بررسی تخصصی مبدل های حرارتی
مبدلهای حرارتی دستگاه‌هایی هستند که برای انتقال گرما بین دو یا چند سیال – یعنی مایعات، بخارات یا گازها – با دماهای مختلف طراحی شده‌اند. بسته به نوع مبدل حرارتی مورد استفاده، فرآیند انتقال حرارت می تواند گاز به گاز، مایع به گاز یا مایع به مایع باشد و از طریق جداکننده جامد، که از اختلاط سیالات یا سیال مستقیم جلوگیری می کند، انجام می شود. مخاطب. سایر ویژگی‌های طراحی، از جمله مصالح و اجزای ساختمانی، مکانیسم‌های انتقال حرارت، و پیکربندی‌های جریان نیز به طبقه‌بندی و دسته‌بندی انواع مبدلهای حرارتی موجود کمک میکنند. با یافتن کاربرد در طیف وسیعی از صنایع، مجموعه متنوعی از این دستگاه‌های مبادله حرارت برای استفاده در فرآیندهای گرمایش و سرمایش طراحی و ساخته شده‌اند.
رولمان صنعت روی مبدلهای حرارتی تمرکز دارد، طرح‌ها و انواع مختلف موجود را بررسی می‌کند و عملکردها و مکانیسم‌های مربوطه را توضیح می‌دهد. علاوه بر این، این مقاله ملاحظات انتخاب و کاربردهای رایج برای هر نوع دستگاه مبادله حرارت را تشریح می کند
ترمودینامیک مبدل حرارتی
طراحی مبدل حرارتی تمرینی در ترمودینامیک است، که علمی است که با جریان انرژی گرمایی، دما و روابط با سایر اشکال انرژی سروکار دارد. برای درک ترمودینامیک مبدل های حرارتی، یک نقطه شروع خوب این است که در مورد سه روش انتقال گرما – رسانش، همرفت و تابش- بیاموزیم. در بخش های زیر، بررسی هر یک از این حالت های انتقال حرارت ارائه شده است.
هدایت
رسانایی عبارت است از عبور انرژی حرارتی بین موادی که با یکدیگر در تماس هستند. دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی مولکول ها در یک ماده است – اجسام گرمتر (که در دمای بالاتری هستند) حرکت مولکولی بیشتری از خود نشان می دهند. هنگامی که یک جسم گرمتر با یک جسم سردتر (یکی که در دمای پایین تری قرار دارد) در تماس قرار می گیرد، یک انتقال انرژی حرارتی بین دو ماده انجام می شود و جسم سردتر پرانرژی می شود و جسم گرمتر انرژی کمتری پیدا می کند. این روند تا رسیدن به تعادل حرارتی ادامه خواهد داشت.
اصول اساسی مبدل های حرارتی
صرف‌نظر از نوع و طراحی، همه مبدلهای حرارتی بر اساس اصول اساسی یکسانی کار میکنند – یعنی قوانین صفر، اول و دوم ترمودینامیک – که انتقال یا «تبادل» گرما از یک سیال به سیال دیگر را توصیف و دیکته میکنند.
قانون صفر ترمودینامیک بیان می کند که سیستم های ترمودینامیکی که در تعادل حرارتی هستند، دمای یکسانی دارند. علاوه بر این، اگر دو سیستم هر کدام در تعادل حرارتی با یک سیستم سوم باشند، آنگاه دو سیستم قبلی باید با یکدیگر در تعادل باشند. بنابراین، هر سه سیستم دارای دمای یکسانی هستند. این قانون، مقدم بر سه قانون دیگر ترمودینامیک به ترتیب، اما نه در حال توسعه، نه تنها تعادل حرارتی را به عنوان یک ویژگی گذرا بیان می کند، بلکه مفهوم دما را نیز تعریف می کند و آن را به عنوان یک ویژگی قابل اندازه گیری سیستم های ترمودینامیکی ایجاد می کند.
