فهرست مطالب
- مبدل حرارتی چیست؟
- نحوه انتقال گرما در مبدل حرارتی
- مبدل حرارتی استخر چیست؟
- انواع مبدل‌های حرارتی استخر و جکوزی و ویژگی آن ها
- مبدل صفحه ای
- مبدل حرارتی پوسته و لوله
- مبدل های غوطه ور
- مزایا و معایب مبدل‌های حرارتی
- عوامل موثر در نگهداری و انتخاب مبدل مناسب
- محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی
- چه نوع مبدل حرارتی استخر را برای استخر خود انتخاب کنیم؟
- اندازه مبدل حرارتی استخر چگونه تعیین می‌شود؟
- آب استخر در کدام سمت مبدل قرار می‌گیرد؟
- 3 روش افزایش راندمان مبدل حرارتی
مبدل حرارتی استخر و جکوزی
امروزه با افزایش استفاده از استخر و جکوزی‌ها، تأمین دمای مناسب آب به عنوان یکی از چالش‌های اصلی در طراحی آن ها مطرح شده است. مبدل‌های حرارتی نقش مهمی در انتقال حرارت از منابع گرما به آب ایفا می‌کنند. در ادامه توضیح بیشتری درباره مبدل حرارتی و انواع آن آورده شده است.
مبدل حرارتی چیست؟
مبدل حرارتی ( Heat exchanger ) دستگاهی است که برای انتقال گرما بین دو سیال بدون مخلوط شدن آنها طراحی شده است. به عبارت دیگر این دستگاه گرما را از یک سیال به سیال دیگر، بدون اینکه این دو با هم ترکیب شوند، منتقل می کند. مبدل حرارتی در صنایع مختلفی مانند تهویه مطبوع، گرمایش استخر، نیروگاه‌ها و ... مورد استفاده قرار می گیرد.
نحوه انتقال گرما در مبدل حرارتی
مبدل‌های حرارتی با سه روش هدایت یا رسانش، جابه‌جایی یا همرفت و تشعشع، گرما را انتقال می‌دهند. آب گرم شده از بویلر وارد مبدل حرارتی شده و سپس حرارت به آب استخر منتقل می شود. در نهایت آب به بویلر بر می گردد.
مبدل حرارتی استخر چیست؟
به طور کلی از مبدل حرارتی استخر برای انتقال گرما از منبع گرمایش (بویلر) به آب استخر استفاده می شود. مبدل حرارتی برای گرمایش آب استخر از یک منبع حرارت مثل دیگ آب گرم ، دیگ بخار، پمپ حرارتی یا پنل خورشیدی استفاده می کند. گرما به روش هدایت از طریق یک فلز واسط بدون اختلاط و تماس مستقیم آب گرم و آب استخر از یک محیط به محیط دیگر منتقل می شود. این کار توسط لوله‌های فلزی یا صفحات حرارتی که اغلب از جنس مس یا استیل ضدزنگ ساخته شده‌اند، انجام می‌شود.
به طور کلی مبدل های حرارتی دارای دو سمت برای گردش سیال هستند که در یک سمت، آب حاصل از تجهیزات مولد و در مدار دیگر آب گرم مورد نیاز مانند آب استخر، آب گرم مصرفی و ... گردش می کند. مبدل حرارتی استخر معمولا در انواع مبدل صفحه ای، مبدل های پوسته و لوله یا مبدل حرارتی غوطه ور تولید می گردد.
انواع مبدل‌های حرارتی استخر و جکوزی و ویژگی آنها
مبدل‌های صفحه‌ای: بازدهی بالا، مناسب برای استخرهای کوچک.
مبدل‌های پوسته و لوله: مقاوم در برابر دما و فشار بالا، مناسب برای استخرهای بزرگ.
مبدل‌های غوطه‌ور: انتقال سریع حرارت، مناسب برای شرایط خاص.
