت صفحه، هندسه کانال و به‌خصوص فشار سیال قابل محاسبه است. شکل کانال‌ها در مبدل‌های تجاری عموماً به‌صورت مستقیم و یا زیگزاگ با زوایای گوناگون هست. اما در برخی کارهای پژوهشی، به شکل مقاطع ایرفویل و یا انحناهای S شکل نیز مشاهده شده است.

ویژگی‌ها و محدودیت‌های کاری

  • به دلیل مواد و فرآیندهای ویژه‌ای که در ساخت PCHE به کار گرفته می‌شود، این نوع مبدل‌ها، از قابلیت‌های ویژه‌ای برخوردار می‌شوند. از سوی دیگر، این مبدل‌ها مانند هر مبدل حرارتی دیگری معایبی نیز دارند. در ابتدا به ذکر قابلیت‌هایی که استفاده از PCHE ایجاد می‌کند، پرداخته می‌شود.
  • همان‌طور که اشاره شد، یکی از ویژگی‌های قابل‌توجه مبدل‌های مدارچاپی، فشردگی بسیار زیاد این مبدل‌هاست که باعث شده در مقایسه با مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله  رایج و در توان حرارتی برابر با آن‌ها، بین 75-85% سبک‌تر و کم‌حجم‌تر باشند. درنتیجه فضای کمتر و همچنین سازه و اتصالات کمتری اشغال خواهند کرد.
  • بلوک یا هسته مبدل‌های مدارچاپی به روش اتصال نفوذی شکل می‌گیرد. درواقع عدم استفاده از جنس یا قطعه دومی مثل، جوش، فیلر یا واشر برای اتصال صفحات و همچنین استفاده از صفحاتی از جنس آلیاژهای نیکل، فولاد و تیتانیوم سبب شده که این مبدل‌ها شدیداً مستحکم باشند. به‌گونه‌ای که فشار کاری این مبدل‌ها، بسته به دمای کاری سیال تا bar 600 و حتی در صورت طراحی‌های ویژه‌تر تا bar 1000 هست. از سوی دیگر با توجه به فشار کاری سیال و جنس صفحات، این مبدل‌ها می‌توانند از دمای مواد سرمازا  یعنی حدود C° -200 ،تا دمای C° 900 را پوشش دهند.
  • PCHE عملکرد حرارتی بسیار بالایی دارد، طوری که بازده حرارتی این مبدل‌ها تا 98% نیز می‌رسد.
  • امکان ایجاد کانال صفحات با طرح‌ها و الگوهای متفاوت توسط حکاکی شیمیایی وجود دارد، که این موضوع مبدل‌ها مدارچاپی را قادر می‌سازد تا ترکیبی از چند جریان را در یک واحد مبدل پوشش دهند.
  • هر نوع سیالی (گاز، مایع و دوفازی) را در بازه گسترده‌ای از دما و فشار می‌توان برای مبدل‌های مدارچاپی به کار گرفت.
  • به دلیل آن‌که اتصال نفوذی برای بازه گسترده‌ای از مواد و فلزات قابل استفاده است، PCHE را می‌توان برای انواع سیالات خورنده استفاده کرد.
  • اما معایب و محدودیت‌هایی که در مبدل‌های مدارچاپی وجود دارد را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد به دلیل مواد و فرآیندهای ویژه‌ای که در ساخت این مبدل‌ها وجود دارد، در حال حاضر هزینه ساخت بیشتری نسبت به مبدل‌های رایج ازجمله پوسته-لوله و صفحه-واشر دارند.
  • ابعاد کانال در مبدل‌های مدارچاپی کوچک است (0.5-2 mm)، از طرفی پس از اتصال نفوذی، صفحات قابل جدا شدن نیستند، به همین دلیل سیال‌های مورد استفاده باید تا حد امکان از وجود ذرات و ناخالصی‌های فیزیکی همراه، تمیز باشند تا احتمال انسداد کانال‌ها کاهش یابد.
  • اگر سیال همراه ذراتی با ابعاد بیش از 300 میکرون باشد، کانال‌ها دچار رسوب گرفتگی شده و ممکن است مسدود شوند. با افزودن فیلترهای مطلوب در ورودی PCHE می‌توان تا حد زیادی از آن جلوگیری کرد، اما هزینه‌های جانبی خواهد داشت (همچنین فیلترها باید به‌طور منظم تمیز شوند).
  • برای از بین بردن انسداد کانال‌ها باید از شستشوهای شیمیایی استفاده کرد، که این موضوع علاوه بر مشکلات و خطرات ناشی از مواد شیمیایی، در برخی از جایگاه‌ها و با توجه به نحوه نصب مبدل می‌تواند مشکلات خاص خود را به دنبال داشته باشد. به همین منظور از قبل، طراحی‌ها و آمادگی‌های لازم برای این منظور باید در نظر گرفته شود.
  • یکی دیگر از مشکلات مبدل‌های حرارتی مدارچاپی که در برخی منابع به آن اشاره‌شده است، افت فشار بالا در طول کانال‌ها و افزایش هزینه‌های ناشی از پمپاژ هست.
    * به این نکته نیز باید اشاره کرد که در برخی از فرآیندها لازم است سیال با کاهش فشار زیادی روبرو شود تا در صورت امکان از شیرهای فشارشکن استفاده نشود، برای این منظور مبدل‌های حرارتی مدارچاپی، شامل هدر، نازل و صفحه‌ها را به‌گونه‌ای می‌توان طراحی کرد تا افت فشار بالا و موردنیاز را تأمین کند.