قانون اول ترمودینامیک مبتنی بر قانون صفر است و انرژی داخلی (U) را به عنوان یکی دیگر از ویژگی های سیستم های ترمودینامیکی ایجاد می کند و تأثیر گرما و کار را بر انرژی داخلی سیستم و انرژی محیط اطراف نشان می دهد. علاوه بر این، قانون اول – که به عنوان قانون مکالمه انرژی نیز شناخته می شود – اساساً بیان می کند که انرژی نمی تواند ایجاد یا از بین برود، فقط به سیستم ترمودینامیکی دیگری منتقل می شود یا به شکل دیگری تبدیل می شود (به عنوان مثال، گرما یا کار).
به عنوان مثال، اگر گرما از محیط اطراف خود به سیستم جریان یابد، انرژی داخلی سیستم افزایش می یابد و انرژی محیط اطراف کاهش می یابد. این اصل را می توان با معادله زیر نشان داد، که در آن ΔUsystem انرژی داخلی سیستم را نشان می دهد و ΔUenvironment انرژی داخلی محیط اطراف را نشان می دهد:
مثال ترمودینامیک مبدل حرارتی: سیستم زیرمجموعه دلتا U برابر با محیط زیرنویس دلتا U منفی است
قانون دوم ترمودینامیک آنتروپی (S) را به عنوان ویژگی اضافی سیستم های ترمودینامیکی ایجاد می کند و تمایل طبیعی و غیرقابل تغییر جهان و هر سیستم ترمودینامیکی بسته دیگری را برای افزایش آنتروپی در طول زمان توصیف می کند. این اصل را می توان با معادله زیر نشان داد که در آن ΔS نشان دهنده تغییر در آنتروپی، ΔQ نشان دهنده تغییر در گرمای اضافه شده به سیستم، و T نشان دهنده دمای مطلق است:
همچنین برای توضیح تمایل دو سیستم منزوی – زمانی که اجازه تعامل و رهایی از سایر تأثیرات را دارند – برای حرکت به سمت تعادل ترمودینامیکی استفاده می شود. همانطور که توسط قانون دوم تعیین شده است، آنتروپی فقط می تواند افزایش یابد، هرگز کاهش نمی یابد. در نتیجه، هر سیستم، با افزایش آنتروپی، همواره به سمت بالاترین مقدار قابل دستیابی برای سیستم مذکور حرکت می کند. در این مقدار، سیستم به حالتی از تعادل می رسد که در آن آنتروپی دیگر نمی تواند افزایش یابد (همانطور که در حداکثر است)، و یا کاهش یابد، زیرا آن عمل قانون دوم را نقض می کند. بنابراین، تنها تغییرات ممکن سیستم، تغییراتی است که در آن آنتروپی تغییری را تجربه نمی کند (یعنی نسبت گرمای اضافه یا کم شده به سیستم به دمای مطلق ثابت می ماند).
در مجموع، این اصول مکانیسم‌ها و عملکرد مبدلهای حرارتی را تعیین میکنند. قانون صفر درجه حرارت را به عنوان یک ویژگی قابل اندازه گیری سیستم های ترمودینامیکی تعیین می کند، قانون اول رابطه معکوس بین انرژی داخلی یک سیستم (و اشکال تبدیل آن) و محیط اطراف آن را توصیف می کند، و قانون دوم تمایل دو سیستم برهم کنش را بیان می کند. حرکت به سمت تعادل حرارتی بنابراین، مبدلهای حرارتی با اجازه دادن به سیال با دمای بالاتر (F1) برای تعامل – چه به طور مستقیم یا غیرمستقیم – با یک سیال با دمای پایین‌تر (F2) عمل میکنند، که باعث می‌شود گرما از F1 به F2 برای حرکت به سمت تعادل منتقل شود. این انتقال حرارت منجر به کاهش دما برای F1 و افزایش دما برای F2 می شود. بسته به اینکه هدف برنامه گرمایش یا خنک کردن سیال باشد، این فرآیند (و دستگاه هایی که از آن استفاده می کنند) می توانند به ترتیب برای هدایت گرما به سمت یا دور از یک سیستم استفاده شوند.
