طراحی مبدل های حرارتی

در طراحی مبدل های حرارتی چند مرحله  برای رسیدن به نتیجه مطلوب طی شود:

تعیین مشخصات طراحی مبدل

مهم ترین مرحله در طراحی مبدل حرارتی تعیین اطلاعات کلی شامل  شرایط کاری و محیطی مبدل است ، از جمله تعیین ماهیت سیالات و ویژگی های شیمیایی آنها، فشارها، محل جغرافیایی که مبدل درآن قرار می گیرد، آرایش جریان ها ( همسو، ناهمسو و متقاطع)، محدودیت های کاری، دمای سیالات ورودی و دمای مورد نیاز سیال خروجی ، هزینه، تعیین تکنولوژی قابل استفاده و … . و در نهایت انتخاب نوع مبدل حرارتی مناسب (مبدل حرارتی صفحه ای، پوسته لوله، لوله ای) و تعیین جنس قطعات انجام می شود.

طراحی حرارتی پایه مبدل حرارتی

برای اندازه گیری ظرفیت یک مبدل حرارتی ، ابتدا باید چندین پدیده گرمایی را در نظر گرفت: همرفت اجباری هر دو سیال: انتقال گرما بین دیواره و سیال به صورت همرفت در حال جریان است، هر دو دارای دماهای متفاوت هستند. در مورد مبدل های حرارتی ، اصطلاحاً به آن همرفت اجباری گفته می شود زیرا در اثر گردش جریان مصنوعی ایجاد می شود (پمپ ها ، توربین ها ، فن ها …).

هدایت: این انتقال گرما است که به طور طبیعی از طریق دیواره ها، صفحات و لوله ها اتفاق می افتد. این پدیده بر اساس اصل آشفتگی حرارتی بدون حرکت مواد است. تابش حرارتی که می تواند بسیار ناچیز تلقی شود.

اعتبارسنجی برنامه حرارتی

پس از انتخاب های فنی، ما به طراحی مبدل حرارتی، یعنی تعیین قدرت، اندازه و هندسه آن خواهیم پرداخت. ابتدا لازم است داده های برنامه حرارتی را از طریق روابط کلی انتقال حرارت تعیین کنیم:

طبق رابطه ی تعادل انرژی داریم

برای یک  حجم کنترل مشخص در حالت پایدار این کسر را برابر با صفر در نظر می گیریم. تغییرات در انرژی جنبشی و پتانسیل جریان های جاری از ورودی به خروجی غیر قابل چشم پوشی است. می توان میزان انتقال حرارت را  به سادگی به دست آورد.

برای تک جریان ، وضعیت ورودی را با زیرنویس 1 و حالت خروجی را با زیرنویس 2 نشان می دهیم.

میزان انتقال حرارت برای سیال گرم

و همچنین برای سیال سرد

میزان کل انتقال حرارت بین سیالات را می توان از طریق رابطه زیر تعیین کرد:

که در آن U ضریب کلی انتقال حرارت است که واحد آن W / m2 oC و ΔTlm اختلاف میانگین دما است.

ضریب انتقال حرارت به طور کلی

یک مبدل حرارتی شامل دو سیال جاری است که توسط یک دیواره جامد جدا شده اند. گرما از طریق مایع گرم از دیواره صفحه به دیواره دیگر از طریق هدایت و از دیواره به مایع سرد با همرفت منتقل می شود.

که در آن Ai = πDiL و Ao = πDoL و U ضریب کلی انتقال حرارت بر اساس سطح آن است. Rt مقاومت حرارتی کل است و می تواند به صورت زیر بیان شود.

که Rf مقاومت رسوب (فاکتور) و Rw مقاومت دیواری است و از معادلات زیر بدست می آید.

برای دیواره یک صفحه ساده :

که در آن ضخامت دیواره t است.

برای یک دیواره استوانه ای:

در صورتی که تمام اطلاعات مورد نیاز طراحی در دسترس نباشد می توان برای تجزیه و تحلیل عملکرد حرارتی از چهار  روش زیر استفاده کرد:

اختلاف میانگین دمای ورود به سیستم (LMTD) ،
تعداد اثربخشی واحدهای انتقال (ε − NTU) ،
اختلاف میانگین دما بدون بعد (Ψ − P)
(P1 – P2).

که عموما از دو روش اول برای طراحی استفاده می شود.

روش 1- اختلاف دمای میانگین لگاریتمی (LMTD)

استفاده از این روش با آگاهی از دمای ورودی و خروجی مایع گرم و سرد تسهیل می شود. چنین برنامه هایی را می توان به عنوان مشکلات طراحی مبدل های حرارتی طبقه بندی کرد. یعنی مشکلاتی که دما و ظرفیت در آنها مشخص است و اندازه گیری مبدل مورد نظر است.

