مبدل حرارتی 

مبدل حرارتی ( Heat exchanger )  دستگاهی است که برای انتقال حرارت بین دو سیال گرم و سرد بدون تماس مستقیم دو سیال استفاده می گردد. به عنوان مثال یک مبدل حرارتی روغن ، حرارت روغن داغ را به آب یا هوا منتقل می کند و یا مبدل حرارتی استخر ، گرمای آب داغ دیگ بخار را بدون تماس مستقیم با آب استخر، به آن انتقال می دهد. در شکل زیر چند نمونه از مبدل های حرارتی نشان داده شده است.

مبدل های حرارتی را می توان بر اساس ساختار کلی آن ها به چهار دسته مهم زیر دسته بندی کرد:

ساده ترین نوع مبدل های حرارتی هستند که از دو لوله هم مرکز ساخت می شوند به طوری که یکی از سیال ها از داخل لوله با قطر کوچکتر و دیگری از فضای بین دو لوله عبور می کند و بدین تریب انتقال حرارت بین دو سیال اتفاق می افتد. در این مبدل حرارتی به دلیل کم بودن سطح تماس یا سطح انتقال حرارت بین دو سیال، انتقال حرارت با کمترین میزان اتفاق می افتد و بازدهی پایینی دارد. لذا اغلب برای داشتن سطح انتقال حرارت بالا فضای بین دو لوله فین گذاری می شود که این فین گذاری در ازای افزایش نرخ انتقال حرارت باعث کاهش فشار سیال خارجی نیز می گردد. 

کاربرد مبدل حرارتی دو لوله ای: از مبدل حرارتی دو لوله ای اغلب برای انتقال حرارت بین دو سیال گازی شکل با فشار بالا استفاه می گردد. به طور کلی از این مبدل برای مواردی که میزان انتقال حرارت پایین بوده و یکی یا هر دو سیال دارای فشار بالایی می باشد استفاده می گردد.  مبدل های حرارتی دو لوله در صنایع غذایی بیشترین کاربرد را دارند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از انواع مبدل حرارتی است که از یک پوسته و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است به طوری که سیال خنک کننده در داخل لوله ها سیال خنک شونده اطراف لوله ها و در داخل پوسته جریان دارند. یکی از تفاوت های اصلی مبدل پوسته و لوله نسبت به مبدل دو لوله ای، بالا بودن تعداد لوله های داخلی و در نتیجه بیشتر شدن سطح تبادل حرارتی دو سیال است. لوله های داخلی، اغلب از جنس مس که ضریب انتقال حرارت بالایی دارد، ساخته می شود.

 طرح کلی مبدل حرارتی پوسته و لوله : به طور کلی مبدل های پوسته و لوله در سه طرح مختلف زیر ساخته می شوند:

• تک پاس با دو تیوب شیت: در این نوع مبدل حرارتی، لوله های داخلی توسط تیوب های ابتدا و انتهای مبدل نگه داشته می شوند و دو سر انتهایی لوله ها باز است. علت نام گذاری تک پاس به این مبدل آن است که جریان سیال خنک کننده از از یک طرف وارد لوله های داخلی می شود و از طرف دیگر بدون برگشت خارج می شود. جریان سیال دیگر نیز در صورتی که بخواهیم بیشترین بازدهی را داشته باشد، به صورت ناهمسو از سمت مخالف وارد شده و از سمت ورودی سیال خنک کننده، خارج می شود. به طور کلی این نوع مبدل ها به دلیل تک پاس بودن لوله های داخلی نرخ انتقال حرارت پایینی دارند.
• دو پاس با یک تیوب شیت: در این نوع مبدل، لوله های داخلی توسط یک تیوب فلزی در یک سمت پوسته نگه داشته شده و از سمت دیگر به صورت منحنی U شکل ساخته می شوند. علت نام گذاری دوپاس برای این مبدل به این خاطر است که جریان سیال خنک کننده از لوله های داخلی حرکت رفت و برگشتی را انجام می دهد. جریان سیال خنک کننده از نصف لوله های مسی عبور کرده و پس از رسیدن به انتهای مبدل ( قسمت U شکل ) 180 درجه تغییر جهت داده و از نصف دیگر لوله های داخلی به سمت ابتدایی برمی گردد. بدین ترتیب در این نوع مبدل پوسته و لوله نسبت به نوع اول، نرخ انتقال حرارت بیشتری اتفاق می افتد. ولی در صورتی که داخل لوله های داخلی، رسوب ببندد، امکان تمیز کاری فیزیکی لوله های داخلی وجود ندارد و صرفا با استفاده از محلول های شیمایی تمیز می شوند. هزینه تعمیر و نگهداری این نوع مبدل نسبتا زیاد است.
• دو پاس با دو تیوب شیت: تنها تفاوت این نوع مبدل نسبت به مبدل نوع دوم، این است که لوله های داخلی دو سر باز هستند توسط دو تیوب در ابتدا و انتهای مبدل حرارتی نگه داشته شده اند. ( قسمت U شکل وجود ندارد ). در این نوع مبدل نیز جریان سیال خنک کننده حرکت رفت و برگشتی را انجام می دهد. از مزایای این مبدل نسبت به دو مدل قبل، می توان به افزایش نرخ انتقال حرارت و همچنین امکان تمیز کاری فیزیکی لوله های داخلی و هزینه تعمیر و نگهداری پایین آن اشاره نمود.

