C. بالاجی ، ... Sateesh Gedupudi، in Heat Transfer Engineering، 2021

7.1 مقدمه
مبدل حرارتی وسیله ای است که روند تبادل حرارت بین دو مایعات را که در دماهای  مبدل حرارتی گ آ مختلف هستند تسهیل می کند. مبدل های حرارتی در بسیاری از کاربردهای مهندسی مانند سیستم های برودتی ، گرمایشی و تهویه مطبوع ، نیروگاه ها ، سیستم های فرآوری شیمیایی ، سیستم های پردازش مواد غذایی ، رادیاتورهای اتومبیل و واحدهای بازیافت حرارت زباله مورد استفاده قرار می گیرند. پیش گرم کننده های هوا ، اکونومایزرها ، اواپراتورها ، سوپرهیت ها ، کندانسورها و برج های خنک کننده مورد استفاده در نیروگاه چند نمونه از مبدل های حرارتی هستند.

این فصل پارامترهایی را نشان می دهد که بر عملکرد مبدل حرارتی تأثیر می گذارند و در مورد روشهای طراحی مبدل حرارتی یا پیش بینی عملکرد مبدلهای حرارتی موجود بحث شده است.

مبدل های حرارتی
G. Musgrove، ... L. Chordia، in Fundamentals and Applications of Supercritical Carbon Dioxide (sCO₂) based Cycles، 2017

8.1 مقدمه
مبدلهای حرارتی یک فناوری قادر برای تولید انرژی کارآمد با یک چرخه بسته و بازگردانی Brayton است که از دی اکسید کربن فوق بحرانی (sCO2) به عنوان سیال در حال کار استفاده می کند. مبدل های حرارتی بر کارایی کلی سیستم و اندازه سیستم تأثیر می گذارند. طراحی مبدلهای حرارتی باید بین اثر مبدل حرارتی و افت فشار تعادل برقرار کند تا بتواند بین کارایی سیستم و اندازه سیستم به تعویض مطلوب برسد. این مبادله بین کارایی سیستم و اندازه سیستم در هر یک از کاربردهای سیستم تبدیل انرژی متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال ، شکل 8.1 کارایی سیستم و وظیفه مبدل حرارتی جبران کننده (سرعت انتقال حرارت مورد نیاز) را برای یک چرخه قدرت Brayton بازیابی شده به عنوان تابعی از افت فشار و اثربخشی مبدل حرارتی recuperator نشان می دهد. برای راندمان 20٪ سیستم ، مبدل حرارتی recuperator به اثربخشی 93٪ با افت فشار 2٪ (Δp / p) نیاز دارد. برای کاهش اندازه رکوپتور ، می توان اثربخشی رکوکتور را به 80٪ در مقابل 93٪ کاهش داد. با این وجود ، بازده سیستم برای همان افت فشار در مبدل حرارتی به کمتر از 17 درصد می رسد. یک مطالعه نشان داد قیمت مبدل حرارتی گ آ که تغییر در اثربخشی recuperator از 90٪ به 85٪ باعث کاهش 50٪ هزینه recuperator می شود (کسلی و همکاران ، 2003).

برای بارگیری تصویر در اندازه کامل وارد سیستم شوید
شکل 8.1 تأثیر افت فشار و اثربخشی مبدل حرارتی recuperator بر (a) کارایی سیستم و (b) وظیفه مبدل حرارتی recuperator.

بازده سیستم چرخه برایتون معمولاً وقتی شرایط ورودی کمپرسور نزدیک به نقطه بحرانی سیال کار باشد تا حداکثر توان کمپرسور به حداکثر برسد. در نتیجه ، خصوصیات ترموفیزیکی sCO2 می تواند به طور قابل توجهی در یک مبدل حرارتی منفرد تغییر کند ، و مدل سازی مبدل حرارتی را پیچیده می کند. این تغییرات زیاد در خصوصیات سیال می تواند منجر به نقاط فشار ناگهانی دما شود ، همانطور که در فصل 3 بحث شد و توزیع جریان در یک مبدل حرارتی در حین کار. نقطه خرج کردن محلی است که در مبدل حرارتی قرار دارد زمانی که اختلاف دما بین دو سیال حداقل باشد. علاوه بر این ، فشارهای مرتبط با استفاده از sCO2 ممکن است مانع استفاده از برخی روشهای ساخت برای مبدلهای حرارتی شود. در کنار هم این دلایل طراحی مبدل های حرارتی را پیچیده می کنند و بدون طراحی دقیق ، مبدل های حرارتی انتخاب شده برای یک چرخه بسته Brayton با استفاده از sCO2 می توانند منجر به عملکرد ضعیف سیستم و وزن و حجم نامطلوب سیستم شوند.

مبدل های حرارتی
استفان هال ، در Rules of Thumb برای مهندسان شیمی برانان (چاپ پنجم) ، 2012

معرفی
مبدلهای حرارتی عناصر حیاتی در هر کارخانه فرآیند هستند. در حالی که اکثر مبدل ها از نوع پوسته و لوله هستند ، چندین نوع مهم دیگر نیز وجود دارد. انواع عمده تجهیزات انتقال حرارت عبارتند از:

•
پوسته و لوله

•
لوله فنلاندی

•
لوله برهنه

•
صفحه و قاب

•
مارپیچ

•
سیم پیچ صفحه ای

این فصل بر مبدلهای پوسته و لوله متمرکز است ، موضوعات مورد مبدل حرارتی GEA  علاقه مهندسان فرآیند معمولی را پوشش می دهد. مبدلهای صفحه ای و قاب و مارپیچ نیز بحث شده است.

چهار عامل بر عملکرد ، طول عمر و الزامات نگهداری تجهیزات انتقال حرارت و اجزای مربوطه تأثیر می گذارند [22]:

•
دانش اولیه و اسناد و مدارک مربوط به تمام پارامترهای عملیاتی. بدون پارامترهای عملکرد صحیح و اطلاعات کاربردی ، اندازه گیری مناسب و انتخاب مبدل های حرارتی غیرممکن است ، و تمام جنبه های عملکرد به خطر می افتد.

•
کدها و مشخصات طراحی تعیین یک مشخصه TEMA و فشار و دما مورد نیاز ASME ، تمام انتخاب های انتقال گرما را افزایش می دهد.

•
نصب و راه اندازی. پیروی از توصیه های نصب مناسب می تواند بسیاری از خرابی های زودرس را برطرف کرده و عملکرد و بازده واحد انتقال حرارت را بسیار بالا ببرد.

•
ارزیابی. همیشه انتخاب ها را از نظر یک دوره عملیاتی ده ساله با در نظر گرفتن همه عوامل ارزیابی کنید.

یک کتاب کار اکسل این فصل را همراهی می کند. کتاب کار