مبدل های حرارتی برای انتقال حرارت از یک محیط به رسانه دیگر استفاده می شود. این رسانه ها ممکن است گاز، مایع یا ترکیبی از هر دو باشند . محیط ممکن است برای جلوگیری از اختلاط توسط یک دیوار جامد از هم جدا شود یا ممکن است در تماس مستقیم باشد. مبدل های حرارتی می توانند کارایی انرژی سیستم را با انتقال گرما از سیستم هایی که نیازی به آن ندارند به سیستم های دیگر که می توان از آن به طور مفید استفاده کرد، بهبود بخشد.
به عنوان مثال، گرمای هدر رفته در اگزوز یک توربین گازی مولد الکتریسیته را می توان از طریق یک مبدل حرارتی به جوشاندن آب منتقل کرد تا توربین بخار را برای تولید برق بیشتر به حرکت درآورد (این اساس فناوری توربین گازی سیکل ترکیبی است).
یکی دیگر از کاربردهای رایج مبدل های حرارتی، پیش گرم کردن سیال سرد ورودی به سیستم فرآیند گرم شده با استفاده از گرمای سیال داغ خروجی از سیستم است. این باعث کاهش انرژی ورودی لازم برای گرم کردن سیال ورودی به دمای کار می شود.
کاربردهای ویژه مبدل های حرارتی عبارتند از:
- گرم کردن سیال خنک‌تر با استفاده از گرمای یک سیال داغتر
- خنک کردن سیال داغ با انتقال حرارت آن به سیال خنک تر
- جوشاندن یک مایع با استفاده از گرمای یک مایع داغتر
- جوشاندن مایع در حین متراکم کردن سیال گازی داغتر
- متراکم کردن یک سیال گازی با استفاده از یک سیال خنک کننده
سیالات درون مبدل حرارتی معمولاً به سرعت جریان می یابند تا انتقال گرما را از طریق جابجایی اجباری تسهیل کنند. این جریان سریع منجر به کاهش فشار در سیالات می شود. کارایی مبدل‌های حرارتی به این موضوع اشاره دارد که چگونه گرما را نسبت به افت فشاری که متحمل می‌شوند، انتقال می‌دهند. فناوری مبدل حرارتی مدرن تلفات فشار را به حداقل می‌رساند و در عین حال انتقال حرارت را به حداکثر می‌رساند و سایر اهداف طراحی مانند تحمل فشارهای بالای سیال، مقاومت در برابر رسوب و خوردگی و امکان تمیز کردن و تعمیرات را برآورده می‌کند.
برای استفاده مؤثر از مبدل های حرارتی در یک تأسیسات چند فرآیندی، جریان گرما باید در سطح سیستم در نظر گرفته شود، به عنوان مثال از طریق «تجزیه و تحلیل پینچ» [درج پیوند به صفحه تحلیل پینچ]. نرم افزار ویژه ای برای تسهیل این نوع تجزیه و تحلیل، و شناسایی و اجتناب از موقعیت هایی وجود دارد که احتمال تشدید رسوب مبدل حرارتی را دارند .
مبدل های حرارتی در انواع مختلفی از ساخت و ساز موجود هستند که هر کدام مزایا و محدودیت های خود را دارند .
انواع اصلی مبدل های حرارتی عبارتند از :
پوسته و لوله – رایج ترین نوع طراحی مبدل حرارتی شامل آرایش موازی لوله ها در یک پوسته است .
صفحه و قاب ، صفحه و باله، صفحه و پوسته، مارپیچ، خنک کننده هوای سطح مرطوب و دو لوله می باشد .
مبدل‌های حرارتی که تاکنون مورد بحث قرار گرفته‌اند، همگی هر دو سیال را جداگانه نگه می‌دارند. با این حال، دو دسته دیگر از مبدل های حرارتی وجود دارد:
- مبدل جریان باز – یک سیال در آن وجود دارد و سیال دیگر وجود ندارد. به عنوان مثال می توان به رادیاتور خودرو، بخاری غوطه ور در مخزن، خنک کننده های فن/فن یا داکت کویل اشاره کرد.
