اصول کار مبدل حرارتی بخار

اصول کار مبدل حرارتی بخار

مقدمه

مبدل‌های حرارتی بخار اجزای اساسی در فرآیندهای صنعتی متنوع، تولید برق و سیستم‌های HVAC هستند، جایی که انتقال کارآمد انرژی حرارتی ضروری است. درک اصول کار مبدل حرارتی بخار برای مهندسان و متخصصان درگیر در طراحی، بهره برداری و نگهداری این سیستم ها بسیار مهم است. این کاوش جامع به مفاهیم اصلی، اجزا و مکانیسم‌های حاکم بر عملکرد مبدل‌های حرارتی بخار می‌پردازد.

 مفاهیم اساسی تبادل حرارتی

برای فهمیدن اصول کار مبدل حرارتی بخار باید موضوعات زیر را مورد بررسی قرار داد.

1. مکانیسم های انتقال حرارت:
   • انتقال حرارت یکی از جنبه‌های اساسی مبدل‌های حرارتی بخار است که از طریق سه مکانیسم اصلی انجام می‌شود: هدایت، همرفت و تابش.
   • رسانایی شامل انتقال گرما از طریق تماس مستقیم بین مواد است. در مبدل های حرارتی بخار، رسانایی حیاتی است زیرا گرما از طریق اجزای جامد مانند لوله ها حرکت می کند.
2. رسانایی گرمایی:
   • انتخاب مواد در مبدل های حرارتی بخار بسیار مهم است. فلزاتی مانند مس، آلومینیوم و فولاد که به دلیل رسانایی حرارتی بالا شناخته می شوند، معمولاً در ساخت اجزای مبدل حرارتی استفاده می شوند.

اجزای یک مبدل حرارتی بخار

1. پیکربندی پوسته و لوله:
   • طراحی رایج در مبدل های حرارتی بخار، پیکربندی پوسته و لوله است.
   • پوسته، که به عنوان پوشش بیرونی عمل می‌کند، دسته‌ای از لوله‌ها را در خود جای می‌دهد که سیالات از طریق آن جریان می‌یابند.
2. بسته لوله:
   • لوله ها یک بسته نرم افزاری در داخل پوسته ایجاد می کنند و مسیرهایی را برای جریان سیال ایجاد می کنند و سطح بزرگی را برای تبادل حرارت فراهم می کنند.
   • ترتیب و چگالی لوله ها به طور قابل توجهی بر کارایی مبدل حرارتی تأثیر می گذارد.
3. بافل ها:
   • بافل های داخلی به صورت استراتژیک در داخل پوسته قرار می گیرند تا جریان سیالات را هدایت کنند. آنها تلاطم را تقویت می کنند و انتقال حرارت را بهینه می کنند.
   • بافل ها از دور زدن مایع جلوگیری می کنند و اطمینان می دهند که کل طول لوله برای تبادل حرارت استفاده می شود.

• مطالعه مطالب بیشتر:

همه چیز در مورد مبدل حرارتی صقحه ای گسکت دار

نقاط دسترسی برای بازدید مبدل حرارتی 

 اصول کارمبدل حرارتی بخار

1. تولید بخار:

این فرآیند با تولید بخار از طریق دیگ بخار یا منبع تولید بخار دیگری آغاز می شود. بخار در دماها و فشارهای خاص وارد مبدل حرارتی می شود و آماده است تا انرژی حرارتی خود را به سیال طرف دیگر منتقل کند.

2. سمت لوله و سمت پوسته:

• سمت لوله: سیالی که قرار است گرم یا سرد شود در داخل لوله ها جریان دارد. این سیال بسته به کاربرد می تواند از آب گرفته تا مایعات صنعتی مختلف باشد.
• سمت پوسته: بخار در خارج از لوله های داخل پوسته جریان دارد. پوسته به عنوان یک مخزن نگهدارنده عمل می کند و از تعامل کنترل شده بین بخار و مایع داخل لوله ها اطمینان می دهد.

3. فرآیند تبادل حرارت:

• رسانایی: حالت اولیه انتقال حرارت در مراحل اولیه شامل رسانایی است. بخار گرما را از طریق تماس مستقیم به دیواره های لوله منتقل می کند و فرآیند تبادل انرژی حرارتی را آغاز می کند.
• همرفت: هنگامی که دیواره های لوله گرما را جذب می کنند، سیال داخل لوله ها تحت انتقال حرارت همرفتی قرار می گیرد. این سیال بسته به دمای اولیه خود نسبت به بخار، گرما را جذب یا آزاد می کند.

4. تغییر فاز (حرارت نهان):

یکی از ویژگی های بارز مبدل های حرارتی بخار، پتانسیل تغییر فاز است. با متراکم شدن یا بخار شدن بخار، گرمای نهان مبادله می شود. این گرمای نهان، همراه با تغییر حالت بخار، به طور قابل توجهی بازده کلی انتقال حرارت را افزایش می دهد.

یکی از مبحث های لازم برای تحقیق در مورد اصول کار مبدل حرارتی بخار دانش در مورد حالت های انتقال حرارت می باشد که در زیر آمده است.

