مبدل حرارتی چیست و طرز کار آن چگونه است؟

امروزه، تقریبا اکثر کشور های دنیا به سوی صنعتی شدن و صنعتی سازی تولیدات خود گام برمیدارند. با توجه به نیاز مبرم صنایع مختلف به انرژی و همچنین محدودیت منابع انرژی در دنیا، مباحث پیرامون ذخیره سازی و جلوگیری از اتلاف انرژی از اهمیت خاصی برخوردار است.علاوه بر حفظ محیط زیست که یکی از مهم ترین دغدغه های امروزی به شمار می آید، ذخیره سازی انرژی نیز منافعی برای صنایع ایجاد می کند.

افزایش راندمان واحد های صنعتی جهت تولید و سوددهی بیشتر، افزایش قیمت انرژی، افزایش تاثیر مخرب گازهای گلخانه ای و... واحد های صنعتی را ملزم به تلاش برای جلوگیری از اتلاف انرژی و ذخیره سازی آن کرده است. استفاده از مبدل های حرارتی(heat exchanger) یکی از موثرترین راهکار ها برای دستیابی به این مهم است.

در ادامه به اینکه، مبدل حرارتی چیست؟ چه کاربردهایی دارد؟ انواع مبدل های حرارتی، شماتیک و چگونگی عملکرد برخی از این مبدل ها میپردازیم.(با ما همراه باشید)

مبدل حرارتی چیست؟

درباره مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی دستگاهیست که وظیفه انتقال حرارت از سیالی به سیال مجاور را بر عهده دارد.در واقع می توان گفت: قابلیت نگهداری و باز استفاده گری حرارت های تولید شده در صنعت، یکی از عوامل و قابلیت های مهم این دستگاه ها برای طراحان خطوط صنعتی است.
مبدل های حرارتی، به صورت بهینه عملیات انتقال حرارت را از سیال (مایع یا گاز) به سیال دیگر انجام میدهند، با توجه به محدودیت منابع انرژی و افزایش قیمت آن ومانع هایی در رابطه با حفظ و حراست از محیط زیست استفاده از این دستگاه ها در صنعت، منطقی وبه صرفه میباشد. این تجهیزات براساس کاربرد، دما، فضای استفاده و نوع سیال هایی که مورد استفاده قرار میگیرند،طراحی های مختلف با آلیاژ های متفاوتی را دارند، اما اکثرا از یک اصول پیروی میکنند، اینگونه که حرارت(گرما یا سرما) را بین دو سیال (مایع یا گاز) انتقال میدهند بدون اینکه دو ماده با هم تماس یا برخورد داشته باشند.در برخی مبدل ها نیز، دو سیال انتقال حرارت یا انرژی را از طریق تماس مستقیم انجام میدهند. به عنوان مثال، کولر آبی خانگی یا برج های خنک کننده مدار باز یک مبدل حرارتی با سیستم تماس مستقیم دو سیال است.
مبدل های حرارتی می توانند عملیات انتقال حرارت ، بین دو یا چند سیال را انجام دهند.این فرایند می تواند بین 'مایع و مایع'،'گاز و گاز' و همچنین بین 'مایع و گاز' به وسیله مبدل های حرارتی صورت پذیرد.
کاربردهای گوناگونی دراستفاده ازمبدل های حرارتی وجود دارد، و بر اساس نوع بکارگیری آنها، میتوانند گرمایشی یا تبریدی(خنک کننده) باشند. در میان مبدل های حرارتی،دو نوع مبدل حرارتی پوسته و لوله و مبدل حرارتی صفحه ای بیش از سایر موارد کاربرد دارند. همانطور که گفته شد،مبدل های حرارتی نحوه کار یکسانی دارند اما بر اساس ویژگی های طراحی به چند دسته اصلی تقسیم میشوند که عبارت اند از:

شکل جریان یا جهت ورود و خروج سیال
طراحی و روش ساخت
نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
مکانیسم انتقال حرارت ( میتوان آنرا به عنوان مهم ترین دسته بندی در مورد مبدل های حرارتی دانست).