- مبدل تماس مستقیم – رسانه های غیرقابل امتزاج مستقیماً در تماس قرار می گیرند. از یک برج خنک کننده برای خنک کردن آب استفاده می شود زیرا در جریان هوای خنک کننده اسپری می شود. هوا و آب با هم مخلوط نمی شوند، اما گرما با فرآیند تبخیر تبادل می شود. سپس آب سرد شده جمع آوری شده و به گیاه برگردانده می شود. از دیگر مبدل های حرارتی از این نوع می توان به ستون های احیا کننده چرخ و اسپری چرخان اشاره کرد. توجه داشته باشید که اگر این دو سیال از هم جدا نشدند، دستگاه را بخاری یا خنک کننده می نامند. به عنوان مثال، در یک اسپارگر مخزن آب بخار، هنگام سرد شدن و متراکم شدن، بخار جذب آب می شود .
تنظیمات جریان مبدل حرارتی
مبدل حرارتی دارای سه پیکربندی جریان اولیه هستند :
جریان موازی – دو سیال در یک انتهای مبدل حرارتی وارد می شوند و در یک جهت موازی با یکدیگر جریان می یابند. در این طرح، اختلاف دما در ورودی زیاد است، اما دمای سیال در خروجی ها به مقدار مشابهی نزدیک می شود.
جریان مخالف – دو سیال در انتهای مخالف مبدل حرارتی وارد می شوند و خلاف یکدیگر جریان می یابند. در این طرح، اختلاف دما در طول مبدل کمتر اما ثابت است. ممکن است سیالی که گرم می شود، مبدل را در دمایی بالاتر از دمای خروجی سیال گرمایشی ترک کند. این کارآمدترین طراحی به دلیل اختلاف دمای بالاتر در طول مبدل است.
جریان متقاطع – دو سیال عمود بر یکدیگر جریان دارند. بیش از یک روش برای انتقال حرارت در مبدل حرارتی وجود دارد. انتقال حرارت با استفاده از یک یا چند حالت انتقال، رسانش، همرفت یا تابش انجام می شود.
پیاده سازی مبدل های حرارتی
اجرای صحیح مبدل های حرارتی در سیستم های چند فرآیندی، مانند پالایشگاه های نفت، مستلزم در نظر گرفتن شبکه جریان های حرارتی در سطح سیستم است. این اغلب از طریق “تجزیه و تحلیل پینچ” انجام می شود، که منابع گرمایی موجود در یک سیستم با تقاضای گرما را از نظر کمیت و دمای گرما مطابقت می دهد. نرم افزار پیچیده ای برای کمک به طراح در این فرآیند در دسترس است. کاهش رسوب نیز یکی از ملاحظات طراحی است و می‌تواند شامل در نظر گرفتن فناوری‌های مختلف، سرعت‌ها، بای‌پس‌ها برای تمیز کردن هر یک از HX در طول عملیات، و ادغام مبدل‌های حرارتی اضافی باشد.
به طور مشابه، نرم افزاری برای مدیریت رسوب مبدل حرارتی موجود است. بر اساس شرایط فرآیند و انتخاب مؤلفه، برخی از بسته‌های نرم‌افزاری می‌توانند نرخی را پیش‌بینی کنند که مبدل‌های حرارتی احتمالاً رسوب می‌کنند. بسته های نرم افزاری نیز برای نظارت بر رسوب با بررسی عملکرد مبدل حرارتی در طول زمان در دسترس هستند. برآورد هزینه های تمیز کردن مبدل های حرارتی در مقابل منافع اقتصادی (از نظر کاهش مصرف انرژی) نیز محاسبه می شود .
