مبدل حرارتی آب داغ از آن تجهیزاتی است که وقتی درست انتخاب شده باشد خیلی به چشم نمی آید. در موتورخانه نصب می شود و چند سال کار می کند و کسی هم کاری به آن ندارد. ولی وقتی سطح انتقال حرارت کم باشد یا جنس صفحه اشتباه انتخاب شده باشد یا افت فشار از چیزی که پمپ می تواند تامین کند بیشتر شود تازه مشکل خودش را نشان می دهد.
اصل کار ساده است. آب گرم یک مدار وارد مبدل می شود و گرمای خودش را به سیال مدار دیگر می دهد بدون اینکه دو سیال با هم مخلوط شوند. اما همین کار ساده در موتورخانه یک شکل دارد و در استخر یا خط تولید شکل دیگری پیدا می کند.
در بیشتر پروژه هایی که فضای موتورخانه محدود است و دو طرف مبدل آب نسبتا تمیز دارند استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای انتخاب منطقی است. سطح انتقال حرارت زیادی در حجم کم ایجاد می کند و اگر نوع گسکتی انتخاب شود باز کردن و شستشوی آن هم کار پیچیده ای نیست.
البته این به معنی آن نیست که مبدل صفحه ای همیشه بهترین گزینه است. وقتی فشار و دما بالا می رود یا سیال کثیف است یا پروژه شرایط خاص مکانیکی دارد مبدل پوسته و لوله وارد بازی می شود. انتخاب را باید از روی شرایط واقعی پروژه انجام داد نه فقط از روی قیمت اولیه تجهیز.
یکی از اصلی ترین کاربردها؛ جدا کردن مدار دیگ از شبکه
در خیلی از موتورخانه ها دیگ و شبکه مصرف را مستقیم به هم وصل نمی کنند. بین این دو مدار یک مبدل قرار می گیرد.
دلیلش هم فقط انتقال حرارت نیست.
شبکه مصرف ممکن است قدیمی باشد و داخل لوله ها زنگ و لجن و ذرات داشته باشد. اگر همین آب مستقیم وارد دیگ شود کیفیت آب مدار دیگ هم تحت تاثیر قرار می گیرد. از طرف دیگر فشار مدار دیگ ممکن است با فشار شبکه مصرف یکی نباشد. مبدل این دو مدار را از هم جدا می کند و هر کدام می توانند با فشار و دبی مناسب خودشان کار کنند.
این موضوع در موتورخانه های بزرگ اهمیت بیشتری پیدا می کند. در چنین شرایطی انتخاب مبدل فقط به سطح انتقال حرارت خلاصه نمی شود. پمپ ها و شیرهای کنترل و منبع انبساط و شیر اطمینان و کیفیت آب هم باید کنار هم دیده شوند.
برای جزئیات همین کاربرد می توانید مبدل صفحه ای در موتورخانه را هم ببینید. این لینک بهتر است همین جا باشد چون کاربر در این قسمت دقیقا دنبال جواب مسئله موتورخانه است.
یک نکته تجربی هم اینجا وجود دارد. اگر مدار ثانویه بسته باشد آب با گرم شدن منبسط می شود. پس منبع انبساط و تجهیزات ایمنی را نباید بعدا به فکرش افتاد. خیلی از مشکلات نشتی گسکت و بالا رفتن فشار از خود مبدل شروع نمی شود بلکه از طراحی ناقص مدار اطراف آن شروع می شود.
گرمایش سالن و خطوط تولید
در سالن های تولید و انبارها و بعضی خطوط صنعتی آب گرم برای گرم کردن هوا یا تجهیزات استفاده می شود. مبدل در اینجا ممکن است بین مدار اصلی آب گرم و مدار مصرف قرار بگیرد.
دما بسته به سیستم متفاوت است. در یک سیستم ممکن است مدار گرمایش با حدود 80 درجه رفت و 60 درجه برگشت کار کند. در یک سیستم کم دما اعداد خیلی پایین تر هستند.
اینجا یک اشتباه رایج وجود دارد. بعضی وقت ها برای اینکه سریع تر سالن گرم شود دمای آب را بی دلیل بالا می برند. این کار همیشه به معنی عملکرد بهتر نیست. باید ببینیم مصرف کننده چه دمایی لازم دارد و دیگ و پمپ با چه شرایطی اقتصادی تر کار می کنند.