ویژگی های طراحی مبدل حرارتی
همانطور که در بالا ذکر شد، همه مبدل های حرارتی بر اساس اصول اولیه یکسانی کار می کنند. با این حال، این دستگاه ها را می توان بر اساس ویژگی های طراحی آنها به چند روش مختلف طبقه بندی و دسته بندی کرد. ویژگی های اصلی که مبدل های حرارتی را می توان طبقه بندی کرد عبارتند از:
پیکربندی جریان
روش ساخت
مکانیزم انتقال حرارت
پیکربندی جریان
پیکربندی جریان، که به آن ترتیب جریان مبدل حرارتی نیز گفته می‌شود، به جهت حرکت سیالات درون مبدل حرارتی نسبت به یکدیگر اشاره دارد. چهار پیکربندی جریان اصلی وجود دارد که توسط مبدل های حرارتی استفاده می شود:
جریان همزمان
جریان مخالف
جریان متقاطع
جریان ترکیبی
جریان همزمان
مبدلهای حرارتی جریان همزمان که به آن مبدلهای حرارتی جریان موازی نیز گفته می‌شود، دستگاه‌های مبادله حرارتی هستند که در آن سیالات به موازات و در جهت یکدیگر حرکت میکنند. اگرچه این پیکربندی معمولاً منجر به راندمان کمتری نسبت به آرایش جریان مخالف می‌شود، اما همچنین اجازه می‌دهد تا بیشترین یکنواختی حرارتی را در سراسر دیواره‌های مبدل حرارتی ایجاد کند.
جریان مخالف
مبدل های حرارتی جریان مخالف، که به عنوان مبدل های حرارتی جریان مخالف نیز شناخته می شوند، به گونه ای طراحی شده اند که سیالات به صورت پاد موازی (یعنی موازی اما در جهت مخالف) با یکدیگر در داخل مبدل حرارتی حرکت کنند. معمول‌ترین مورد استفاده در پیکربندی‌های جریان، چیدمان جریان مخالف معمولاً بالاترین راندمان را نشان می‌دهد زیرا بیشترین مقدار انتقال حرارت را بین سیالات و در نتیجه بیشترین تغییر دما را امکان‌پذیر می‌سازد.
جریان متقاطع
در مبدل های حرارتی جریان متقاطع، سیالات به صورت عمود بر یکدیگر جریان می یابند. بازده مبدلهای حرارتی که از این پیکربندی جریان استفاده میکنند بین مبدلهای حرارتی جریان مخالف و همزمان قرار می‌گیرد.
جریان ترکیبی
مبدل های حرارتی جریان هیبریدی ترکیبی از ویژگی های پیکربندی های جریان ذکر شده قبلی را نشان می دهند. به عنوان مثال، طرح‌های مبدل حرارتی می‌توانند از گذرها و ترتیبات جریان چندگانه (مانند ترتیبات جریان متقابل و جریان متقاطع) در یک مبدل حرارتی استفاده کنند. این نوع مبدل های حرارتی معمولاً برای انطباق با محدودیت های یک برنامه کاربردی مانند فضا، هزینه های بودجه، یا دما و فشار مورد نیاز استفاده می شوند.
شکل 1، در زیر، پیکربندی های مختلف جریان موجود را نشان می دهد، از جمله پیکربندی جریان متقاطع/کنترل، که نمونه ای از پیکربندی جریان ترکیبی است.