فناوری های جایگزین
فناوری هایی وجود دارند که ممکن است به عنوان جایگزینی برای استفاده از مبدل های حرارتی در نظر گرفته شوند.
حوضچه های خنک کننده ممکن است برای اجازه دادن به آب گرم برای خنک شدن طبیعی از طریق از دست دادن تبخیر به جو استفاده شوند. سپس آب موجود در حوضچه را می توان به عنوان آب خنک کننده به داخل گیاه گردش داد. این حوضچه ها ممکن است اهداف تفریحی ثانویه مانند ماهیگیری، قایق سواری یا شنا را ارائه دهند. برای محاسبه تلفات تبخیر، نیاز به آب جبرانی است. برای این گزینه مقدار زیادی زمین مورد نیاز است.
تهویه مستقیم بخار ممکن است نیاز به خنک‌سازی آب فرآیند را کاهش دهد، اما این گزینه دلایل اصلی خنک‌سازی را نادیده می‌گیرد که بهبود راندمان سیستم و حفظ آب با کیفیت فرآیند است و منجر به اضافه شدن آب و مواد شیمیایی تصفیه آب می‌شود. این گزینه معمولاً به جز در عملیات راه اندازی، تهویه اضطراری و خاموش کردن استفاده نمی شود.
طراحی فرآیند و اصلاحات کنترل ممکن است از نیاز به مبدل های حرارتی جلوگیری کند یا کاهش دهد.
مسائل/خطرات عملیاتی
مبدل های حرارتی برای کارکرد با راندمان بالا نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارند و معمولاً نیاز به یک برنامه تعمیرات اساسی دقیق دارند. بیشتر این تلاش ها با هدف مقابله با اثرات رسوب گذاری است، که در آن جامدات (مانند ذرات خارجی یا رسوبات) روی سطوح مبدل حرارتی تجمع می یابند و مانع از انتقال حرارت و محدود کردن جریان سیال می شوند. افزودنی های شیمیایی همچنین می توانند از رسوب ذرات جلوگیری کنند و ممکن است وسیله ای مقرون به صرفه برای جلوگیری از رسوب گیری باشند.
تعمیرات اساسی می تواند از فعالیت های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه ساده (یعنی فلاشینگ) تا تعمیراتی که نیاز به حذف بسته لوله از پوسته مبدل حرارتی برای تمیز کردن دارد، باشد. این زمان خاموشی نیز باید هنگام اندازه‌گیری مبدل‌های حرارتی و طراحی شبکه فرآیند در نظر گرفته شود.
بسیاری از مبدل‌های حرارتی در فشارها و دماهای بالا یا با سیالات خطرناک کار می‌کنند و برای جلوگیری از خطرات پرسنل و قطعی سیستم باید از روش‌های عملیاتی کافی پیروی کرد.
مبدل های حرارتی معمولاً توسط کدهای صنعتی مانند کدهای ANSI و TEMA تنظیم می شوند. طراحی تجهیزات جدید و هرگونه تعمیر باید با کدهای قابل اجرا مطابقت داشته باشد.
فرصت ها / مورد تجاری
بسیاری از طرح‌های مبدل حرارتی در مواد متعددی موجود هستند و می‌توانند برای کاربردهای خاص و همچنین طرح‌های استانداردی که با حداقل زمان و هزینه‌های کمتر در دسترس هستند، سفارشی شوند. چندین مزیت استفاده از مبدل های حرارتی در زیر ذکر شده است:
- بهبود بهره وری انرژی سیستم های نیروگاهی
- کاهش مصرف سوخت، گازهای گلخانه ای و انتشار گازهای گلخانه ای
- تجهیزات موجود را به دلیل فرسودگی تعویض کنید
- تجهیزات موجود را به طرح های جدیدتر کارآمدتر ارتقا دهید
- ظرفیت گرمایش یا سرمایش اضافی به دلیل افزایش خروجی کارخانه
