مبدل های حرارتی، دستگاه‌هایی هستند که به کمک آنها می‌توان در اثر تماس غیرمستقیم دو سیال، سیالی را سرد یا گرم کرد. در مورد این که کدام یک از دو سیال داخل لوله و کدام یک خارج لوله و در پوسته جریان داشته باشد، می‌توان معیارهای زیر را مدنظر قرار داد.
بهتر است سیال با ظرفیت حرارتی بیشتر در لوله داخلی و سیال با ظرفیت کمتر در لوله خارجی باشد، چون با نصب ظرفیت فین (پره) در لوله خارجی می‌توان ضریب کلی انتقال حرارت (U) را افزایش داد.
سیال خورنده در لوله داخلی جریان داشته باشد تا در اثر نشت احتمالی به محیط نشت نکند.
بهتر است فاز سمی در لوله داخلی جریان داشته باشد تا در اثر نشت احتمالی به محیط نشت نکند.
سیالی که دمای آن به دمای محیط نزدیک‌تر است، در لوله خارجی باشد.
سیالی که تمایل به رسوب‌گذاری بیشتری دارد در لوله خارجی باشد.
مطابق شکل 1-1، برای محاسبه انتقال حرارت بین دو سیال می‌توان از روابط زیر استفاده نمود:
qA = mA cPA (T2 – T1)A (شکل و معادلات در فایل اصلی موجود است)
qB = mB cPB (T1 – T2)B
q = AU∆TLn
AU = AoUo = AiUi
= LMTD
که در این رابطه، U ضریب کلی انتقال حرارت، Ui ضریب کلی انتقال حرارت مربوط به سطح داخلی و ∆Tln متوسط لگاریتمی اختلاف دما (Log Mean Temperature Difference) می‌باشد.
شکل 1-1 مبدل حرارتی دو لوله‌ای و مدار الکتریکی مشابه آن
(شکل در فایل اصلی موجود است)
آرایش مختلف جریان‌ها در مبدل‌های حرارتی در شکل 1-2 آورده شده است. در این شکل، محور افقی تمام حالت‌ها معرف طول مبدل می‌باشد.
در مورد تبخیرکنننده حالت (و) می‌توان گفت که جریان با دمای بالاتر انرژی خود را به جریان خنک‌تر می‌دهد و باعث به جوش آوردن جریان با درجه حرارت پایین در درجه حرارت ثابت می‌شود، به‌طور مشابه در حالت (د) این وضعیت برقرار است.
برای داشتن سرعت بیشتر، لوله‌های کوتاهتر و کاهش مشکل انبساط از مبدل‌های چند مسیره استفاده می‌شود.
شکل 1-2 آرایش مختلف جریان ها در مبدل‌های حرارتی
همانطور که قبلاً اشاره شد، رابطه بالا برای مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای صادق است، ولی اگر مبدل به صورت‌های دیگر (مبدل با یک پوسته و با مضربی از دو مسیر لوله، با دو پوسته و با مضربی از چهار مسیر لوله، مبدل حرارتی با جریان عمود بر هم یک مسیره که هر دو سیال غیرمخلوط هستند و ...) باشد مقدار گرمای انتقال یافته از رابطه زیر به دست می‌آید.
q = AUF∆Tln
که F ضریب تصحیح بوده و مقدار F برای انواع مختلفی از دیاگرام‌های مربوط به دست می‌آید. طراحی مبدل (محاسبه سطح مبدل) در صورت منوط به انجام حدس و خطاست، ولی با تعریف کارایی مبدل حرارتی، این طراحی آسان‌تر صورت می‌گیرد. این روش که ناسلت آن را پایه‌گذاری کرد به نام روش تعداد واحدهای انتقال (N.T.U یا Number of Transfer Unit) معروف است. در ادامه به طور خلاصه به این روش پرداخته می‌شود:
انتقال حرارت واقعی
= کارایی مبدل حرارتی =
ماکزیمم انتقال حرارت
با توجه به اینکه q = CH(THi – Tho) = CC(TCo – Tci) (توجه شود که C=m.c که c ظرفیت حرارتی است). به راحتی می‌توان دریافت که هر جریان که دارای بیشتری اختلاف دما باشد، باید کمترین C را نیز داشته باشد. یعنی:
Cc > Cmin یا CH > CC " ∆Tc > ∆TH (1 اگر
CH > Cmin یا CC > CH " ∆TH > ∆Tc (2 اگر
چون در تعریف کارآیی، برای ماکزیمم انتقال حرارت (مخرج تعریف) سطح مبدل را بی‌نهایت تصور می‌کنیم. پس دمای خروجی جریان سرد (در حالت CH > CC) می‌تواند به دمای ورودی جریان گرم برسد (به‌طور مشابه دمای خروجی جریان گرم در حالت CH
شکل 1-3 توزیع دما در مبدل مختلف جریان سرد بیشترین اختلاف دما را دارد.
اهمیت این رابطه در طراحی این است که فقط احتیاج به دانستن دماهای ورودی جریان گرم و سرد است، البته به شرط آن که کارایی مبدل حرارتی () معلوم باشد.
محاسبات ریاضی نشان داده است که کارآیی مبدل‌ها فقط تابعی از نسبت‌های می‌باشد که U ضریب کلی انتقال حرارت و A سطح مبدل حرارتی است، دو حالت بسیار ساده زیر موید این مطلب است:
< >در صورتی که در مبدل مختلف الجهت C=1 باشد، داریم:< >در صورتی که کندانسور و یا تبخیرکننده داشته باشیم، ملاحظه شد که دمای یک جریان ثابت می‌ماند، در مورد این جریان C = 0 or Cmax " ∞
در ضمن هرچه NTU بیشتر شود، کارایی مبدل بیشتر می‌شود، به شرط آن که در مورد مبدل‌های هم‌جهت مقدار NTU از سه و در مبدل‌های مختلف‌الجهت مقدار NTU از 5 بیشتر نباشد. کاهش نسبت نیز بر افزایش کارایی مبدل اثر دارد، ولی این کاهشِ نسبت نمی‌تواند تا صفر شدن دبی یکی از جریان‌ها ادامه یابد، چرا که در این صورت از مبدل تنها یک جریان عبور می‌کند که با اساس کار مبدل منافات دارد.
منبع:
< >معاضد، محمدتقی و دیگران، مهندسی شیمی، انتشارات ارکان، زمستان 1379