در پروژه ای که امکان طراحی مناسب وجود دارد بهتر است دمای مدار مصرف تا حد منطقی پایین نگه داشته شود. این کار روی مصرف انرژی و کنترل سیستم هم اثر می گذارد.
مبدل آب داغ برای کویل هواساز
هواساز یکی از جاهایی است که مبدل آب داغ می تواند نقش مهمی داشته باشد. کویل آب گرم هواساز باید بتواند در شرایط زمستانی هوا را گرم کند و در عین حال در برابر یخ زدگی محافظت شود.
در مناطق سردسیر موضوع جدی تر است. مثلا در شهرهایی که دمای هوا در زمستان خیلی پایین می رود اگر مدار کویل درست طراحی نشود امکان یخ زدن و آسیب دیدن کویل وجود دارد.
در بعضی سیستم ها برای مدار کویل از محلول آب و گلایکول استفاده می شود و یک مبدل بین مدار گرمایش و مدار کویل قرار می گیرد. این کار باعث می شود مدار دیگ و مدار حاوی ضدیخ از هم جدا باشند.
اما یک نکته را نباید فراموش کرد. گلایکول مثل آب خالص رفتار نمی کند. ظرفیت حرارتی و ویسکوزیته آن متفاوت است. بنابراین اگر سیال واقعی گلایکول است محاسبات مبدل و پمپ هم باید بر اساس همان سیال انجام شود.
در چنین کاربردی بررسی مبدل آب داغ برای شناخت انواع سیستم مفید است. این مقاله باید نقش عمومی داشته باشد و مقاله حاضر نقش کاربردی خود را حفظ کند تا این دو صفحه برای یک عبارت واحد با هم رقابت نکنند.
گرم کردن مخزن و حمام فرآیندی
در بعضی کارخانه ها مخزن شستشو یا چربی گیری یا فسفاته باید در یک محدوده دمایی مشخص کار کند. اینجا می توان از کویل داخل مخزن یا یک مبدل خارجی استفاده کرد.
اگر سیال داخل مخزن خورنده یا دارای ذرات باشد مبدل خارجی در بسیاری از پروژه ها سرویس پذیرتر است. تجهیز بیرون مخزن قرار می گیرد و برای شستشو و تعمیر دسترسی بهتری دارد.
البته جنس مبدل باید با سیال واقعی هماهنگ باشد. اینجا دیگر نمی شود فقط گفت استنلس استیل خوب است. نوع ماده شیمیایی و غلظت و دما و زمان تماس روی انتخاب جنس اثر دارد.
به همین دلیل در یک پروژه صنعتی معمولا مشخصات سیال باید قبل از انتخاب مبدل جمع شود. اگر اطلاعات سیال ناقص باشد حتی یک مبدل با کیفیت هم ممکن است بعد از مدتی دچار خوردگی یا افت عملکرد شود.
برای همین موضوع می توانید به انتخاب جنس مبدل حرارتی مراجعه کنید. این لینک را عمدا وسط مقاله گذاشته ام تا لینک های تجاری پشت سر هم قرار نگیرند و کاربر ابتدا جواب فنی خودش را بگیرد.
کنترل دما فقط با انتخاب مبدل تمام نمی شود
در مدار آب داغ شیر کنترل نقش مهمی دارد. دمای سمت مصرف باید بر اساس نیاز واقعی سیستم کنترل شود و بهتر است شیر کنترل به شکل تدریجی عمل کند.
در بعضی مدارها شیر دو راهه استفاده می شود و در بعضی مدارها شیر سه راهه. انتخاب بین این دو به مدار و پمپ و روش کنترل بستگی دارد و نمی شود برای همه پروژه ها یک نسخه ثابت نوشت.
مهم این است که کنترل دما نوسان شدید نداشته باشد. تغییرات ناگهانی دما و دبی هم برای مبدل مناسب نیست و هم کنترل سیستم را سخت می کند.
در نهایت اگر بار حرارتی مشخص نباشد انتخاب مبدل از همان ابتدا روی حدس جلو می رود. برای پروژه های واقعی باید دبی هر دو طرف و دمای ورود و خروج و فشار کار و افت فشار مجاز و نوع سیال مشخص باشد.
