اگر بخواهیم کاربرد مبدل حرارتی اسپیرال را درست بفهمیم باید اول از یک نکته شروع کنیم. اسپیرال قرار نیست جای همه مبدل های حرارتی را بگیرد. این تجهیز بیشتر برای شرایطی مطرح می شود که سیال ساده و تمیز نیست یا مشکل رسوب و گرفتگی باعث شده مبدل های معمولی دردسر درست کنند.
در کارخانه معمولا مشکل از جایی شروع می شود که مشخصات واقعی سیال با چیزی که روی کاغذ نوشته شده فرق دارد. مثلا روغن غلیظ تر از مقدار طراحی است. لجن ذرات بیشتری دارد. یک جریان غذایی پالپ یا مواد معلق دارد یا محلول شیمیایی خاصیت خورندگی بیشتری نشان می دهد. در چنین شرایطی فقط ظرفیت انتقال حرارت مهم نیست. مسیر جریان و سرعت سیال و امکان شستشو هم اهمیت پیدا می کند.
مبدل حرارتی اسپیرال برای همین دسته از مسائل مورد توجه قرار گرفته است.
مبدل حرارتی اسپیرال چگونه کار می کند؟
ساختار اصلی مبدل اسپیرال خیلی پیچیده نیست. دو ورق فلزی به شکل مارپیچ کنار هم قرار می گیرند و دو کانال جداگانه برای عبور سیال ایجاد می شود. یک سیال در یک کانال حرکت می کند و سیال دوم در کانال دیگر قرار دارد. حرارت از دیواره جدا کننده دو مسیر عبور می کند و دو سیال مستقیما با هم مخلوط نمی شوند.
نکته مهم در اینجا شکل کانال است. جریان در مسیر مستقیم حرکت نمی کند. مسیر مارپیچ باعث می شود سیال مرتب تغییر جهت بدهد و اختلاط بهتری در مقطع جریان ایجاد شود. این موضوع برای سیالاتی که ویسکوزیته بالایی دارند اهمیت بیشتری پیدا می کند.
البته اینجا نباید از اصطلاحاتی مثل خودتمیزشوندگی برداشت اشتباه کرد. اسپیرال هم رسوب می کند. اگر آب سخت باشد یا سیال واکنش شیمیایی ایجاد کند بالاخره رسوب تشکیل می شود. مزیت هندسه اسپیرال این است که در بعضی شرایط احتمال ایجاد نواحی کم سرعت و تجمع ذرات کمتر می شود.
برای دیدن ساختار و مدل های قابل ساخت می توانید مشخصات مبدل حرارتی اسپیرال را هم بررسی کنید.
چرا شکل مارپیچ برای بعضی سیالات مهم است؟
در مبدل حرارتی مسئله فقط این نیست که چند کیلووات حرارت باید منتقل شود. باید ببینیم سیال در طول مسیر چه رفتاری دارد.
در کانال مارپیچ جریان تحت تاثیر انحنای مسیر قرار می گیرد. این انحنا می تواند باعث ایجاد جریان های ثانویه شود و اختلاط سیال را بهتر کند. در نتیجه در بعضی شرایط انتقال حرارت مناسب تری نسبت به یک مسیر مستقیم با ابعاد مشابه به دست می آید.
این موضوع برای روغن های سنگین و بعضی سیالات غلیظ مهم است. چنین سیالاتی معمولا با افزایش ویسکوزیته انتقال حرارت ضعیف تری دارند. اگر فقط سطح انتقال حرارت را زیاد کنیم ولی شرایط جریان را درست انتخاب نکنیم نتیجه همیشه مطلوب نیست.
از طرف دیگر افزایش سرعت هم رایگان نیست. سرعت بالاتر معمولا افت فشار را بالا می برد. بنابراین طراح باید بین انتقال حرارت و افت فشار تعادل ایجاد کند.
رابطه پایه همچنان همان رابطه معروف انتقال حرارت است:
Q = U × A × ΔTlm
ولی عدد نهایی از روی این فرمول به تنهایی به دست نمی آید. خواص واقعی سیال و ضریب انتقال حرارت و مقاومت رسوب و افت فشار و شرایط عملیاتی هم باید مشخص باشد. برای جزئیات محاسبات می توانید محاسبه طراحی مبدل حرارتی و LMTD را ببینید.