حالت های انتقال حرارت در مبدل های حرارتی بخار

 هدایت: بنیاد انتقال حرارت

رسانایی مکانیزم اساسی است که از طریق آن گرما از بخار به دیواره های لوله در یک مبدل حرارتی بخار منتقل می شود. همانطور که بخار از طریق لوله ها جریان می یابد، انرژی حرارتی را از طریق تماس مستقیم به مواد جامد لوله ها منتقل می کند. معمولاً فلزاتی مانند مس، آلومینیوم و فولاد که رسانایی حرارتی بالایی از خود نشان می دهند برای ساخت این لوله ها انتخاب می شوند. توانایی فلز برای هدایت گرما به طور موثر تضمین می کند که انرژی حرارتی بخار به طور موثر به دیواره های لوله منتقل می شود.

فرآیند رسانایی در مبدل‌های حرارتی بخار را می‌توان به صورت تبادل میکروسکوپی انرژی جنبشی بین مولکول‌های بخار و مولکول‌های مواد لوله تجسم کرد. این انتقال انرژی یک گرادیان دما را در امتداد ضخامت دیواره‌های لوله ایجاد می‌کند و جریان گرما را از بخار داغ‌تر به مواد لوله خنک‌تر برقرار می‌کند. در نتیجه، هدایت به عنوان حالت پایه ای عمل می کند که فرآیند تبادل حرارت را در مبدل های حرارتی بخار آغاز می کند.

همرفت: تسهیل برهم کنش سیال

همرفت نقشی محوری در مرحله بعدی فرآیند انتقال حرارت در مبدل های حرارتی بخار دارد. همانطور که دیواره های لوله گرما را از طریق رسانایی جذب یا آزاد می کنند، سیال درون لوله ها انتقال حرارت همرفتی را تجربه می کند. این سیال که اغلب مایع یا گاز است، در اثر برهمکنش با دیواره های لوله دچار تغییرات دما می شود.

سرعت انتقال حرارت همرفتی تحت تأثیر عواملی مانند سرعت سیال، گرادیان دما و خواص سیال است. در مبدل های حرارتی بخار، بهینه سازی انتقال حرارت همرفتی درون لوله ها برای دستیابی به تبادل انرژی کارآمد ضروری است. تلاطم، ناشی از بافل های داخلی یا سایر ویژگی های طراحی، انتقال حرارت همرفتی را با تقویت اختلاط سیال و به حداکثر رساندن تماس با دیواره های لوله افزایش می دهد.

همرفت درون لوله ها یک فرآیند پویا است که در آن سیال به طور مداوم گرما را از دیواره های لوله جذب می کند یا گرما را به دیواره ها آزاد می کند، بسته به جهت تبادل انرژی حرارتی. این برهمکنش همرفتی تضمین می‌کند که انرژی حرارتی بخار به طور موثر به سیال درون لوله‌ها منتقل می‌شود و به راندمان کلی تبادل حرارت کمک می‌کند.

 تغییر فاز (حرارت نهان): تقویت کننده کارایی

یکی از ویژگی های متمایز مبدل های حرارتی بخار، وقوع تغییر فاز، به ویژه تبدیل بخار به آب یا بالعکس است. این تغییر فاز مفهوم گرمای نهان را معرفی می کند که به طور قابل توجهی کارایی کلی انتقال حرارت را افزایش می دهد.

هنگامی که بخار در داخل لوله‌ها متراکم می‌شود، گرمای نهان را به دیواره‌های لوله و سیال داخل آن آزاد می‌کند. برعکس، در طول تبخیر، گرمای نهان از دیواره‌های لوله و سیال جذب می‌شود. این مکانیسم تبادل حرارت اضافی، انتقال انرژی حرارتی کلی بین بخار و سیال را تقویت می کند.

گرمای نهان دخیل در تغییر فاز به‌ویژه تأثیرگذار است زیرا نشان‌دهنده مقدار قابل‌توجهی انرژی مرتبط با تغییر حالت بخار است. این انتقال انرژی بدون تغییر دمای مربوطه اتفاق می افتد و آن را تبدیل به یک حالت بسیار کارآمد برای تبادل حرارت می کند. پدیده تغییر فاز به تطبیق پذیری مبدل های حرارتی بخار کمک می کند و به آنها اجازه می دهد تا طیف گسترده ای از نیازهای انرژی حرارتی را در کاربردهای مختلف مدیریت کنند.

 ملاحظات دما و فشار

1. اختلاف دما:
   • اثربخشی انتقال حرارت مستقیماً تحت تأثیر اختلاف دمای بین بخار و سیال درون لوله ها است.
   • اختلاف دمای بالاتر عموماً باعث تبادل گرمای کارآمدتر می شود.
2. افت فشار:
   • در نظر گرفتن افت فشار در سراسر مبدل حرارتی برای بهینه سازی راندمان جریان سیال بسیار مهم است.
   • طراحی مناسب تلفات فشار را به حداقل می رساند و به راندمان کلی سیستم کمک می کند.