روش ساخت
در حالی که در قسمت قبل مبدل های حرارتی بر اساس نوع پیکربندی جریان استفاده شده دسته بندی شدند، این بخش آنها را بر اساس ساختارشان دسته بندی می کند. ویژگی های ساخت و ساز که می توان این دستگاه ها را طبقه بندی کرد عبارتند از:
ترمیم کننده در مقابل بازسازی کننده
مستقیم در مقابل غیر مستقیم
استاتیک در مقابل پویا
انواع اجزا و مواد مورد استفاده
بهبودی در مقابل احیا کننده
مبدل های حرارتی را می توان به عنوان مبدل حرارتی بازیابی و مبدل حرارتی احیا کننده طبقه بندی کرد.
تفاوت بین سیستم های مبدل حرارتی بازیابی کننده و احیا کننده در این است که در مبدل های حرارتی بازیابی (که معمولاً بازیابی کننده نامیده می شود) هر سیال به طور همزمان از طریق کانال خود در داخل مبدل حرارتی جریان می یابد. از سوی دیگر، مبدلهای حرارتی احیاکننده که به آنها مبدلهای حرارتی خازنی یا احیاکننده نیز گفته می‌شود، به طور متناوب به سیالات گرمتر و خنک‌تر اجازه می‌دهند تا از طریق یک کانال جریان پیدا کنند. هر دوی رکوپاتورها و احیاگرها را می‌توان به دسته‌های مختلفی از مبدل‌ها، مانند مستقیم یا غیرمستقیم و استاتیک یا دینامیک، تقسیم کرد. از دو نوع ذکر شده، مبدل های حرارتی بازیابی بیشتر در سراسر صنعت استفاده می شوند.
مستقیم در مقابل غیر مستقیم
مبدلهای حرارتی بازیابی از فرآیندهای تماس مستقیم یا غیر مستقیم برای تبادل حرارت بین سیالات استفاده میکنند.
در مبدل های حرارتی تماس مستقیم، سیالات درون دستگاه جدا نمی شوند و گرما از طریق تماس مستقیم از یک سیال به سیال دیگر منتقل می شود. از سوی دیگر، در مبدلهای حرارتی غیرمستقیم، سیالات در طول فرآیند انتقال حرارت توسط اجزای رسانای حرارتی، مانند لوله‌ها یا صفحات، از یکدیگر جدا می‌مانند. اجزاء ابتدا گرما را از سیال گرم کننده دریافت می کنند که از طریق مبدل حرارتی جریان می یابد و سپس گرما را به سیال خنک کننده منتقل می کند. برخی از دستگاه هایی که از فرآیندهای انتقال تماس مستقیم استفاده می کنند شامل برج های خنک کننده و انژکتورهای بخار می شوند، در حالی که دستگاه هایی که از فرآیندهای انتقال تماس غیر مستقیم استفاده می کنند شامل مبدل های حرارتی لوله ای یا صفحه ای هستند.
استاتیک در مقابل پویا
دو نوع اصلی مبدل حرارتی احیاکننده وجود دارد – مبدلهای حرارتی استاتیک و مبدلهای حرارتی دینامیکی. در احیاء کننده های ساکن (که به عنوان احیاگرهای بستر ثابت نیز شناخته می شوند)، مواد و اجزای مبدل حرارتی با جریان سیالات در دستگاه ثابت می مانند، در حالی که در احیاگرهای دینامیکی مواد و اجزاء در طول فرآیند انتقال حرارت حرکت می کنند. هر دو نوع در معرض خطر آلودگی متقابل بین جریان‌های سیال هستند که نیاز به ملاحظات طراحی دقیق در طول تولید دارد.