کاربرد مبدل حرارتی اسپیرال در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی
در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی یکی از مسائلی که در انتخاب مبدل دیده می شود نوع سیال است. بعضی جریان ها تمیز و سبک هستند و بعضی دیگر سنگین و غلیظ یا همراه با ذرات و ترکیباتی هستند که احتمال رسوب را بالا می برند.
در چنین سرویس هایی اسپیرال می تواند برای گرم کردن یا خنک کردن جریان های خاص مورد بررسی قرار بگیرد. برای مثال خنک کاری بعضی روغن های سنگین یا انتقال حرارت بین جریان های ویسکوز از مواردی است که این ساختار می تواند مطرح باشد.
اما نباید نتیجه گرفت که هر مبدل پالایشگاهی باید اسپیرال باشد. این برداشت اشتباه است.
وقتی فشار کاری و دمای طراحی بالا باشد یا شرایط مکانیکی سختی وجود داشته باشد معمولا مبدل پوسته و لوله گزینه ای جدی برای بررسی است. مزیت پوسته و لوله در چنین شرایطی سابقه طولانی طراحی و ساخت و امکان استفاده از متریال و آرایش های مختلف است.
بنابراین در صنعت نفت و گاز باید اول سرویس را شناخت و بعد نوع مبدل را انتخاب کرد. اسم صنعت به تنهایی تعیین کننده نیست.
کاربرد اسپیرال برای روغن های سنگین و سیالات لزج
یکی از جاهایی که مبدل اسپیرال بیشتر معنا پیدا می کند سیالاتی هستند که ویسکوزیته بالایی دارند.
فرض کنید روغنی دارید که در دمای پایین به سختی حرکت می کند. اگر کانال مبدل بیش از حد کوچک باشد افت فشار بالا می رود. اگر کانال بیش از حد بزرگ باشد سرعت پایین می آید و انتقال حرارت ضعیف می شود.
پس طراحی باید بر اساس شرایط واقعی سیال انجام شود.
در چنین پروژه ای فقط دمای ورودی و خروجی را نباید برای سازنده فرستاد. ویسکوزیته در دمای کار و دبی واقعی و فشار مجاز و مشخصات سیال باید مشخص باشد.
این همان جایی است که تفاوت بین یک انتخاب مهندسی و خرید یک تجهیز صرفا بر اساس کاتالوگ خودش را نشان می دهد.
کاربرد مبدل اسپیرال در صنایع غذایی
در صنایع غذایی موضوع کمی متفاوت است. اینجا علاوه بر انتقال حرارت باید به بهداشت و قابلیت شستشو و جنس سطوح در تماس با محصول هم توجه شود.
سیالات غذایی همیشه آب مانند نیستند. سس و آبمیوه دارای پالپ و بعضی محصولات لبنی می توانند ویسکوزیته بالاتری داشته باشند یا ذرات معلق داشته باشند.
در این شرایط مسیر جریان و نحوه شستشو مهم می شود.
برای فرآیندهایی مثل پاستوریزاسیون نیز انتخاب مبدل باید بر اساس شرایط واقعی فرآیند انجام شود و نمی توان صرفا به اسم مبدل اکتفا کرد. برای این بخش مبدل حرارتی پاستوریزاسیون اطلاعات تخصصی تری ارائه می کند.
در خطوط غذایی جنس قسمت های در تماس با محصول و کیفیت جوش ها و قابلیت شستشو باید از ابتدا مشخص باشد. یک نقطه نامناسب یا سطحی که به خوبی قابل شستشو نیست می تواند بعدا به مشکل بهداشتی تبدیل شود.
مبدل اسپیرال برای فاضلاب و لجن صنعتی
فاضلاب صنعتی و لجن از آن سرویس هایی هستند که در انتخاب مبدل باید کمی محتاط تر بود.
وجود ذرات معلق و الیاف و مواد جامد باعث می شود بعضی مبدل های معمولی خیلی زود دچار افت عملکرد شوند. در مبدل اسپیرال مسیر جریان پیوسته است و در بعضی طراحی ها کانال نسبت به مسیرهای پیچیده تر دسترسی بهتری برای شستشو دارد.
