مبدل حرارتی

مبدل حرارتی چیست

به طور ساده می توان گفت که مبدل حرارتی دستگاهی است که حرارت را در اثر اختلاف دمای ایجاد شده بین دو سیال ، از یک سیال (گاز یا مایع) به سیال دیگر منتقل می کند. برای مثال یک مبدل حرارتی روغن ، حرارت روغن داغ را به آب یا هوا منتقل می کند و یا مبدل حرارتی استخر ، گرمای آب داغ بویلر را به آب استخر منتقل می کند (بدون تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر). از جمله مهمترین و پر کاربردترین مبدل های حرارتی می توان به نوع پوسته و لوله ، نوع هوا خنک (درای کولر) و نوع صفحه ای اشاره کرد که در تصویر زیر این سه نوع نشان داده شده است و همگی یک نوع دستگاه کاهنده دمای سیال (مایعات و گازها) محسوب می شوند.

انواع مبدل حرارتی

مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube):

یکی از رایج ترین انواع مبدل در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع و برودت صنعتی، مبدل حرارتی پوسته و لوله می باشد. همان طور که از نامش پیداست، این مبدل ها از تعدادی لوله تشکیل شده اند که درون پوسته ای استوانه ای قرار می گیرند. دو جریان سیال با دماهای اولیه متفاوت وارد مبدل می شوند. یکی از درون لوله ها و دیگری از درون پوسته (بیرون لوله ها) عبور می کند. حرارت از طریق دیواره لوله ها، بین دو سیال منتقل می شود، گاهی از سیال داخل لوله به سیال جاری در پوسته و گاهی بالعکس.

هریک از سیال ها می توانند از مایعات و یا از گازها باشند و این امکان نیز وجود دارد که هرکدام از درون لوله یا پوسته جریان بیابند. مبدلی که فقط سیال مایع و یا صرفاً سیال گاز در دو طرف آن (درون پوسته و لوله) جریان دارد را مبدل تک فازی می نامند. مبدل های دو فازی می توانند برای انتقال حرارت به مایع جهت جوشاندن و تبخیر آن (بویلر) و یا به منظور خنک کردن بخار برای چگالش آن (کندانسور) با تغییر فازی که عمدتاً در سمت پوسته اتفاق می افتد، بکار روند.

کاربرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله:

مبدل های حرارتی پوسته و لوله را حتی می توان رایج ترین نوع مبدل حرارتی دانست که عمدتاً جهت سرمایش و یا گرمایش مایعات و گازها مورد استفاده قرار می گیرند. انعطاف پذیری طراحی آن ها، امکان استفاده از مبدل را در دما و فشارهای مختلف و با سیال های متفاوت، فراهم کرده است. مبدل های حرارتی پوسته و لوله به طور گسترده در فرایندهایی که به سرمایش و یا گرمایش حجم زیادی از جریان مایع و یا گاز نیاز است، به کار گرفته می شوند. برخی از کاربردهای معمول مبدل های حرارتی پوسته و لوله عبارتند از: نیروگاه تولید برق، HVAC، تبرید، تولید کاغذ، داروسازی، پتروشیمی و پالایشگاه، تولید اسید سولفوریک، معادن و …

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate):

نوعی مبدل حرارتی است که از صفحات نازک فلزی جهت انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم استفاده می کند. صفحاتی با سطوح صاف و یا موج دار که ضمن ایجاد کانال هایی برای جریان های سیال، آن ها را از هم جدا می سازند. مزیت عمده مبدل های حرارتی صفحه ای در مقایسه با سایر مبدل های رایج، این است که جریان سیال در معرض سطح بزرگتری برای تبادل گرما قرار می گیرد. چراکه سیال های سرد و گرم روی صفحات فلزی کاملاً پخش می شوند؛ در نتیجه انتقال حرارت بهتری صورت گرفته و تغییر دما با سرعت بیشتری اتفاق می افتد. چنانکه نزدیکی دما (Temperature Approach) در یک مبدل حرارتی صفحه ای می تواند به اندازه 1 درجه سانتی گراد باشد، در حالی که در مبدل های پوسته و لوله، حدود 5 درجه سانتی گراد است. بنابراین برای نرخ یکسانی از انتقال حرارت، اندازه یک مبدل حرارتی صفحه ای به مراتب کوچکتر از ابعاد یک مبدل پوسته و لوله خواهد بود؛ زیراکه سطوح انتقال حرارت بزرگی، به صورت فشرده توسط صفحات مبدل ایجاد می شود. لذا، امروزه بکارگیری مبدل های حرارتی صفحه ای در صنایع مختلف فراگیر شده است

مبدل حرارتی لوله مارپیچ:

این نوع از مبدل‌های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده‌اند که ابتدا و انتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می‌شود و محفظه‌ای اطراف آن را می‌پوشاند.

معمولا جنس لوله‌های مارپیچ از فولاد کربن‌دار یا مس و آلیاژهای آن و یا استنلس استیل و آلیاژهای نیکل می‌باشد. معمولا ابعاد این دسته از مبدل‌ها در مقایسه با سایر مبدل‌های لوله‌ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیرهای منحنی و پیچ‌دار بیشتر از مسیر مستقیم است.

از مزایا و معایب این نوع از مبدل‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا:

1. راندمان بالا
2. مونتاژ آسان
3. مقاومت مکانیکی بالا در مقابل انبساط و انقباض
4. مناسب برای دبی‌های کم و بارهای حرارتی پایین

معایب:

1. به دلیل کوچک بودن لوله مارپیچ تعمیر و جوشکاری آن‌ها مشکل و زمان‌بر است.
2. به دلیل مارپیچ بودن لوله‌ها تمیز کردن آن‌ها عملا مشکل است.