مبدل صفحه ای
این مبدل حرارتی با استفاده از تعداد زیادی صفحات فلزی نازک، موجب تبادل حرارت زیاد بین سیال گرم و سرد می‌شود. مکانیزم این مبدل به این صورت است که از جهات مختلف سیال سرد و گرم وارد مبدل می‌شوند و به صورت یکی در میان بین صفحات فلزی جاری شده و با یکدیگر تبادل گرما می‌کنند. از مزایای ویژه مبدل صفحه ای می توان به انتقال حرارت و بازدهی بهتر نسبت به سایر مبدل‌ها، قابلیت تغییر سطح تبادل حرارت، فضای اشغال شده کمتر، تعمیر و نگهداری آسان و حجم کم مایع ذخیره شده در داخل مبدل اشاره کرد. این نوع مبدل‌ها معمولا برای صنایع غذایی و شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جدول زیر نمونه کاتالوگ یک شرکت سازنده برای انتخاب درست مبدل حرارتی صفحه ای می باشد:
مبدل حرارتی پوسته و لوله
این مبدل ها از یک پوسته استوانه ای و چند لوله تشکیل شده اند که غالبا از لوله، سیال ثانویه (سیال گرم شونده) و از پوسته، سیال اولیه (سیال گرم‌کننده) عبور می کند.
در بسیاری از صنایع، از انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل ساخت ساده تر، تعمیر و نگهداری بهتر، امکان رسوب زدایی راحت‌تر، در دسترس بودن تجهیزات و همچنین قابلیت طراحی آسان استفاده می شود. این دسته از مبدل‌های حرارتی معمولا طبق استاندارد TEMA (Tubular Exchangers Manufacturing Association) تولید شده و به بهره‌برداری می‌رسند. از جمله معایب این مبدل‌ها می توان به اشغال فضای بیشتر نسبت به سایر مبدل ها و حمل و نقل سخت تر آن ها اشاره کرد.
شکل زیر انواع تجهیزات مورد استفاده در ساخت یک مبدل حرارتی پوسته و لوله را که استاندارد TEMA تعیین کرده است، نشان می‌دهد. این استاندارد به طور کلی روش های طراحی و ساخت تمامی مبدل‌های پوسته و لوله را شامل می شود.
مبدل های غوطه ور
مبدل غوطه ور در واقع از ردیفی از کویل های مستقیم ، مارپیچی ،U شکل و غیره تشکیل شده که داخل یک مخزن نسبتا بزرگ از یک سیال دیگر، غوطه ور می شود. جریان سیال از درون کویل میگذرد و از طریق دیواره آن با سیال داخل مخزن تبادل حرارتی انجام می دهد. ساختار این مبدل ساده است و دسترسی به کویل ها برای پاکسازی آن ها همواره وجود دارد. این مبدل ها در واقع مانند مبدل حرارتی پوسته و لوله هستند اما راندمان کمتری دارند. برای افزایش نرخ انتقال حرارت، یکی از روش ها استفاده از فین (پره) روی لوله های کویل (لوله پره دار) است. این پره ها سطح تبادل کننده گرما را افزایش داده و در نتیجه سبب افزایش نرخ انتقال حرارت می شوند. معمولا از درون کویل، سیال داغ (مایع/ گاز/ بخار) عبور کرده و حرارت خود را به سیال سرد منتقل می کند. مبدل غوطه ور می تواند یک صفحه واحد یا مجموعه ای از صفحات باشد که در کنار هم و در یک مخزن مایع قرار می گیرند. سیال عبوری از این صفحات، موجب سرد یا گرم شدن مایع موجود در مخزن می شود. مبدل های غوطه ور می توانند در فرآیند های پیوسته و ناپیوسته مورد استفاده قرار گیرند.
مزایا و معایب مبدل‌های حرارتی
مزایا:
کاهش مصرف انرژی
توزیع یکنواخت حرارت
طول عمر بالا
معایب:
نیاز به نگهداری
هزینه اولیه بالا
احتمال رسوب‌گیری
عوامل موثر در نگهداری و انتخاب مبدل مناسب
نگهداری:
تمیزکاری دوره‌ای برای جلوگیری از رسوب‌گیری
بررسی فشار سیستم
استفاده از فیلترها
انتخاب مبدل:
ظرفیت گرمایی مناسب
نوع منبع گرمایشی
جنس مناسب(استیل ضدزنگ یا مسی)
در استخرها نیز متناسب با رویکردی که طراح در نظر دارد امکان استفاده از انواع مختلف مبدل های حرارتی به صورت سری یا موازی برای تامین ظرفیت گرمایی مورد نیاز در بخش های مختلف مجموعه وجود دارد.مبدل حرارتی جکوزی نیز مشابه مبدل استخر می‌باشد.
محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی
محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی صفحه ای و مبدل پوسته و لوله یکی از اصول رسیدن به میزان گرمای منتقل شده در سیستم و کارکرد درست آن هاست. هنگام تهیه این مبدل ها کاتالوگ‌هایی ارائه می‌شود؛ که عملکرد بهینه‌ی دستگاه را نشان می‌دهد. از آن‌جایی‌که سیستم های تهویه مطبوع به این مبدل‌ها وابستگی زیادی دارند؛ بهتر است حتما راندمان دستگاه تحت نظر قرار گیرد. راندمانی که از دستگاه انتظار داریم، نقش قابل توجهی در انتخاب مدل مبدل دارد که تا حد زیادی به روش نصب، سرعت جریان سیال، نوع سیال و تغییرات دمایی آن وابسته است. عوامل دیگری نیز در میزان بازدهی مبدل حرارتی مثل درستی بست‌ها و لوله‌کشی، سنجش سختی آب و... تاثیر دارند.مهم‌ترین پارامترهایی که برای محاسبه راندمان مبدل های حرارتی باید در نظر داشته باشیم موارد زیر هستند:
- مقدار گرمایی که دستگاه باید انتقال دهد (بار حرارتی)
- دمای ورودی و خروجی دو طرف مبدل حرارتی
- حداکثر میزان افت فشار دو طرف مبدل حرارتی
- حداکثر میزان دمای سیستم
- حداکثر میزان فشار سیستم
- سرعت جریان سیال دو طرف مبدل حرارتی
در صورتی که سرعت جریان سیال، اختلاف دما و حرارت موجود در یک طرف دستگاه مشخص باشد؛ میزان بار حرارتی به راحتی قابل محاسبه خواهد بود.
P: بار حرارتی دستگاه بر حسب btu/h
m: شدت جریان جرمی lb/h
Cp: گرمای ویژه بر حسب btu/lb °F
δt: تفاوت دمایی میان سیال ورودی و خروجی در یک سوی مبدل حرارتی بر حسب ℉
k : ضریب انتقال حرارت و جابجایی بر حسب btu/ft² h °F
A: سطح انتقال حرارت بر واحد ft²
LMTD : اختلاف دمای متوسط لگاریتم
چگونه اختلاف دمای متوسط لگاریتمی را محاسبه کنیم؟
برای محاسبه بازده حرارتی مبدل، به دست آوردن اختلاف دمای متوسط لگاریتمی نقش اساسی و بسیار مهمی دارد. در نتیجه می توانیم مقدار گرمای بیشتری که در سیستم جابجا شده است به دست آوریم.
در انجام این محاسبه، به دست آوردن دلتا و اختلاف دما از مقدمات کار می‌باشد. برای انجام این امر، ابتدا باید ∆T1 را محاسبه کنید که از فرمول T1 = T1–T4∆ به دست می‌آید.
• در این فرمول T1 دمای سیال حرارتی ورودی بوده؛
• T4 میزان دمای مبرد خروجی را مشخص می‌کند.
از سویی، برای اندازه‌گیری و محاسبه‌ی T2∆، می‌توانید بر فرمول T2 = T2–T3∆ تکیه کنید، که در آن T2 نمایان‌گر میزان دمای سیال حرارتی خروجی و T3 نشانه‌ای از دمای مبرد ورودی می‌باشد.
فرمول محاسبه ظرفیت و راندمان حرارتی مبدل صفحه ای و پوسته و لوله:
Q = U * A * ΔTm
• ΔTm: میزان اختلاف دمای متوسط لگاریتمی
• U: ضریب کلی انتقال حرارت و جابجایی در سیستم است و آن را بر حسب (kJ/h.m². °C) یا (Btu/h°F) محاسبه می‌کنند.
• A : سطح انتقال گرما
Q = M * Cp * ∆T
• M: میزان شدت جریان جرمی
حال مطابق با فرمول زیر و بر اساس مقادیری که تا به حال محاسبه کردیم؛ مقدار نهایی بازده مبدل حرارتی به دست می آید.
چه نوع مبدل حرارتی استخر را برای استخر خود انتخاب کنیم؟
به طور کلی نظر طراح یا کارفرما برای اینکه چه نوع مبدلی برای استخر مناسب‌تر است تعیین کننده است. هر کدام از متریال مورد استفاده می‌تواند در شرایط مختلف بر متریال دیگر برتری داشته باشد. ولی برای برخی شرایط انتخاب مبدل حرارتی را به صورت مختصر توضیح داده‌ایم.