اما یک نکته عملی را نباید فراموش کرد. اگر جسم خارجی بزرگی وارد مبدل شود هیچ هندسه ای معجزه نمی کند.
برای همین در طراحی خط فاضلاب باید پیش از مبدل به موضوع آشغال گیر یا صافی مناسب توجه شود. نوع صافی و اندازه مش هم باید با مشخصات واقعی سیال هماهنگ باشد.
در این نوع سرویس ها هدف فقط انتقال حرارت نیست. هدف این است که تجهیز در شرایط واقعی کارخانه هم قابل بهره برداری بماند.
مبدل اسپیرال در صنایع شیمیایی
در صنایع شیمیایی جنس سیال اهمیت زیادی دارد. یک محلول اسیدی یا قلیایی ممکن است از نظر انتقال حرارت شرایط خوبی داشته باشد ولی از نظر خوردگی کاملا مشکل ساز باشد.
به همین دلیل انتخاب متریال باید بر اساس ترکیب سیال و دما و غلظت و pH و کلراید و شرایط خوردگی انجام شود.
در بعضی پروژه ها استنلس استیل کافی است. در بعضی دیگر باید سراغ متریال مقاوم تر رفت. این تصمیم را نباید فقط بر اساس قیمت ورق گرفت.
اگر شرایط شیمیایی سیال مشخص نیست انتخاب مبدل هنوز کامل نشده است. برای پروژه های این حوزه الزامات طراحی مبدل حرارتی شیمیایی می تواند به عنوان مرجع اولیه بررسی شود.
آیا اسپیرال برای هر کاربردی انتخاب خوبی است؟
خیر.
این شاید مهم ترین جمله این مقاله باشد.
اسپیرال برای شرایطی ارزش دارد که هندسه آن یک مشکل واقعی را حل کند. اگر سیال تمیز است و فشار و دمای کار بالا است و مبدل پوسته و لوله به راحتی جواب می دهد دلیلی ندارد صرفا به خاطر جدیدتر یا خاص تر بودن سراغ اسپیرال برویم.
در طرف دیگر اگر سیال لزج یا آلوده است و رسوب و گرفتگی هزینه زیادی به خط تحمیل می کند اسپیرال ارزش بررسی بیشتری دارد.
برای سیالات تمیز و پروژه هایی که فضای نصب محدود است مبدل حرارتی صفحه ای هم یکی از گزینه های مهم است. صفحه ای معمولا سطح انتقال حرارت زیادی را در حجم کم فراهم می کند ولی کانال های باریک آن برای همه سیالات مناسب نیستند.
پس انتخاب بین اسپیرال و صفحه ای و پوسته و لوله باید بر اساس سرویس واقعی انجام شود نه بر اساس یک جدول ثابت.
یک مقایسه ساده برای انتخاب اولیه
اگر سیال شما تمیز و فشار کاری بالا است پوسته و لوله معمولا باید جدی بررسی شود.
اگر سیال تمیز است و فضای نصب محدود است مبدل صفحه ای می تواند گزینه مناسبی باشد.
اگر سیال لزج یا آلوده یا مستعد رسوب است اسپیرال ارزش بررسی دارد.
اگر هم سرویس شما شرایط خاصی دارد بهتر است قبل از تصمیم نهایی محاسبه حرارتی و هیدرولیکی انجام شود.
در عمل چند عدد ساده مثل دبی و دمای ورود و خروج و فشار و ویسکوزیته می توانند خیلی بیشتر از یک مقایسه تبلیغاتی به تصمیم گیری کمک کنند.
کاربرد مبدل حرارتی اسپیرال در صنایع دارویی
در صنعت دارویی انتخاب مبدل کمی حساس تر از یک فرآیند معمولی صنعتی است. اینجا فقط بحث انتقال حرارت مطرح نیست. سطح تماس با محصول و قابلیت شستشو و کیفیت متریال و امکان ردیابی مواد اولیه هم اهمیت دارد.
اگر سیال دارویی حساس باشد نمی توان بعدا به فکر تمیزکاری افتاد. طراحی باید از ابتدا با روش شستشو و شرایط فرآیند هماهنگ باشد.