هریک از این گزینه ها، خود به چند شاخه تقسیم می شوند که در ادامه توضیح خواهیم داد.

کاربرد مبدل حرارتی

از کاربرد های مبدل حرارتی می‌توان به موارد ذکر شده زیر اشاره نمود.

سیستم های کندانسور و اواپراتور در صنعت تهویه مطبوع
سیستم گرمایش استخر ها و صنعت تأسیسات
جکوزی و دوش آب گرم
صنایع قند و شکر
صنایع نساجی
صنایع نفت، گازو پتروشیمی
صنایع شیمیایی
صنایع داروسازی
صنایع مواد غذایی و لبنی
صنایع دریایی
و...

انواع مبدل حرارتی

در ادامه با انواع مبدل حرارتی و نحوه عملکرد هرکدام آشنا می‌شویم.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchanger)، شامل یک دسته لوله بوده که سیال گرم شونده یا سرد شونده در داخل آن جریان دارد،سیال دوم در داخل پوسته و روی دسته لوله جریان میابد تا تبادل حرارت بین دو سیال صورت پذیرد.مبدل های حرارتی پوسته و لوله حضور پر رنگ و گسترده ای در صنایع نفت و پتروشیمی دارند.بازدهی قابل توجه این مبدل ها نسبت به هزینه های خرید و نگهداری آنها باعث شده تا این نوع از مبدل ها مورد استقبال بسیاری از واحدهای صنعتی قرارگیرند.
اگر بخواهیم به دو نمونه از کاربرد های این نوع از مبدل ها اشاره کنیم، استفاده برای تقطیر نفت خام درصنعت نفت مثال خوبیست،همچنین در سیستم های گرمایشی استخر ها و جکوزی به دلیل افت فشار و رسوب گیری کمترنسبت به دیگر مبدل ها،ازمبدل های حرارتی پوسته و لوله استفاده می شود.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی صفحه ای

این مبدل ها اولین بار دراوایل قرن بیستم برای پاستوریزه کردن صنعتی شیر ساخته شدند ولی امروزه به دلیل عملکرد مناسب و راندمان بالا در بسیاری از واحدهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.
از مهمترین اجزاء تشکیل دهنده مبدل های حرارتی صفحه ای (plate heat exchanger)، تعداد زیادی صفحات نازک فلزی موجدار به صورت متوالی می باشند، در بین این صفحات، کانال هایی به صورت یکی در میان برای عبور سیالات وجود دارد.سیال های سرد و گرم پس از جاری شدن درون مبدل، از این کانال ها عبور کرده و بدون تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر، به واسطه همین صفحات فلزی، تبادل حرارت صورت میگیرد.
این صفحات عمدتا از استیل یا فولاد ضد زنگ ساخته می شوند،اما در برخی کاربرد های خاص مانند صنایع دریایی، به دلیل رسوبات و خورندگی بالای آب دریاها،از آلیاژهای متفاوتی مانند تیتانیوم استفاده می شود. مبدل های حرارتی صفحه ای،در مدل های جوشی،نیمه جوشی،لحیمی و واشر دار ساخته می شوند.
مدل های جوشی،نیمه جوشی و لحیمی ازاین نوع مبدل، برای فشار های بالا و مبدل های صفحه ای واشردار برای فشار های متوسط و کم مناسب می باشند.
مبدل های صفحه ای جوشی(brazed)معمولا در ساختمان ها، گرمایش و تهویه مطبوع و مبدل های صفحه ای واشردار(gasket) بیشتر در صنایع بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند. در مبدل های صفحه ای واشردار، صفحات با پیچ و مهره و واشر بین صفحات، به یکدیگر متصل و کاملاً آب بندی گردیده اند.
مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی دولوله ای