اگر استخر بزرگ نباشد، می‌دانیم که قدرت وسیله گرمایشی ما هم به قدری نیست که نیاز به یک مبدل بزرگ یا پربازده داشته باشیم. در این مورد، استفاده از مبدل حرارتی استیل می‌تواند مناسب باشد.
برای استخرهای بزرگ مثل استخرهای عمومی، استفاده از مبدل حرارتی استیل می‌تواند بسیار در تمیزی آب مصرفی تاثیرگذار باشد که برای اینکه بتواند استخر به این بزرگی را گرم کند، باید هزینه راه اندازی و نگهداری زیادی برای آن صرف کرد. در این موارد شاید استفاده از مبدل حرارتی مسی بهتر باشد.
به طور کلی در صورتی که اولویت ما بازده حرارتی بالاتر (یعنی زودتر گرم شدن استخر) باشد، باید از مبدل حرارتی استخر از نوع مسی استفاده کرد. مبدل حرارتی مسی هم در صورتی که کیفیت آب برایمان خیلی مهم باشد ، می‌تواند در اندازه مناسب طراحی و تولید شود.
اندازه مبدل حرارتی استخر چگونه تعیین می‌شود؟
اندازه مبدل حرارتی استخر با توجه به اینکه از کویل مسی یا استیل استفاده شود متفاوت خواهد بود. همچنین بازده حرارتی، مدت زمان انتقال حرارت و اندازه استخر هم بسیار اهمیت دارد. ولی می‌توان با یک تخمین اولیه برای استخرهای مختلف مبدل حرارتی مناسب را انتخاب کرد. شرایط استاندارد، بهتر است برای استخرهای روباز به ازای هر ۳ متر مکعب آب ۱ فوت مربع مبدل حرارتی مسی در نظر گرفت. این مقدار برای استخرهای روباز برای مبدل حرارتی استیل توان ۲ کیلووات به ازای هر متر مکعب از آب استخر خواهد بود. که برای استخر سرپوشیده، می‌توان تا ۳۰ درصد این مقدار را کم کرد. برای شرایط خاص‌تر مانند محیط‌های سردتر باید ضریب اطمینان با مقدار ۲۰ درصد بیشتر را به ازای هر مقدار مبدل در نظر گرفت.
آب استخر در کدام سمت مبدل قرار می‌گیرد؟
برای چگونگی قرارگیری آب سرد و گرم در استخرها اتفاق نظر وجود ندارد. در اینجا جمع بندی کلی که با تحقیق به آن دست یافته ام مطرح میکنم. در مبدل‌های حرارتی برای بازده حرارتی بیشتر بهتر است سیال گرم در سمت پوسته باشد. هر چند نوع عملکرد سیستم برای انواع مبدل های حرارتی استخر متفاوت است. این یعنی آب گرم دیگ در سمت پوسته و آب استخر در سمت لوله باشد. از نظر نگهداری به دلیل اینکه ممکن است آب استخر رسوب گذاری بیشتری داشته باشد، برخی آب دیگ را به داخل لوله‌ها می‌فرستند و آب پوسته را همان آب استخر در نظر می‌گیرند. در اینصورت اگر رسوب دور لوله را بگیرد، اسید شویی کویل حرارتی راحت‌تر خواهد بود .در برخی شرایط مثلا ممکن است سیستم گرمایش با بخار باشد، در اینصورت برای اینکه عمل کندانس به خوبی انجام شود و همچنین مشکل تله بخار را نداشته باشیم بهتر است آب استخر یا جکوزی در داخل لوله‌ها باشد و بخار در داخل پوسته باشد و کندانس در داخل پوسته انجام شود.
3 روش افزایش راندمان مبدل حرارتی
- افزایش اختلاف دما: با افزایش اختلاف دمای سیال سرد و گرم ورودی میزان انتقال حرارت و درنتیجه راندمان مبدل حرارتی افزایش خواهد یافت.
- جهت جریان: اگر جهت جریان سیال سرد و گرم ورودی مخالف یکدیگر و ناهمسو باشد، میزان راندمان مبدل افزایش خواهد یافت.
- سرعت جریان: افزایش سرعت جریان سیال عبوری از مبدل نیز باعث افزایش راندمان خواهد شد اما باید کنترل شده باشد و بیش از حد نشود.
نگارنده مقاله: مهندس سبا رادنیا