در یک نمونه از نوع استاتیکی، سیال گرمتر از یک کانال عبور می کند در حالی که سیال سردتر برای مدت زمان معینی از کانال دیگر عبور می کند که در پایان آن، با استفاده از دریچه هایی با عملکرد سریع، جریان معکوس می شود به طوری که دو سیال کانال ها را تغییر دهید نمونه‌ای از نوع دینامیکی معمولاً از یک جزء دوار و رسانای حرارتی (مثلاً یک درام) استفاده می‌کند که سیالات گرمتر و خنک‌تر به طور مداوم از طریق آن جریان می‌یابند – البته در بخش‌های جدا شده و بسته‌شده. همانطور که جزء می چرخد، هر بخش معینی به طور متناوب از جریان بخار گرمتر و جریان های خنک تر عبور می کند و به قطعه اجازه می دهد تا گرما را از سیال گرمتر جذب کند و در حین عبور گرما را به سیال خنک کننده منتقل کند. شکل 2، در زیر، فرآیند انتقال حرارت را در یک بازسازی کننده نوع چرخشی با پیکربندی جریان مخالف نشان می دهد.
قطعات و مواد مبدل حرارتی
انواع مختلفی از اجزاء وجود دارد که می‌توان در مبدلهای حرارتی و همچنین طیف وسیعی از مواد مورد استفاده برای ساخت آنها استفاده کرد. اجزا و مواد مورد استفاده به نوع مبدل حرارتی و کاربرد مورد نظر آن بستگی دارد.
برخی از رایج ترین اجزای مورد استفاده برای ساخت مبدل های حرارتی عبارتند از پوسته ها، لوله ها، لوله های مارپیچی (کویل)، صفحات، باله ها و چرخ های آدیاباتیک. جزئیات بیشتر در مورد نحوه عملکرد این اجزا در یک مبدل حرارتی در بخش بعدی ارائه خواهد شد (به انواع مبدل های حرارتی مراجعه کنید).
در حالی که فلزات به دلیل رسانایی حرارتی بالا برای ساخت مبدل های حرارتی بسیار مناسب و معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، مانند مبدل های حرارتی مس، تیتانیوم و فولاد ضد زنگ، مواد دیگر مانند گرافیت، سرامیک، کامپوزیت یا پلاستیک، بسته به نیازهای کاربرد انتقال حرارت ممکن است مزایای بیشتری ارائه دهد.
مکانیسم انتقال حرارت
در اینجا دو نوع مکانیسم انتقال حرارت مورد استفاده توسط مبدل های حرارتی وجود دارد – انتقال حرارت تک فاز یا دو فاز.
در مبدل های حرارتی تک فاز، سیالات در طول فرآیند انتقال حرارت دچار تغییر فاز نمی شوند، به این معنی که هر دو سیال گرمتر و خنک تر در همان حالت ماده ای که در آن وارد مبدل حرارتی شده اند، باقی می مانند. به عنوان مثال، در کاربردهای انتقال حرارت آب به آب، آب گرمتر گرما را از دست می دهد که سپس به آب سردتر منتقل می شود و به گاز یا جامد تبدیل نمی شود.
از سوی دیگر، در مبدل های حرارتی دو فاز، سیالات در طول فرآیند انتقال حرارت تغییر فاز را تجربه می کنند. تغییر فاز می تواند در هر دو یا هر دو سیال درگیر رخ دهد که منجر به تغییر از مایع به گاز یا گاز به مایع می شود. به طور معمول، دستگاه هایی که از مکانیزم انتقال حرارت دو فازی استفاده می کنند، نسبت به دستگاه هایی که از مکانیسم انتقال حرارت تک فاز استفاده می کنند، به ملاحظات طراحی پیچیده تری نیاز دارند. برخی از انواع مبدل های حرارتی دو فاز موجود عبارتند از بویلر، کندانسور و اواپراتور.