زمینه‌های کاربرد

  • همان‌طور که در بالا اشاره شد، مبدل‌های مدارچاپی ویژگی‌های منحصربه‌فردی ازجمله، بازده بالا، فشردگی زیاد، بدنه مستحکم، بازه‌ای گسترده از دما و فشار کاری، مقاومت بالا در برابر سیال‌های خورنده و قابلیت عبور هم‌زمان چندین جریان متفاوت (با هر نوع سیالی، مانند گاز، مایع و یا سیالات دارای تغییر فاز) و تبادل حرارتی آن‌ها دارند.
  • از طرفی قابلیت ساخت انواع متفاوتی از PCHE وجود دارد، یعنی علاوه بر این‌که صفحات مبدل با توجه به نیاز می‌تواند جنس و الگوهای متنوعی داشته باشد، بار حرارتی مبدل نیز از توان‌هایی در مقیاس وات تا چندین مگاوات با وزن‌های کیلوگرمی تا چندین هزار کیلوگرمی قابلیت طراحی و ساخت دارند.
  • ازاین‌رو شرکت سازنده مبدل‌های حرارتی مدارچاپی، چهار زمینه کاربردی اصلی این مبدل‌ها را به‌صورت زیر ذکر کرده و برای هر بخش، به فرآیندهایی که PCHE در آن به کار گرفته می‌شود و یا قابلیت استفاده را دارد، اشاره کرده است. در بخش‌های بعدی به‌صورت جزئی‌تر، به توضیح برخی از این کاربردها پرداخته خواهد شد تا اهمیت به‌کارگیری مبدل‌های PCHE آشکارتر شود.

صنایع نفت و گاز

یکی از اصلی‌ترین و پرکاربردترین نواحی قابل استفاده برای مبدل‌های مدارچاپی، صنعت نفت و گاز هست. به‌گونه‌ای که این مبدل‌ها در هر شکلی از میادین نفت و گاز اعم از میدان‌های روی خشکی ، سکوهای دریایی  و میدان‌های متحرک روی کشتی  به کار گرفته می‌شوند.

فرآیندهای کاربردی این بخش عبارت‌اند از:
• کراکینگ  فراورده‌های نفتی و گازی
• کنترل نقطه شبنم گاز
• مایع سازی گاز در فرآیند LNG (پایانه مبدأ)
• دوباره گازسازی  مایع LNG (پایانه مقصد)
• تولید سوخت‌های مصنوعی مانند متانول
• تولید میعانات گازی (NGL)

• مبدل‌های تغذیه راکتور

فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمی
• تولید هیدروژن در فرآیند تبدل بخارآب با متان
• تولید سود سوزآور و پتاس سوزآور و همچنین تولید اسید نیتریک و اسید فسفریک
• تولید اتیلن و پروپیلن
• صنایع پلاستیک – فرمالدهید و فنول
• صنایع داروسازی
• میکروتکنولوژی

• راکتورهای شیمیایی

نیروگاه و انرژی

مبدل‌های حرارتی مدارچاپی ظرفیت بسیار ویژه‌ای برای کاهش انرژی مصرفی و افزایش بازده در انواع نیروگاه‌ها دارند و این عمل را با بازیابی انرژی انجام می‌دهند.

  • کاربرد در انواع راکتورهای هسته‌ای نسل چهارم
  • بازیابی انرژی در انواع سیکل‌های دما بالای رانکین و برایتون مانند سیکل برایتون با کربن دی‌اکسید فوق بحرانی  (High temperature recuperator)
  • سلول‌های سوختی
  • IGT

سردسازی 

  • سرمایش‌های تراکمی به‌عنوان مثال استفاده به‌عنوان کولر در تولید نیتروژن مایع
  • پیش سردسازی هیدروژن مایع در جایگاه‌های سوخت هیدروژنی
  • چیلرها، کندانسورها و سیکل‌های جذبی
بازگشت به بالا