که  ΔT اختلاف دمای سیال سرد وسیال گرم در ورودی مبدل و خروجی مبدل است.

روش2- تعداد اثربخشی واحدهای انتقال (ε − NTU)

برای محاسبه میزان انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی (به ‌ویژه مبدل‌های حرارتی جریان مخالف) هنگامی‌ که اطلاعات کافی برای محاسبه LMTD (اختلاف دمای میانگین لگاریتمی) وجود ندارد، استفاده می‌شود. در آنالیزهای مبدل حرارتی، اگر دماهای ورودی و خروجی سیال مشخص باشند یا بتوان با موازنه انرژی دماها را مشخص کرد، روش LMTD قابل ‌استفاده است. اما هنگامی ‌که این دماها موجود نیستند از روش NTU یا روش موثر (The effectiveness) استفاده می‌شود. در این روش با محاسبه بیشترین میزان حرارت قابل انتقال و استفاده از یک ضریب تصحیح (ضریب بازدهی)، مقدار واقعی گرمای انتقالی محاسبه می‌شود.

یکی از مهم ترین مسائل در طراحی یک مبدل حرارتی میزان راندمان و یا بهره وری مبدل است. هرچه راندمان بیشتر باشد کارایی مبدل نیز بیشتر می شود.

با در نظر گرفتن تمام این عناصر می توان نوع مبدل حرارتی (مبدل حرارتی صفحه ای ، مبدل حرارتی لوله ای …) و مواد را تعریف کرد. گاهی اوقات لازم است از ماده خاصی استفاده شود که انتخاب نوع تبادل را تعیین کند (به عنوان مثال تیتانیوم در یک کاربرد با آب دریا نمی تواند در انواع مبدل های حرارتی استفاده شود).

ارزیابی افت فشار

افت فشار در مبدل های حرارتی به چند دلیل اتفاق می افتد، عمده ترین دلیل افت فشار، اصطحکاک ناشی از جریان سیالات درون لوله و پوسته مبدل است، و دیگر دلیل آن اصطحکاک حاصل از انبساط – انقباض ناگهانی و یا معکوس شدن جهت جریان است. البته تاثیرات کوچکی نیز از تغییرات به وجود آمده در کلگی و انرژی جنبشی نیز می تواند دلیل بر افت فشار باشد اما در اغلب محاسبات می توان از آن ها صرف نظر کرد.

طراحی مکانیکی

طراحی مکانیکی برای تمام قطعات مبدل حرارتی از جمله لوله ها، بافل، صفحات، اتصالات، مخزن هاو … به صورت کامل انجام شود. تنش های حرارتی و محاسبات خستگی نیز انجام می شوند تا پایداری و طول عمر مبدل حرارتی برای مدت زمان راه اندازی و خاموشی تخمین زده شود. در طراحی مکانیکی باید توجه بسیاری بر ضروریات مربوط به نگهداری و تعمیرات نیز صورت گیرد.

برآورد هزینه

هزینه های سرمایه گذاری شامل طراحی و ساخت، هزینه نصب و را اندازی، هزینه های برق مصرفی، هزینه تعمیر و نگهداری و گاهی هزینه های مربوط به دفع و فرسوده کردن سیستم که به آنها هزینه طول عمر گفته می شود، می باشد.

طراحی بهینه

برای دست یابی به طراحی بهینه باید محاسبه تمام موارد ذکر شده در بالا مورد توجه قرار بگیرد، چرا که این عوامل به یکدیگر مرتبط و بر هم تاثیرگذار هستند، و در مواردی برای جلوگیری از بروز خطاهای احتمالی محاسبات باید چند بار قبل از طراحی تکرار شوند. فرآیند کلی طراحی بسیار پیچیده است زیرا باید پارامترهای بسیاری در نظر گرفته شود و محاسبات با دقت بالایی صورت گیرد. به همین علت طراحی مبدل های حرارتی با نرم افزار هایی نظیر Aerotran ، Aspen Teams و… انجام می شود.

استانداردهای مرتبط با مبدل های حرارتی

TEMAکه توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل های لوله ای (آمریکا) تدوین شده و برای طراحی و ساخت مبدل های پوسته لوله ای مورد استفاده قرار می گیرد. ((Tubular Exchanger Manufactures Association
AIP 660 که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحی و ساخت مبدل های پوسته لوله ای استفاده می گردد.
API 661 که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده است و برای طراحی و ساخت مبدل های هوا خنک استفاده می گردند.
ASME Sec VIII که برای طراحی مکان یکی مبدل های حرارتی فشار بالا استفاده می گردد.