انواع مبدل های حرارتی
بر اساس ویژگی های طراحی ذکر شده در بالا، چندین نوع مختلف مبدل حرارتی موجود است. برخی از انواع رایج‌تر مورد استفاده در صنعت عبارتند از:
مبدل های حرارتی پوسته و لوله
مبدل های حرارتی دو لوله
مبدل های حرارتی صفحه ای
کندانسورها، اواپراتورها و بویلرها
مبدل های حرارتی پوسته و لوله
متداول‌ترین نوع مبدلهای حرارتی، مبدلهای حرارتی پوسته‌ای و لوله‌ای از یک لوله یا سری لوله‌های موازی (به عنوان مثال، دسته لوله) ساخته می‌شوند که در یک مخزن فشار استوانه‌ای مهر و موم شده (یعنی پوسته) قرار دارند. طراحی این دستگاه ها به گونه ای است که یک سیال از طریق لوله (های) کوچکتر جریان می یابد و سیال دیگر در اطراف بیرون (های) خود و بین آنها در داخل پوسته مهر و موم شده جریان می یابد. سایر مشخصات طراحی موجود برای این نوع مبدل حرارتی شامل لوله های پره دار، انتقال حرارت تک فاز یا دو فاز، جریان مخالف، جریان همزمان یا ترتیبات جریان متقاطع و پیکربندی های تک، دو یا چند پاس می باشد.
برخی از انواع مبدل های حرارتی پوسته ای و لوله ای موجود شامل مبدل های حرارتی سیم پیچ حلزونی و مبدل های حرارتی دو لوله ای و برخی از کاربردها شامل پیش گرمایش، خنک کننده روغن و تولید بخار می باشد.
مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل های حرارتی صفحه ای که به آن مبدل های حرارتی صفحه ای نیز گفته می شود، از چندین صفحه نازک موجدار ساخته شده اند که در کنار هم قرار گرفته اند. هر جفت صفحه کانالی را ایجاد می کند که از طریق آن یک سیال می تواند جریان داشته باشد، و جفت ها روی هم چیده و متصل می شوند – از طریق پیچ و مهره، لحیم کاری یا جوش – به طوری که یک گذر دوم بین جفت ها ایجاد می شود که سیال دیگر می تواند از طریق آن جریان یابد.
طراحی صفحه استاندارد نیز با برخی تغییرات در دسترس است، مانند مبدل های حرارتی باله ای یا صفحه ای بالشی. مبدلهای باله‌ای صفحه‌ای از پره‌ها یا فاصله‌دهنده‌ها بین صفحات استفاده میکنند و اجازه می‌دهند پیکربندی‌های جریان چندگانه و بیش از دو جریان سیال از دستگاه عبور کنند. مبدل های صفحه ای بالشی به صفحات فشار وارد می کنند تا راندمان انتقال حرارت را در سراسر سطح صفحه افزایش دهند. برخی از انواع دیگر موجود عبارتند از مبدل های حرارتی صفحه و قاب، صفحه و پوسته و مبدل های حرارتی صفحه مارپیچی.
کندانسورها، اواپراتورها و بویلرها
بویلرها، کندانسورها و اواپراتورها مبدل های حرارتی هستند که از مکانیزم انتقال حرارت دو فازی استفاده می کنند. همانطور که قبلا ذکر شد، در مبدل های حرارتی دو فاز، یک یا چند سیال در طول فرآیند انتقال حرارت دچار تغییر فاز می شوند، یا از مایع به گاز یا گاز به مایع تبدیل می شوند.
کندانسورها وسایل مبادله حرارتی هستند که گاز یا بخار گرم شده را می گیرند و آن را تا حد متراکم شدن خنک می کنند و گاز یا بخار را به مایع تبدیل می کنند. از سوی دیگر، در اواپراتورها و بویلرها، فرآیند انتقال حرارت، سیالات را از حالت مایع به گاز یا بخار تبدیل می کند.
سایر انواع مبدل حرارتی
مبدل های حرارتی در کاربردهای مختلفی در طیف وسیعی از صنایع استفاده می شوند. در نتیجه، انواع مختلفی از مبدل های حرارتی موجود است که هر کدام برای نیازها و مشخصات یک کاربرد خاص مناسب است. فراتر از انواع ذکر شده در بالا، انواع دیگر موجود عبارتند از مبدل های حرارتی خنک شونده با هوا، مبدل های حرارتی خنک شونده با فن و مبدل های حرارتی چرخ آدیاباتیک.