کاربرد مبدل حرارتی پوسته و لوله: مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از رایج ترین مبدل های حرارتی در صنایع مختلف پالایشگاهی، پتروشیمی، نیروگاهی، صنعت ساختمان و … است. انعطاف پذیری در طراحی مبدل های پوسته و لوله باعث شده است تا از آنها برای سرمایش سیالات مایع و گازی شکل در دما ها و فشار های کاری مختلف استفاده شود. یکی از رایج ترین کاربرد های مبدل های حرارتی پوسته و لوله، استفاده از آن برای خنک کاری روغن داغ در دستگاه های هیدرولیکی از جمله دستگاه تزریق پلاستیک است. یکی دیگر از مهمترین کاربرد های این مبدل، استفاده برای گرمایش آب استخر می باشد.

مزایای مبدل حرارتی پوسته لوله: از مزایای این نوع مبدل می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. نرخ انتقال حرارت بالا در حجم پایین
2. داشتن عملکرد مناسب در دما و فشار کاری بالا
3. هزینه کم در طراحی و ساخت و تولید
4. راحتی در تمیز کردن لوله های داخلی

مبدل حرارتی صفحه ای یکی دیگر از مبدل های حرارتی است که توانسته است در حجم پایین، نرخ انتقال حرارت بالایی را در مقایسه با سایر مبدل ها داشته باشد. در این مبدل، تعدادی صفحه موج دار یا شیار دار به صورت موازی در کنار هم قرار گرفته و با استفاده از واشر و یا سایر روش های جوش کاری آب بندی می شوند. جریان سیال سرد و گرم به صورت یک درمیان وارد فضای بین صفحات می شوند و بدین ترتیب با داشتن دو سیال با دو دمای متفاوت در طرفین یک صفحه، انتقال حرارت بین آن دو اتقال می افتد. به دلیل پخش شدن جریان سیال روی صفحات، این مبدل بیشترین نرخ انتقال حرارت را در حجم پایین دارد. امروزه به کارگیری مبدل های حرارتی صفحه ای در صنایع مختلف، بسیار فراگیر شده است.

جنس صفحات داخلی اغلب از استیل ضد زنگ و یا مس می باشد و با استفاده از پرس روی آن موج و یا شیار ایجاد می شود. استفاده از جنس استیل ضد زنگ غالب است چراکه استحکام مناسبی داشته و توانایی تحمل دمای بالا و مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد. واشرها علاوه بر جلوگیری از نشتی موجب جلوگیری از ترکیب یا اختلاط دو سیال می شوند. تنها یک سمت واشر با سیال در تماس بوده و سمت دیگر در معرض اتمسفر قرار دارد. بنابراین در شرایط بروز نشتی، سیال از میان صفحات مبدل به بیرون راه پیدا می‌کند و با سیال دیگر مخلوط نمی‌شود.

