آشنایی با انواع مبدل های حرارتی دیدگاه بگذارید

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) از تجهیزات بسیار مهم جهت انتقال حرارت بین دو یا چند سیال (گاز یا مایع) است. مبدل ها در دو فرآیند سرمایشی و گرمایشی کاربرد دارند و در انواع متفاوتی ساخته می شوند. سیالاتی که مبدل ها باعث تبادل حرارت در آنها می شوند، معمولا در دماهای متفاوتی هستند و این سیالات می توانند مایع با مایع و یا مایع با گاز باشند. امروزه با پیشرفت تکنولوژی دستگاه های صنعتی بسیار پیشرفته ای ساخته شده اند که در آنها از مبدل های حرارتی به منظور تبادل دما استفاده می شود؛ برای مثال در چیلرها، موتورخانه ها، سیستم های گرمایشی پکیج، سیستم های برودتی و … از انواع مبدل های حرارتی برای انتقال گرما و یا سرما استفاده می کنند.

همان گونه که ذکر شد، مبدل ها در مدل های متفاوتی تولید می شوند و این عامل موجب شده با توجه به ویژگی که دارند در تجهیزات صنعتی کاربرد داشته باشند. در این مقاله در مورد انواع مبدل های حرارتی و کاربردهای آنها توضیحاتی آورده شده و سعی بر این بوده که در مورد ساختار و عملکرد آنها مطالب مهم و جامعی ارائه شود.

دسته بندی انواع مبدل های حرارتی

برحسب سطح تماس دو سیال

با توجه به سطح تماس دو سیال، مبدل ها را به چندین دسته متفاوت تقسیم می کنند:

• مبدل های حرارتی Recuperative: در این مبدل، سیال سرد و گرم با استفاده از یک سطح جامد از یکدیگر جدا می شوند و انتقال حرارت با استفاده از همین سطح انجام می گیرد. لازم به ذکر است که این مبدل ها از پرکاربردترین مبدل هایی هستند که در صنعت و در ساخت دستگاه های مختلف از آن ها استفاده می کنند.
• مبدل حرارتی نوع Regenerative: از این مبدل بیشتر در آزمایشگاه ها استفاده می شود و در آن سطح جدا کننده سیال سرد و گرم، ثابت نیست و متناوبا قسمت هایی از سطح جدا کننده در معرض حرکت سیال سرد و گرم قرار می گیرد.
• مبدل های حرارت با تماس مستقیم: این مبدل دارای عملکرد متفاوتی است و سیال گرم و سرد در آن مستقیما با یکدیگر در تماس هستند و از تفکیک کننده در آنها استفاده نشده است. توجه داشته باشید که دو سیال این مبدل باید غیرقابل ترکیب باشند تا هیچگونه مشکلی پیش نیاید. استفاده از انواع مبدل های حرارتی با توجه به نوع دستگاه متفاوت است.

برحسب جهت جریان دو سیال

• مبدل های جریان مخالف: در این مبدل ها جریان گرم و سرد در جهت های مخالف هستند.
• مبدل های جریان موازی و یا هم جهت: با توجه به اینکه از نام این مبدل ها نیز مشخص است، جهت جریان سرد و گرم در آن بصورت موازی است. هم جهت بودن جریان سرد و گرم باعث می شود تا دمای آنها با یکدیگر یکسان نباشد. این مبدل ها نسبت به مبدل های همسو دارای سطح انتقال کمتری هستند.
• مبدل های جریان متقاطع: جریان دو سیال در این مبدل ها موازی نیست. نمونه کاملا بارز از این مبدل ها مربوط به خودروها است.

