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
error: کپی نداریم