چگونه مبدل حرارتی را انتخاب میکنند
در حالی که طیف گسترده ای از مبدل های حرارتی موجود است، مناسب بودن هر نوع (و طراحی آن) در انتقال حرارت بین سیالات به مشخصات و الزامات کاربرد بستگی دارد. این عوامل تا حد زیادی طراحی بهینه مبدل حرارتی مورد نظر را تعیین میکنند و بر رتبه‌بندی و محاسبات اندازه مربوطه تأثیر می‌گذارند.
برخی از عواملی که متخصصان صنعت هنگام طراحی و انتخاب مبدل حرارتی باید در نظر داشته باشند عبارتند از:
نوع سیالات، جریان سیال و خواص آنها
خروجی های حرارتی مورد نظر
محدودیت های اندازه
هزینه ها
نوع سیال، جریان، و خواص
نوع خاصی از سیالات – به عنوان مثال، هوا، آب، روغن و غیره – شامل و خواص فیزیکی، شیمیایی و حرارتی آنها – مانند فاز، دما، اسیدیته یا قلیاییت، فشار و سرعت جریان و غیره – به تعیین جریان کمک می کند. پیکربندی و ساخت به بهترین وجه برای آن کاربرد انتقال حرارت خاص مناسب است.
به عنوان مثال، اگر سیالات خورنده، دمای بالا یا فشار بالا درگیر باشند، طراحی مبدل حرارتی باید بتواند در طول فرآیند گرمایش یا سرمایش، شرایط تنش بالا را تحمل کند. یکی از روش‌های برآورده کردن این الزامات، انتخاب مصالح ساختمانی است که دارای خواص مطلوب هستند: مبدلهای حرارتی گرافیت دارای رسانایی حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی بالایی هستند، مبدلهای حرارتی سرامیکی می‌توانند دماهای بالاتر از نقاط ذوب بسیاری از فلزات رایج را تحمل کنند، و مبدلهای حرارتی پلاستیکی جایگزین کم هزینه که درجه متوسطی از مقاومت در برابر خوردگی و هدایت حرارتی را حفظ می کند.
روش دیگر انتخاب طرحی مناسب برای ویژگی های سیال است: مبدل های حرارتی صفحه ای قادر به جابجایی سیالات با فشار کم تا متوسط هستند اما با سرعت جریان بالاتر نسبت به انواع دیگر مبدل های حرارتی، و مبدل های حرارتی دو فاز در هنگام جابجایی سیالاتی که نیاز دارند ضروری است. تغییر فاز در طول فرآیند انتقال حرارت سایر خصوصیات جریان سیال و سیال که متخصصان صنعت ممکن است در هنگام انتخاب مبدل حرارتی در نظر داشته باشند عبارتند از ویسکوزیته سیال، ویژگی های رسوب، محتوای ذرات معلق و وجود ترکیبات محلول در آب.
خروجی های حرارتی
خروجی حرارتی مبدل حرارتی به مقدار گرمای منتقل شده بین سیالات و تغییر دمای مربوطه در پایان فرآیند انتقال حرارت اشاره دارد. انتقال گرما در داخل مبدل حرارتی منجر به تغییر دما در هر دو سیال می شود و با حذف گرما دمای یک سیال کاهش می یابد و با اضافه شدن گرما دمای سیال دیگر افزایش می یابد. خروجی حرارتی مطلوب و نرخ انتقال حرارت به تعیین نوع و طراحی بهینه مبدل حرارتی کمک می کند، زیرا برخی از طرح های مبدل حرارتی نرخ انتقال بخاری بیشتری را ارائه می دهند و می توانند دماهای بالاتری را نسبت به سایر طرح ها تحمل کنند، البته با هزینه بالاتر.