برحسب ساختمان مکانیکی و ساختار

• مبدل های حرارتی صفحه ای: این مبدل ها متشکل از چندین صفحه نازک هستند که سیالات سرد و گرم در بین این صفحات شیاردار جریان دارند. جنس این صفحات از فولاد ضد زنگ است و با استفاده از واشرهای پلیمری از هم جدا شده اند. از جمله دستگاه هایی که مجهز به مبدل صفحه ای هستند، پکیج های استخری سه مبدل هستند که وظیفه آنها گرم کردن آب استخر است. گروه ماشین سازی هیمورا از سازندگان بزرگ پکیج های استخری در ظرفیت ها و مدل های متفاوت می باشد.
• مبدل های لوله ای: این نوع مبدل از متداول ترین مبدل هایی است که در سیستم های حرارتی و پالایشگاه های نفت و کارخانجات از آن استفاده می شود. به این نوع مبدل، مبدل پوسته و لوله نیز گفته می شود و متشکل از یک مخزن تحت فشار و مجموعه ای از لوله های موازی و نزدیک به هم است. این مبدل ها در فرآیندهای صنعتی برای تولید بخار، بازیابی آن، خنک سازی، پیش گرمایشی و عملیات هایی مشابه مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله سیستم هایی که این مبدل ها در ساختار آنها استفاده شده، پکیج ها هستند که وظیفه گرم کردن آب رفت به شوفاژها با استفاده از آن انجام می گیرد. انواع مبدل های حرارتی با توجه به ویژگی هایی که دارند انتخاب و در تجهیزات صنعتی استفاده می شوند.
• مبدل های حرارتی با سطح پره دار: سطح پره دار این مبدل های حرارتی باعث افزایش سطح انتقال گرما می گردد. این مبدل ها، خود در چندین مدل متفاوت با ساختار و عملکرد متمایزی هستند.

مهم ترین عوامل تاثیر گذار در انتخاب مبدل های حرارتی

بدلیل تنوع بسیار بالایی که مبدل های حرارتی دارند، انتخاب آنها به نوع دستگاه و انتقال گرما در بین سیالات بستگی دارد. مهندسین و متخصصین صنعتی در زمان طراحی این سیستم ها به برخی موارد مهم توجه می کنند. برخی از این پارامترها در ادامه آورده شده است:

نوع مایعات

در صورتی که نوع سیال استفاده شده در داخل مبدل های حرارتی دارای حالت خورنده باشند، طراحی مبدل حرارتی باید به گونه ای باشد که قادر به تحمل این تنش ها در فرآیند گرمایش و سرمایش بالا باشد.

خروجی های حرارتی موردنظر

منظور از این حالت، میزان گرمای انتقالی بین سیالات و تغییر دمایی است که بین آنها ایجاد می گردد؛ برای مثال، زمانی که گرما از یک سیال خارج می شود، دمای آن کاهش یافته و دمای مایع و سیال دیگر افزایش پیدا می کند. توجه داشته باشید که خروجی حرارتی مطلوب به طراحی بهینه مبدل حرارتی کمک می کند.

محدودیت اندازه

از دیگر موارد مهم در انتخاب یک مبدل حرارتی، توجه به ابعاد و اندازه آن است. در زمان انتخاب مبدل حرارتی، مبدلی دارای کارایی عالی است که انتقال گرمایی بهتری داشته باشد، نه اینکه اندازه آن بزرگ باشد؛ برای نمونه در سیستم های حرارتی مانند پکیج ها استفاده از مبدل های جمع و جورتر کارایی بیشتری خواهد داشت.

هزینه ها

آخرین پارامتری که مورد توجه کاربران است، هزینه ای است که صرف خرید و حتی نگهداری از مبدل حرارتی می شود. علاوه بر قدرت انتقال حرارت در مبدل ها، استهلاک و نگهداری از آن نیز بسیار حائز اهمیت است؛ برای مثال ممکن است در ابتدای کار از مبدلی استفاده کنید که گران باشد اما با این وجود عمر بالا، قدرت انتقال حرارت زیاد و نگهداری راحتی داشته باشد. مطمئنا که انتخاب چنین مبدلی به صرفه و اقتصادی خواهد بود. انواع مبدل های حرارتی با توجه به ساختار و توانایی انتقال دما، تعمیر و نگهداری متفاوتی دارند.

کلام پایانی

مبدل های حرارتی از مهم ترین قطعات مورد استفاده در تجهیزات صنعتی حرارتی و برودتی هستند و بایستی با توجه به نوع دستگاه انتخاب شوند. مبدل های حرارتی متنوعی وجود دارند که هر کدام ساختار متفاوتی داشته و با توجه به ویژگی موردنظر در تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. زمانی که دستگاهی خریداری می شود باید حتما به نوع مبدل آن توجه داشته باشید، زیرا هر چقدر کیفیت آن عالی باشد قابلیت انتقال دمای بالایی خواهد داشت. از دستگاه های صنعتی که نوع مبدل استفاده شده در آنها از اهمیت بالایی برخوردار است، سیستم های حرارتی پکیج هستند که حرارت انتقال شده به آب با استفاده از مبدل ها انجام می گیرد.