از مبدل های حرارتی دو لوله ای (double tube heat exchanger)، میتوان به عنوان ساده ترین شکل مبدل ها نام برد.
ساختارو روش کار این مبدل ها به این شکل است که: دو لوله هم مرکز(تو در تو) وجود دارد که سیالی از درون لوله داخلی عبور کرده و سیال دوم در فضای بین دو لوله جریان می یابد. دیواره لوله داخلی وظیفه تبادل حرارت بین دو سیال را بر عهده دارد.
سیالات میتوانند هم جهت و یا خلاف جهت حرکت همدیگر درون لوله ها روان باشند، به اصطلاح همسو یا ناهمسو باشند.
میزان تبادل حرارت در مبدل های جریان ناهمسو بیش از میزان این تبادل در مبدل های حرارتی جریان همسو می باشد.
با وجود معایبی همچون میزان و سطح انتقال حرارت پایین،نیاز به فضای بیشتر و اینکه نوع جریان عمود بر هم در این مبدل ها امکان پذیر نیست،از مبدل های حرارتی دو لوله ای همچنان در صنایع مختلفی استفاده می شود، زیرا میتوانند وقتی که شدت جریان سیال درون لوله ها کم، یا جایی که بین دو سیال اختلاف دما و فشار زیاد وجود دارد بهتر از مبدل های دیگر عمل کرده و عملیات انتقال حرارت را حتی وقتی سیالات به شدت رسوبی هستند نیز انجام دهند. مانند موادی که در راکتور ها استفاده می شوند.
مبدل حرارتی دو لوله ای

مبدل حرارتی هواخنک

به مبدل هایی که فرایند انتقال دما را به وسیله هوا انجام می دهند، مبدل های هواخنک (air cooled heat exchanger) گفته می شود.
مبدل های حرارتی هواخنک از سیستم جریان عمود بر هم سیالات استفاده میکند.کندانسور و اواپراتور ها و حتی سیستم خنک کنندگی اکثر خودروهای موجود که متشکل از رادیاتور و فن می باشند مبدل حرارتی هواخنک به شمار می آیند.
این مبدل ها به طور کلی از سه بخش تشکیل میشوند:

1- فین ها: پره هایی که لوله هارا جهت بالابردن سطح تماس دو سیال احاطه کرده اند، پره ها هم میتوانند از جنس های مختلف باشند ولی عمدتا آلومینیومی هستند
2- لوله ها: وابسته به سیالی که درون لوله ها جریان دارد،جنس آنها میتواند متغیر باشد
3- فن: یک مبدل هواخنک از یک تا چندین فن میتواند داشته باشد.

عملیات تبادل حرارت در مبدل های هواخنک اینگونه است که: سیال درون لوله های فین دار(پره دار) در گردش است و سیال دوم (هوا) به وسیله فن یا فن ها به درون پره ها جهت برخورد با جداره ی لوله ها و فین ها دمیده یا مکیده میشود تا سیالی که درون لوله ها در جریان است حرارت خود را از دست داده و خنک شود.

دمـاتجهیــز؛ بهترین قیمت ها و برند های تجهیزات تأسیسات ساختمان

دسته بندی مبدل های حرارتی

همانطور که در بخش توضیح مبدل های حرارتی گفته شد:
نحوه کار مبدل ها عمدتا به یک شکل است اما پس از بررسی چند نمونه از مبدل های حرارتی دیدیم که از لحاظ طراحی و ساخت، دارای تمایز هایی میباشند. مهندسان و طراحان خطوط صنعتی، با در نظر گرفتن نوع فعالیت،نوع مواد و فضایی که قرار است از مبدل حرارتی استفاده شود، دستگاه مناسب را انتخاب کرده و بکار میگیرند. طبق تفاوت در ساختار و هدف استفاده کننده از مبدل های حرارتی، آنها به چند دسته اصلی تقسیم می شوند که به شرح زیر هستند:

شکل جریان یا جهت ورود و خروج سیال ها

سیال ها به سه شکل در مبدل های حرارتی جریان می یابند، همسو، غیرهمسو و عمود برهم.

در جریان همسو(هم جهت)، سیالات به طور موازی و هم جهت با هم وارد مبدل شده و به سمت خروجی روانه می شوند. لازم به ذکراست: در مبدل های حرارتی جریان همسو،دمای سیال سردی که ازمبدل خارج می شود، نمیتواند به دمای سیال گرم خروجی برسد.