محدودیت های اندازه
پس از انتخاب نوع و طراحی بهینه مبدل حرارتی، یک اشتباه رایج خرید مبدلی است که برای فضای فیزیکی داده شده خیلی بزرگ است. اغلب، خرید یک دستگاه مبادله حرارتی در اندازه ای که فضایی برای گسترش یا اضافه شدن بیشتر باقی می گذارد، به جای انتخاب دستگاهی که به طور کامل فضا را در بر می گیرد، عاقلانه تر است. برای کاربردهایی با فضای محدود، مانند هواپیما یا اتومبیل، مبدلهای حرارتی فشرده راندمان انتقال حرارت بالا را در راه‌حل‌های کوچکتر و سبک‌تر ارائه می‌دهند. با نسبت سطح انتقال حرارت بالا به حجم مشخص می شود، انواع مختلفی از این دستگاه های مبادله حرارتی موجود است، از جمله مبدل های حرارتی صفحه ای فشرده. به طور معمول، این دستگاه ها دارای نسبت ≥700 m2/m3 برای کاربردهای گاز به گاز و ≥400 m2/m3 برای کاربردهای مایع به گاز هستند.
هزینه ها
هزینه مبدل حرارتی نه تنها شامل قیمت اولیه تجهیزات می شود، بلکه هزینه های نصب، بهره برداری و نگهداری در طول عمر دستگاه را نیز شامل می شود. در حالی که انتخاب یک مبدل حرارتی که به طور موثر الزامات برنامه ها را برآورده می کند ضروری است، همچنین مهم است که هزینه های کلی مبدل حرارتی انتخاب شده را در نظر داشته باشید تا بهتر مشخص شود که آیا دستگاه ارزش سرمایه گذاری را دارد یا خیر. برای مثال، یک مبدل حرارتی در ابتدا گران‌تر، اما بادوام‌تر ممکن است منجر به هزینه‌های نگهداری کمتر و در نتیجه هزینه‌های کلی کمتر در طی چند سال شود، در حالی که مبدل حرارتی ارزان‌تر ممکن است در ابتدا ارزان‌تر باشد، اما نیاز به چندین تعمیر و تعویض داشته باشد. در همان بازه زمانی
بهینه سازی طراحی
طراحی مبدل حرارتی بهینه برای یک کاربرد معین (با مشخصات و الزامات خاص همانطور که در بالا ذکر شد) شامل تعیین تغییر دمای سیالات، ضریب انتقال حرارت، و ساخت مبدل حرارتی و ارتباط آنها با سرعت انتقال حرارت است. دو مشکل اصلی که در پیگیری این هدف ایجاد می شود، محاسبه رتبه و اندازه دستگاه است.
درجه بندی به محاسبه اثر حرارتی (یعنی راندمان) یک مبدل حرارتی با طراحی و اندازه معین، از جمله سرعت انتقال حرارت، مقدار گرمای منتقل شده بین سیالات و تغییر دمای متناظر آنها، و فشار کل اشاره دارد. در سراسر دستگاه رها کنید. اندازه به محاسبه ابعاد کل مورد نیاز مبدل حرارتی (یعنی سطح موجود برای استفاده در فرآیند انتقال حرارت)، از جمله طول، عرض، ارتفاع، ضخامت، تعداد اجزاء، هندسه اجزا و آرایش، اشاره دارد. و غیره، برای یک برنامه کاربردی با مشخصات و الزامات فرآیند داده شده. ویژگی های طراحی مبدل حرارتی – به عنوان مثال، پیکربندی جریان، مواد، اجزای ساختمانی و هندسه، و غیره – بر محاسبات رتبه بندی و اندازه تأثیر می گذارد. در حالت ایده‌آل، طراحی مبدل حرارتی بهینه برای یک برنامه کاربردی، تعادلی (با عوامل بهینه‌سازی شده توسط طراح) بین رتبه‌بندی و اندازه پیدا می‌کند که مشخصات و الزامات فرآیند را با حداقل هزینه لازم برآورده می‌کند.