اگر محاسبات اولیه را انجام می دهید محاسبه طراحی مبدل حرارتی می تواند مرحله بعدی بررسی باشد.
یک محاسبه ساده برای درک اندازه مبدل
فرض کنیم بار حرارتی سیستم 200 کیلووات باشد. آب گرم مدار اولیه با دمای 90 درجه وارد مبدل شود و در 65 درجه خارج شود. آب سمت مصرف هم با 50 درجه وارد شود و به 75 درجه برسد.
در این حالت برای سمت مصرف با ظرفیت حرارتی ویژه تقریبی 4.18 کیلوژول بر کیلوگرم کلوین دبی جرمی نزدیک 1.9 کیلوگرم بر ثانیه به دست می آید که تقریبا معادل 7 متر مکعب بر ساعت است.
اگر جریان را ناهمسو در نظر بگیریم اختلاف دمای دو سر مبدل در این مثال هر دو حدود 15 درجه است. بنابراین LMTD هم حدود 15 درجه می شود.
اگر برای یک مبدل صفحه ای تمیز ضریب انتقال حرارت کلی را فقط به صورت تقریبی 4000 وات بر متر مربع کلوین فرض کنیم:
A = Q / U × LMTD
پس سطح مورد نیاز حدود 3.33 متر مربع می شود.
این عدد فقط برای فهم روند محاسبه است و نباید از روی آن مبدل خرید. ضریب انتقال واقعی به هندسه صفحات و سرعت سیال و خواص سیال و رسوب و شرایط کاری بستگی دارد.
اگر برای همین شرایط یک مبدل پوسته و لوله با ضریب انتقال پایین تر فرض شود سطح مورد نیاز بیشتر می شود. به همین دلیل مقایسه مبدل ها فقط با ابعاد ظاهری درست نیست.
در انتخاب نهایی باید محاسبات سازنده هم بررسی شود. اگر قرار است تجهیز برای چند سال کار کند برگه محاسبه و شرایط طراحی ارزش بیشتری از یک قیمت اولیه پایین دارد.
برای انتخاب تجاری هم بعد از مشخص شدن شرایط پروژه بهتر است سراغ راهنمای خرید مبدل صفحه ای بروید.
پس برای آب داغ صفحه ای یا پوسته و لوله؟
جواب از روی کاربرد مشخص می شود.
برای آب تمیز و فضای کم و نیاز به انتقال حرارت بالا مبدل صفحه ای معمولا انتخاب خوبی است. اگر تجهیز باید مرتب باز شود و شستشو شود نوع گسکتی هم مزیت خودش را دارد.
در مقابل وقتی فشار و دمای طراحی بالا است یا سیال کثیف تر است یا پروژه شرایط مکانیکی سخت تری دارد مبدل پوسته و لوله می تواند انتخاب مناسب تری باشد. در چنین شرایطی مبدل حرارتی پوسته و لوله را باید به عنوان یک گزینه مهندسی بررسی کرد نه اینکه صرفا به خاطر ارزان تر بودن یا گران تر بودن کنار گذاشته شود.
در صورت نیاز به سیستم قابل باز شدن و شستشو نیز مبدل صفحه ای گسکتی یکی از گزینه هایی است که باید بر اساس فشار و دما و جنس صفحه و نوع گسکت بررسی شود.
قاعده ای که در پروژه های واقعی خیلی کمک می کند این است: اول سیال و بار حرارتی را مشخص کنید. بعد دما و فشار را ببینید. بعد سراغ جنس و نوع مبدل بروید. اگر این ترتیب برعکس شود معمولا آخر کار مجبور می شوید بخشی از انتخاب را دوباره انجام دهید.
کاربرد مبدل آب داغ در استخر
در استخر شرایط کمی متفاوت است. آب استخر معمولا کلر دارد و این موضوع روی انتخاب جنس مبدل اثر مستقیم می گذارد.
آب گرم مدار دیگ نباید مستقیم با آب استخر مخلوط شود. مبدل بین دو مدار قرار می گیرد و گرما را منتقل می کند.