شکل جریان همسو

جریان غیرهمسو(مخالف جهت)،اینگونه است که: مانند جریان همسو سیالات به موازات یکدیگر حرکت میکنند، اما خلاف جهت هم از مبدل عبور میکنند. جریان حرکت غیر همسوی سیالات، راندمان بالاتری نسبت به جریان همسو دارد، به طوری که حتی دمای سیال سرد خروجی میتواند از دمای سیال گرم خروجی بیشتر باشد.

شکل جریان غیرهمسو

در جریان عمود بر هم (متقاطع)، همانطور که از نامش پیداست، سیالات به صورت موازی تبادل حرارت نمیکنند، بلکه به صورت عمودی و افقی با هم برخورد غیرمستقیم دارند و به این ترتیب انتقال دما انجام می شود. مبدل های حرارتی هواخنک و حتی برج های خنک کننده نیز اغلب اینگونه عمل میکنند.

شکل جریان متقاطع

نوع و سطح تماس سیال ها با یکدیگر (سرد و گرم)

نوع و سطح تماس سیال ها، مبدل ها را به سه دسته تقسیم میکنند.

Recuperative: در مبدل های حرارتی نوع Recuperative ، سطح جامدی وجود دارد که ثابت مانده و مانع تماس مستقیم سیالات می شود.حرارت از سیالی به سیال مجاور به واسطه سطح جامد مذکور منتقل می شود. این نوع از مبدل ها پرکاربردترین و رایج ترین مبادله کننده های حرارتی در صنایع مختلف به شمار می آیند.
Regenerative: در این نوع از مبدل ها هم سطح جدا کننده بین دو سیال وجود دارد با این تفاوت که سطح جدا کننده در مبدل های Regenerative ثابت نیست و به صورت یکی پس از دیگری قسمت هایی از این سطح در معرض تحرکات سیال های گرم و سرد قرار میگیرند.
تماس مستقیم: نوع دیگر از مبدل های حرارتی عملیات تبادل را با روش تماس مستقیم بین دو سیال انجام میدهند.یعنی بین دو سیال برای انتقال حرارت به یکدیگر مانع یا سطح جامدی وجود ندارد و سیال ها مستقیما با هم در تماس هستند. در توضیحات قبلی مبدل های حرارتی، کولر های آبی خانگی و برج های خنک کننده مدار باز که از این نوع مبدل ها هستند اشاره شد.

مکانیسم انتقال حرارت بین سیال گرم و سرد

مبدل های حرارتی از دو نوع مکانیسم تک فاز و دوفاز برای انتقال حرارت بین سیالی استفاده میکنند.

نوع تک فاز: در این نوع از مکانیسم انتقال حرارت، ماده شکل خود را از دست نمی دهد. به طور مثال: اگر دو سیال مایع باشند، حرارت از سیال گرم به سیال سرد منتقل می شود بدون اینکه هیچ کدام از آنها تغییر شکل بدهند.در پایان فرایند همچنان مایع باقی می مانند و به گاز یا جامد تبدیل نمیشوند.
نوع دو فاز: برخی از مبدل های حرارتی مانند مبدل های لوله ای و مبدل های پوسته و لوله دو فاز هستند، سیال در طول فرایند انتقال حرارت تغییر شکل می دهد و از مایع به گاز یا بلعکس تبدیل می شود. مثال: کندانسور و اواپراتورها و دیگ های بخار

سخن پایانی

در سایت مجموعه تخصصی دماتجهیز، اطلاعات فنی ده ها مدل از انواع مبدل حرارتی پوسته لوله و صفحه ای، از برندهای معتبر با گارانتی اصلی، جهت برخورداری شما عزیزان از حس خوب خرید بهینه و هوشمند ارائه گردیده است. برای دریافت اطلاعات بیشتر و مشاوره خرید می توانید در ساعات اداری با کارشناسان بخش تجهیزات گرمایشی در مجموعه دماتجهیز تماس بگیرید.

مقالات مرتبط

جهت کسب اطلاعات بیشتر، پیشنهاد می‌شود مطالب مرتبط با مقاله "مبدل حرارتی چیست و چه کاربردی دارد؟" را نیز مطالعه فرمایید.

ئماتجهیز