در بعضی فرآیندها اسپیرال به دلیل مسیر جریان و ساختار خود می تواند گزینه قابل بررسی باشد. ولی انتخاب نهایی باید با توجه به محصول و الزامات بهداشتی پروژه انجام شود.
در پروژه هایی که شرایط دارویی مطرح است مبدل حرارتی دارویی جزئیات بیشتری درباره این الزامات ارائه می کند.
کاربرد اسپیرال در دوغاب و سیالات دارای ذرات
دوغاب یکی از سخت ترین سیالات برای انتخاب مبدل است. سیال هم مایع دارد و هم ذرات جامد. اگر سرعت کم باشد احتمال ته نشینی بالا می رود و اگر سرعت بیش از حد زیاد شود افت فشار و سایش افزایش پیدا می کند.
پس نمی توان فقط گفت اسپیرال برای دوغاب مناسب است و تمام.
باید نوع ذرات و اندازه آنها و درصد جامدات و چگالی و ویسکوزیته مشخص شود. حتی شکل ذرات هم در بعضی پروژه ها مهم است.
اگر ذرات تیز و ساینده باشند بحث فرسایش دیواره جدی می شود. اگر ذرات نرم و قابل ته نشینی باشند موضوع اصلی ممکن است گرفتگی و افت انتقال حرارت باشد.
این موارد باید در طراحی لحاظ شوند.
چرا رسوب در انتخاب مبدل اسپیرال مهم است؟
در کارخانه خیلی وقت ها ظرفیت اولیه مبدل مشکلی ندارد. تجهیز تازه نصب شده و دماها هم خوب هستند. مشکل چند ماه بعد خودش را نشان می دهد.
دمای خروجی دیگر به مقدار مورد انتظار نمی رسد. افت فشار بالا می رود و اپراتور مجبور می شود دبی را تغییر دهد. بعد مبدل باز می شود و می بینیم سطح انتقال حرارت با یک لایه رسوب پوشیده شده است.
رسوب فقط باعث کم شدن انتقال حرارت نمی شود. ضخامت رسوب به مقاومت حرارتی اضافه می کند و در مسیر جریان هم محدودیت ایجاد می کند.
در رسوب گرفتگی مبدل حرارتی انواع مختلف این مشکل و تاثیر آن بر عملکرد مبدل توضیح داده شده است.
در مبدل اسپیرال طراحی مسیر می تواند احتمال تجمع بعضی رسوبات را کاهش دهد ولی به هیچ وجه به معنی بی نیاز شدن از سرویس نیست.
این تفاوت را باید جدی گرفت.
کاربرد اسپیرال در بازیابی حرارت
یکی از کاربردهای ارزشمند مبدل های حرارتی در صنعت بازیابی گرمایی است. یعنی حرارتی که در حالت عادی با آب یا هوا یا یک جریان دیگر دفع می شود دوباره وارد فرآیند شود.
مثلا یک جریان گرم خروجی می تواند برای پیش گرم کردن جریان سرد استفاده شود.
در اینجا اسپیرال زمانی جذاب تر می شود که یکی از جریان ها آلوده یا ویسکوز باشد. اگر هر دو جریان تمیز باشند گزینه های دیگری مثل صفحه ای یا پوسته و لوله هم باید بررسی شوند.
در پروژه های بازیابی حرارت بهتر است قبل از انتخاب تجهیز یک تراز انرژی واقعی تهیه شود. مقدار حرارت قابل بازیابی و دمای ورود و خروج و دبی دو جریان مشخص می شود و بعد سطح انتقال حرارت و افت فشار بررسی می شود.
این روش خیلی مطمئن تر از انتخاب تجهیز بر اساس ظرفیت اسمی است.
مبدل اسپیرال یا مبدل حرارتی هلیکال؟
این دو تجهیز را بعضی وقت ها به جای هم استفاده می کنند در حالی که ساختارشان یکی نیست.
در مبدل اسپیرال دو کانال مارپیچ از ورق تشکیل می شود. در مبدل هلیکال معمولا یک یا چند لوله به شکل مارپیچ داخل پوسته قرار می گیرند.