دمای آب استخر معمولا خیلی پایین تر از مدار دیگ است و در نتیجه بار حرارتی باید بر اساس حجم آب و شرایط محیط و میزان تلفات محاسبه شود. چیزی که در استخر مهم است فقط ظرفیت حرارتی نیست. افت فشار سمت استخر هم مهم است چون پمپ تصفیه و گردش آب محدودیت خودش را دارد.
جنس هم باید با کیفیت واقعی آب بررسی شود. در آب کلردار نمی شود فقط بر اساس قیمت اولیه صفحه تصمیم گرفت. اگر آب و شرایط شیمیایی مناسب نباشد حتی تجهیز گران هم ممکن است عمر مورد انتظار را نداشته باشد.
در مورد این کاربرد جزئیات بیشتری در مقاله مبدل حرارتی استخر وجود دارد. این لینک از نظر Intent هم کاملا طبیعی است چون کاربر بعد از خواندن بخش استخر معمولا سوال دقیق تری درباره جنس و انتخاب مبدل خواهد داشت.
صنایع غذایی و دارویی
در صنایع غذایی و دارویی موضوع تمیزی و کنترل دما اهمیت زیادی دارد. سطح انتقال حرارت نباید طوری باشد که تمیز کردن آن مشکل شود و جنس قطعات در تماس با سیال هم باید با شرایط فرآیند سازگار باشد.
در بسیاری از این کاربردها مبدل صفحه ای به دلیل فشردگی و قابلیت شستشو مورد توجه است. اما باز هم نمی شود گفت هر مبدل صفحه ای برای خط غذایی مناسب است. نوع استنلس و کیفیت ساخت و طراحی اتصالات و روش شستشو باید مشخص باشد.
در بعضی فرآیندها امکان مخلوط شدن دو سیال حتی در صورت نشتی قابل قبول نیست. در چنین شرایطی طراحی مبدل و روش تشخیص نشتی اهمیت بیشتری پیدا می کند.
این بخش را بهتر است بیش از این باز نکنیم چون مقاله اصلی صنایع غذایی در سایت وجود دارد. در صورت نیاز می توان از مقاله گرمایش در صنایع غذایی و دارویی برای جزئیات فرآیند استفاده کرد.
نساجی و رنگرزی؛ جایی که رسوب و گرفتگی جدی می شود
در خطوط نساجی و رنگرزی معمولا آب گرم فقط برای گرم کردن یک مدار تمیز استفاده نمی شود. با حمام فرآیند و مواد شیمیایی و ذرات مختلف روبه رو هستیم.
در چنین پروژه ای انتخاب مبدل صفحه ای فقط بر اساس ضریب انتقال حرارت بالا اشتباه است. کانال های باریک یک مبدل صفحه ای اگر با سیال نامناسب روبه رو شوند می توانند سریع تر از چیزی که روی کاغذ انتظار داریم دچار گرفتگی شوند.
اینجا صافی قبل از مبدل و امکان شستشو و افت فشار اهمیت پیدا می کند. اگر این موارد از ابتدا دیده نشود بعدا اپراتور مجبور می شود برای افت عملکرد مبدل هزینه بیشتری بدهد.
در شرایطی که سیال کثیف است یا احتمال گرفتگی زیاد است باید مبدل پوسته و لوله هم بررسی شود.همچنین اگر هنوز تفاوت ساختارها روشن نیست می توان از انواع مبدل پوسته و لوله استفاده کرد.
صنایع فلزی و سیالات خورنده
در صنایع فلزی موضوع جنس حتی از خیلی از کاربردهای آب گرم معمولی مهم تر است. مثلا در حمام های اسیدشویی یا چربی گیری نمی شود جنس مبدل را فقط بر اساس دمای سیال انتخاب کرد.
نوع ماده شیمیایی و غلظت آن و دما و زمان تماس همه مهم هستند.
اگر سیال خورنده باشد ممکن است استنلس معمولی انتخاب درستی نباشد. در بعضی شرایط آلیاژهای خاص یا تیتانیوم یا حتی مواد غیر فلزی باید بررسی شوند.
اینجا همان اصل قدیمی مهندسی به درد می خورد: اگر مشخصات سیال معلوم نیست قیمت دادن برای مبدل دقیق نیست.