طرح کلی مبدل حرارتی صفحه ای: مبدل های صفحه ای از نظر طراحی به سه دسته زیر تقسیم بندی می شوند:

• • مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار: در این نوع مبدل فضای بین صفحات با استفاده از واشر آب بندی می شوند به طوری که دور تا دور صفحات به یکدیگر چسبیده می شوند. واشر ها از نشتی سیال یا اختلاط دو سیال با یکدگیر جلوگیری می کند. صفحات داخلی با استفاده از میله های راهنما و انواع پیچ و مهره به یکدیگر فشرده می شوند تا از نشتی سیالات جلوگیری شود. در این نوع مبدل می توان با اضافه یا کم کردن تعداد صفحات داخلی، نرخ انتقال حرارت را افزایش یا کاهش داد. استفاده از این نوع مبدل های صفحه ای برای انتقال حرارت بین جریان های سیالی با حجم زیاد اما با فشار کم یا متوسط مناسب می باشد.
  • مبدل حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده: در این نوع مبدل ها، به جای استفاده از واشر و پیچ و مهره برای آب بندی، از مواد خاص برای لحیم کاری بین صفحات استفاده می شود. از این مبدل برای انتقال حرارت بین جریان های سیالی که پر فشار هستند استفاده می گردد. نرخ انتقال حرارت در مبدل های لحیم کاری شده به دلیل عدم امکان اضافه یا کم کردن صفحات، مقدار ثابت است.
  • مبدل حرارتی جوش کاری شده : در این نوع مبدل ، صفحات داخلی به صورت یک بلوک در کنار هم جوش کاری می شوند. در این مبدل نیز مانند مبدل حرارتی لحیم کاری شده، نرخ انتقال حرارت ثابت است. از این مبدل های حرارتی برای انتقال حرارت بین جریان های سیالی که دما و فشار بسیار بالایی دارند، استفاده می گردد.

مزایا و معایب مبدل حرارتی صفحه ای:

از مزایای مبدل حرارتی صفحه ای می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• امکان اضافه کردن ظرفیت انتقال حرارت با استفاده از افزایش تعداد صفحات داخلی
• بالا بودن راندمان انتقال حرارت به دلیل استفاده از صفحات داخلی و افزایش سطح تبادل حرارتی
• ابعاد فشرده و کم نسبت به سایر مبدل های حرارتی در مقیاس نرخ انتقال حرارت ثابت
• قابلیت تعویض صفحات و واشر ها در صورت خرابی و نشتی در مبدل های حرارتی صفحه ای واشر دار
• قابلیت اسید شویی
• قابلیت استفاده برای سیالات با ضریب رسوب بالا به دلیل استفاده از صفحات موج دار ( استفاده از صفحات موج دار باعث ایجاد اغتشاش در جریان سیال می گردد و از رسوب گذاری آن جلوگیری می کند)
• امکان استفاده از صفحات با شیار کم عمق برای سیالات با گرانروی پایین و امکام استفاده از صفحات با شیار عمیق برای سیالات با گرانروی بالا

در مبدل حرارتی صفحه ای به دلیل استفاده از صفحات داخلی موج دار، سیال ورودی به مبدل حرارتی دچار توربولانسی ( اغتشاش ) شده و نرخ انتقال حرارت به بیشترین میزان خود می رسد. بازدهی انتقال حرارت در مبدل های صفحه ای نسبت به مبدل های حرارتی پوسته  و لوله حدود 3 الی 5 برابر است.

کاربرد مبدل حرارتی هوا خنک:

از مبدل حرارتی هوا خنک به طور معمول در جاهای زیر و مکان هایی که دسترسی به آب محدود است و یا استفاده از آب موجب آلودگی های زیست محیطی می گردد، استفاده می شود:

• خنک کاری انواع روغن داغ در سیستم های هیدرولیکی از جمله دستگاه تزریق پلاستیک
• موتور های احتراق داخلی ( رادیاتور اتومبیل )
• تجهیزات بیمارستانی
• مراکز پردازش دیتا که در یک محل گرمای زیادی تولید می کنند.
• خنک کاری دستگاه های ماینر و …
• خنک کاری روغن داغ در صنایع نیروگاهی از جمله روغن توربین و ….
• خنک کاری انواع سیالات در صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی و ….