این تفاوت روی رفتار مکانیکی و مسیر جریان و فشار قابل تحمل و روش ساخت اثر می گذارد.
برای همین اگر در پروژه ای بین این دو انتخاب مردد هستید فقط نام تجهیز را به سازنده نگویید. شرایط فرآیند را بفرستید.
در مقایسه اسپیرال و مبدل هلیکال تفاوت این دو ساختار دقیق تر بررسی شده است.
اگر خود ساختار هلیکال مد نظر باشد مشخصات مبدل حرارتی مارپیچ لوله ای هم باید جدا بررسی شود.
انتخاب جنس مبدل اسپیرال چطور انجام می شود؟
یکی از اشتباهات رایج این است که جنس مبدل فقط بر اساس دمای کار انتخاب شود.
دما مهم است ولی کافی نیست.
نوع سیال و ترکیبات شیمیایی و کلراید و pH و سرعت جریان و شرایط خوردگی هم روی انتخاب جنس تاثیر دارند.
برای بعضی پروژه ها فولاد کربنی مناسب است. در پروژه های دیگر استنلس استیل 304 یا 316L انتخاب می شود. در بعضی محیط های خاص هم ممکن است تیتانیوم یا آلیاژهای مقاوم تر لازم باشد.
اگر آب دریا یا محیط کلریدی دارید موضوع خوردگی باید از همان ابتدای طراحی بررسی شود.
به همین دلیل انتخاب جنس مبدل حرارتی نباید بعد از طراحی حرارتی انجام شود. متریال بخشی از طراحی اصلی تجهیز است.
برای خرید مبدل حرارتی اسپیرال از سازنده چه اطلاعاتی لازم است؟
اگر قصد خرید مبدل اسپیرال دارید، قبل از استعلام قیمت بهتر است اطلاعات فرآیندی را آماده کنید.
حداقل اطلاعات مورد نیاز شامل موارد زیر است:
نوع سیال در هر دو طرف
دبی سیال
دمای ورودی و خروجی
فشار کاری و فشار طراحی
لزجت سیال
چگالی و ظرفیت حرارتی
میزان و اندازه ذرات جامد
احتمال رسوب
جنس مورد نظر یا الزامات متریال
شرایط نصب
روش مورد نظر برای شستشو
از سازنده نیز بهتر است فقط قیمت نخواهید. برگه محاسبات حرارتی و هیدرولیکی، نقشه ساخت، مشخصات متریال، گزارش تست فشار و مدارک مرتبط با جوشکاری و کنترل کیفیت را بررسی کنید.
در مبدل اسپیرال، کیفیت ساخت و دقت اجرای کانال ها اهمیت زیادی دارد. بنابراین سابقه ساخت واقعی سازنده و نمونه پروژه های مشابه، اطلاعات مفیدتری نسبت به یک تصویر کاتالوگی هستند.
برای مقایسه معیارهای انتخاب سازنده نیز می توانید سازندگان مبدل حرارتی در ایران را مطالعه کنید.
قیمت مبدل حرارتی اسپیرال به چه عواملی بستگی دارد؟
قیمت یک مبدل اسپیرال از یک عدد ثابت پیروی نمی کند.
سطح انتقال حرارت یکی از عوامل است. متریال عامل مهم دیگری است. فشار طراحی و ضخامت ورق و نوع اتصالات و تست ها و کیفیت جوش و روش ساخت هم روی قیمت اثر می گذارند.
شرایط سیال هم مهم است.
ساخت یک مبدل برای آب تمیز با ساخت مبدل برای سیال خورنده یا دوغاب یکسان نیست.
به همین دلیل وقتی کسی بدون پرسیدن مشخصات سیال یک قیمت قطعی برای مبدل اسپیرال می دهد باید در مورد آن قیمت کمی احتیاط کرد.
در قیمت مبدل حرارتی اسپیرال عوامل موثر بر هزینه را می توان جداگانه بررسی کرد.
اگر اسپیرال و پوسته و لوله هر دو برای پروژه قابل استفاده باشند مقایسه فقط قیمت خرید نیست. هزینه نصب و انرژی و شستشو و تعمیرات و توقف خط هم باید دیده شود.