بازیافت گرما از آب گرم خروجی
یکی از کاربردهای جالب مبدل آب داغ زمانی است که اصلا قرار نیست گرمای جدید تولید کنیم.
در کارخانه ممکن است آب یک فرآیند با دمای بالا خارج شود. این گرما را می توان برای پیش گرم کردن آب ورودی یا یک مدار دیگر استفاده کرد.
همین موضوع برای بعضی سیستم های سرمایش هم مطرح است. گرمایی که از کندانسور یا فرآیند دفع می شود در بعضی پروژه ها قابل استفاده مجدد است.
البته بازیافت گرما وقتی اقتصادی است که اختلاف دمای کافی وجود داشته باشد و هزینه پمپ و مبدل و کنترل سیستم نسبت به انرژی بازیافتی منطقی باشد.
در چنین پروژه هایی اول باید منابع گرما و مصرف کننده گرما مشخص شوند. بعد می شود سطح مبدل و دبی ها را بررسی کرد.
پوسته و لوله چه زمانی انتخاب بهتری می شود؟
اگر پروژه آب داغ با فشار بالا داشته باشد یا دمای طراحی زیاد باشد یا سیال کثیف باشد دیگر نمی شود فقط به خاطر فشردگی مبدل صفحه ای آن را انتخاب کرد.
مبدل پوسته و لوله از نظر مکانیکی برای خیلی از این شرایط گزینه قابل اتکایی است. البته سنگین تر و بزرگ تر است و معمولا فضای نصب بیشتری لازم دارد.
در این حالت قبل از خرید باید مشخص شود چه نوع آرایشی مناسب است. تعداد پاس ها و نوع تیوب و جنس تیوب و پوسته و نوع تیوب شیت و روش تمیزکاری روی عملکرد نهایی اثر می گذارند.
اگر کاربر در این مرحله به دنبال انتخاب جدی تر است راهنمای خرید مبدل حرارتی پوسته و لوله لینک مناسب تری نسبت به یک مقاله عمومی است.
قیمت مبدل آب داغ را چطور باید مقایسه کرد؟
قیمت مبدل حرارتی عدد ثابتی نیست که بتوان فقط با ظرفیت حرارتی درباره آن تصمیم گرفت.
سطح انتقال حرارت یکی از عوامل است. جنس صفحات یا تیوب ها عامل دیگری است. فشار طراحی و نوع گسکت و اتصالات و ضخامت متریال و کیفیت ساخت و تست ها هم روی قیمت اثر دارند.
به همین دلیل دو مبدل با ظرفیت حرارتی یکسان ممکن است قیمت کاملا متفاوتی داشته باشند.
برای پروژه صنعتی اگر فروشنده فقط یک عدد قیمت بدهد و هیچ اطلاعاتی درباره سطح انتقال حرارت و فشار طراحی و جنس و افت فشار ارائه نکند مقایسه دو پیشنهاد سخت می شود.
این موضوع درباره پوسته و لوله هم همین است. قیمت پایین تر همیشه به معنی خرید بهتر نیست. گاهی تفاوت قیمت از جنس تیوب یا ضخامت یا سطح انتقال حرارت می آید.
برای بررسی دقیق تر می توان به صفحه قیمت مبدل حرارتی پوسته و لوله مراجعه کرد ولی قیمت نهایی باید بر اساس مشخصات واقعی پروژه گرفته شود.
قبل از سفارش چه اطلاعاتی باید به سازنده بدهیم؟
اگر قرار است برای یک پروژه مبدل ساخته شود حداقل باید این اطلاعات آماده باشد:
بار حرارتی
دبی دو طرف
دمای ورود و خروج هر دو مدار
فشار کاری و فشار طراحی
نوع سیال
خواص مهم سیال در صورت غیر آبی بودن
افت فشار مجاز
کیفیت آب و میزان سختی یا کلراید در صورت وجود
شرایط نصب
فضای در دسترس
روش شستشو و تعمیرات
اگر این اطلاعات ناقص باشد سازنده مجبور است بعضی موارد را فرض کند. همین فرض ها بعدا می توانند روی قیمت و عملکرد و حتی ابعاد تجهیز اثر بگذارند.
برای همین در مرحله انتخاب بهتر است ابتدا معیارهای انتخاب مبدل حرارتی بررسی شود و بعد پیشنهادهای سازندگان با یک مبنای مشترک مقایسه شوند.