برای همین قیمت مبدل حرارتی پوسته و لوله را هم می توان در کنار آن بررسی کرد.
سازنده مبدل اسپیرال چه مدارکی باید ارائه کند؟
برای تجهیزی که قرار است در یک خط صنعتی کار کند عکس محصول کافی نیست.
سازنده باید بر اساس قرارداد و مشخصات پروژه مدارک فنی لازم را ارائه کند. بسته به پروژه این مدارک می تواند شامل محاسبات حرارتی و هیدرولیکی و نقشه ساخت و گواهی متریال و گزارش تست فشار و مدارک جوشکاری باشد.
در پروژه های حساس مدارک بیشتری هم ممکن است لازم شود.
نکته مهم این است که مشخصات فنی باید با تجهیز واقعی که تحویل می شود یکسان باشد.
اگر دنبال سازنده مبدل اسپیرال هستید اطلاعات فرآیند را کامل ارسال کنید. سازنده باید بتواند توضیح دهد چرا ابعاد و متریال و شرایط طراحی انتخاب شده است.
نصب مبدل اسپیرال را از همان مرحله طراحی ببینید
یکی از اشتباهاتی که در پروژه ها زیاد دیده می شود این است که مبدل طراحی و ساخته می شود ولی فضای تعمیرات بعدا بررسی می شود.
در زمان نصب باید مسیر دسترسی به اتصالات و درپوش ها و تجهیزات جانبی دیده شود.
اگر قرار است درپوش برای شستشو باز شود فضای لازم باید در نقشه لحاظ شده باشد.
جهت نصب هم بسته به طراحی و شرایط فرآیند اهمیت دارد. تخلیه سیال و خروج هوا و روش شستشو می تواند تحت تاثیر جهت نصب قرار بگیرد.
این موارد روی کاغذ شاید ساده باشند ولی در سایت صنعتی وقتی تجهیز بین چند دستگاه دیگر گیر کرده باشد دیگر ساده نیست.
مبدل اسپیرال چه زمانی انتخاب مناسبی نیست؟
اگر فشار طراحی بسیار بالا است باید محدودیت های اسپیرال را جدی گرفت.
اگر دمای فرآیند خیلی بالا است باید شرایط متریال و طراحی مکانیکی بررسی شود.
اگر سیال کاملا تمیز است و مبدل پوسته و لوله به راحتی نیاز فرآیند را پاسخ می دهد ممکن است اسپیرال مزیت اقتصادی مشخصی ایجاد نکند.
اگر فضای تعمیرات برای باز کردن مبدل وجود ندارد باید از ابتدا نوع ساخت و روش سرویس مشخص شود.
پس این سوال که «اسپیرال خوب است یا بد؟» سوال درستی نیست.
سوال درست این است که آیا اسپیرال برای این سیال و این فشار و این دما و این برنامه تعمیرات انتخاب مناسبی هست یا نه.
و در نهایت اگر بخواهم به طور کامل جمع بندی کنم مقالم رو باید بگم :
از نگاه یک مهندس فرآیند و مکانیک جمع بندی کنیم مبدل اسپیرال بیشتر زمانی ارزش پیدا می کند که سیال شرایط سختی داشته باشد.
سیال لزج باشد.
دوغاب یا ذرات معلق داشته باشد.
احتمال رسوب بالا باشد.
فضای نصب محدود باشد.
یا لازم باشد انتقال حرارت در یک مسیر پیوسته و فشرده انجام شود.
در مقابل برای فشار و دمای بسیار بالا یا سرویس های خاص مکانیکی باید گزینه های دیگر هم بررسی شوند.
مبدل حرارتی یک خانواده بزرگ است و اسپیرال فقط یکی از اعضای آن است.
اگر سرویس شما مشخص است انتخاب باید از مشخصات سیال شروع شود و بعد به طراحی حرارتی و افت فشار و متریال و تعمیرات برسد.
در نهایت مبدلی که روی کاغذ خوب است ولی در سایت امکان شستشو یا تعمیر آن وجود ندارد انتخاب خوبی نیست. همین نکته ساده در پروژه های واقعی خیلی وقت ها از ده ها صفحه محاسبه مهم تر می شود.