مبدل آب داغ صفحه ای یا پوسته و لوله؟
اگر بخواهیم خیلی کارگاهی و خلاصه بگوییم:
آب تمیز + فضای کم + انتقال حرارت بالا = معمولا صفحه ای
سیال کثیف + فشار یا دمای بالاتر + نیاز مکانیکی خاص = بررسی جدی پوسته و لوله
استخر = علاوه بر ظرفیت باید خوردگی و افت فشار بررسی شود
هواساز در منطقه سرد = علاوه بر ظرفیت باید خطر یخ زدگی و نوع سیال مدار کویل بررسی شود
حمام شیمیایی = جنس متریال از همان اول باید بررسی شود
صنایع غذایی = بهداشت و شستشو و جنس متریال مهم تر می شود
این جدول ذهنی برای شروع انتخاب خوب است ولی جای محاسبه را نمی گیرد.
نگهداری؛ جایی که خیلی از مشکلات زودتر دیده می شوند
بعد از نصب مبدل بهتر است دمای ورود و خروج و افت فشار هر دو طرف ثبت شود.
این اعداد در روز اول یک مرجع به ما می دهند. چند ماه بعد اگر دمای خروجی پایین آمده باشد یا افت فشار بیشتر شده باشد می توانیم قبل از اینکه سیستم کامل از کار بیفتد سراغ علت برویم.
رسوب معمولا یک روزه سیستم را خراب نمی کند. آرام آرام سطح انتقال حرارت را کم می کند و اپراتور ممکن است اول فکر کند مشکل از دیگ یا پمپ است.
صافی قبل از مبدل هم باید بررسی شود. در سیستم هایی که ذرات دارند تمیز کردن صافی می تواند از خیلی از گرفتگی های بعدی جلوگیری کند.
نوع مبدل هم روی روش سرویس اثر دارد. مبدل گسکتی را می توان باز کرد و صفحات را تمیز کرد. بعضی مبدل های دیگر روش تمیزکاری متفاوتی دارند.
این موارد باید قبل از خرید دیده شوند نه زمانی که دستگاه خوابیده است.
قبل از خرید مبدل آب داغ چه چیزی را از سازنده بخواهیم؟
قبل از اینکه قیمت نهایی را قبول کنید برگه مشخصات فنی را بگیرید.
ظرفیت حرارتی
دبی دو طرف
دمای ورود و خروج
فشار طراحی
افت فشار
جنس قطعات در تماس با سیال
نوع گسکت در صورت گسکتی بودن
سطح انتقال حرارت
شرایط تست
و روش شستشو و تعمیرات
این اطلاعات باعث می شود دو پیشنهاد را واقعا با هم مقایسه کنید.
در پروژه های صنعتی قیمت مهم است ولی فقط یکی از پارامترهاست. مبدلی که ارزان تر خریداری شده ولی هر چند ماه یک بار نیاز به سرویس داشته باشد ممکن است در مجموع هزینه بیشتری ایجاد کند.
مبدل حرارتی آب داغ در صنعت فقط برای گرم کردن یک مدار استفاده نمی شود. از جدا کردن مدار دیگ و شبکه گرفته تا گرمایش سالن و هواساز و استخر و حمام فرآیندی و صنایع غذایی و بازیافت گرما کاربرد دارد.
اما نوع مبدل باید از روی شرایط واقعی انتخاب شود.
برای آب تمیز و فضای محدود معمولا مبدل صفحه ای گزینه خوبی است. برای فشار و دمای بالاتر یا سیالات کثیف و شرایط مکانیکی سخت تر باید پوسته و لوله را جدی بررسی کرد.
در نهایت قبل از اینکه دنبال قیمت برویم باید بدانیم دقیقا چه تجهیزی لازم داریم. بار حرارتی و دما و فشار و دبی و جنس سیال اگر مشخص نباشد قیمت گرفتن بیشتر شبیه حدس زدن است تا طراحی مهندسی.
برای همین اگر قرار است خرید انجام شود اول اطلاعات پروژه را کامل کنید و بعد پیشنهاد سازنده را بر اساس همان اطلاعات مقایسه کنید.
