مبدل حرارتی
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 می‌کند. برای‌مثال یک مبدل حرارتی روغن، حرارت روغن داغ را به آب یا هوا منتقل می‌کند و یا مبدل حرارتی استخر، گرمای آب داغ بویلر را به آب استخر منتقل می‌کند (بدون تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر). ازجمله مهمترین و پر کاربردترین مبدل‌های حرارتی می‌توان به نوع پوسته و لوله، نوع هوا خنک (درای کولر) و نوع صفحه‌ای اشاره کرد.
دسته‌بندی مبدل‌های حرارتی
مبدل‌های حرارتی را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی کرد:
انواع مبدل‌های حرارتی بر اساس آرایش جریان:
۱– مبدل‌های حرارتی با جریان همسو (Cocurrent flow)
در این نوع مبدل‌ها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آن‌ها موافق یکدیگر است. یعنی دو جریان سیال، از یک انتها به مبدل وارد می‌شوند و هر دو در یک جهت جریان می‌یابند و از انتهای دیگر خارج می‌شوند. نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی‌رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور نیازمند به‌کارگیری سطح انتقال بسیار بزرگی از حرارت موثر می‌باشد.
سیال گرم درون لوله و سیال سرد در قسمت پوسته مبدل در جریان است. در این مبدل جریان سرد و گرم به صورت موازی و هم سو می‌باشند. سیال سرد درون پوسته توسط سیال گرم‌تر، گرم می‌شود. درون مبدل حرارتی با جریان همسو، همواره دمای سیال سرد، در هر مقطع از مبدل حرارتی کمتر از دمای سیال گرم می‌باشد. در این نوع از مبدل‌ها، در نقطه ورودی بیشترین اختلاف دما و در نتیجه بیشترین انتقال حرارت وجود دارد. همچنین در نقطه خروجی کم‌ترین اختلاف دما و کم‌ترین انتقال حرارت وجود دارد.
۲– مبدل‌های حرارتی با جریان غیرهمسو (Countercurrent flow):
در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشند، مبدل را جریان غیر همسو می‌نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدل‌ها امکان بیشتر بودن دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدل‌ها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل‌های همسو برخوردار هستند.
سیال گرم درون لوله و سیال سرد در قسمت پوسته مبدل در جریان است. در این مبدل جریان سرد و گرم به صورت موازی و غیر هم سو می‌باشند. سیال سرد درون پوسته توسط سیال گرم‌تر، گرم می‌شود. درون مبدل حرارتی با جریان همسو، همواره دمای سیال سرد، در هر مقطع از مبدل حرارتی کمتر از دمای سیال گرم می‌باشد. در مبدل‌های با جریان مخالف، تقریبا در هر مقطعی از مبدل، اختلاف دمای سیال سرد و گرم یکسان می‌باشد. لذا سرعت انتقال حرارت در همه نقاط مبدل تقریبا یکسان است.
۳– مبدل‌های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم (Cross flow):
در این نوع مبدل‌ها جهت جریان‌های سرد و گرم عمود بر هم هستند. به‌عنوان متداول‌ترین نمونه می‌توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم، بسته به طراحی، جریان مخلوط یا غیر مخلوط نامیده می‌شود. سیال داخل لوله‌ها چون اجازه حرکت در راستای عرضی را نخواهد داشت غیرمخلوط است. سیال بیرونی برای لوله‌های بی‌پره مخلوط است؛ چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و برای لوله‌های پره‌دار غیر مخلوط است؛ زیرا وجود پره‌ها مانع از جریان آن در جهت عمود بر جهت اصلی جریان می‌شود.
انواع مبدل‌های حرارتی براساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم:
۱– مبدل‌های حرارتی نوع Recuperative:
در این نوع از مبدل‌های حرارتی سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده‌اند و انتقال حرارت از طریق این سطح صورت می‌گیرد. در این نوع مبدل‌ها این سطوح جامد باید دارای ضریب انتقال حرارت بالایی باشند تا راندمان مبدل بالا باشد. معمولا این سطوح از جنس آلیاژهای فلزی ساخته می‌شوند. اکثر مبدل‌های موجود در صنعت از این دسته هستند.
۲– مبدل‌های حرارتی نوع Regenerative:
در این مبدل، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به‌طور متناوب قسمت‌هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می‌گیرند و بیشتر در مقیاس‌های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۳– مبدل‌های حرارتی نوع تماس مستقیم:
در مبدل تماس مستقیم، سیال سرد و گرم به‌طور مستقیم تماس حاصل نموده (هیچ دیواره‌ای بین جریان‌های سرد و گرم وجود ندارد.) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می‌گیرد. جریان‌ها در آن، دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل‌ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. نمونه‌ای از این مبدل‌ها، برج‌های خنک کن، کولرهای آبی و گرم‌کن‌های Open Feed Water Heater در نیروگاه‌های بخار می‌باشند.
انواع مبدل‌های حرارتی بر اساس ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل‌ها:
انواع مبدل‌های حرارتی از نظر فشار کاری به دو دسته کم‌فشار و پر‌فشار و ازنظر ساختار به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
۱ . مبدل‌های لوله‌ای
۲. مبدل‌های پوسته و لوله (شل اند تیوب)
۳. مبدل‌های هوا خنک یا همان فن‌دار (درای کولر)
۴. مبدل‌های صفحه‌ای
5. مبدل حرارتی لوله‌ای (یا همان دو لوله‌ای)
۱ . مبدل‌های لوله‌ای
در مبدل لوله‌ای، یک لوله با قطر کوچک درون لوله‌ای دیگر با قطر بزرگتر و به‌صورت هم‌مرکز قرار می‌گیرد و انتقال حرارت از طریق جداره لوله کوچکتر بین دو سیال انجام می‌شود. این نوع ساده‌ترین نوع مبدل است که بزرگترین عیب آن، توان انتقال حرارت کمتر نسبت به سایر مبدل‌ها به خاطر سطح تبادل حرارتی کم آن است. از این نوع بیشتر برای تبادل حرارت بین سیالات گازی شکل استفاده می‌شود. همچنین زمانی که فشار یکی از دو سیال یا هر دو بالا باشد می‌توان از این نوع استفاده نمود.
مزایا مبدل دو لوله‌ای عبارت است از:
- طراحی ساده
- هزینه ساخت کم
- کنترل ساده جریان
- پاک‌سازی آسان
- کاربرد در فشارهای بالا
نکته: یکی از مهمترین معایب این نوع از مبدل‌ها این است که سطح انتقال حرارت کمی داشته و فقط برای مبدل‌های کوچک و با ظرفیت کم مناسب است.
2. مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب)
مبدل حرارتی پوسته و لوله (یا همان شل اند تیوب – Shell and Tube) از تعدادی لوله و یک پوسته بزرگ که لوله‌ها را احاطه می‌کند، تشکیل شده است. از درون لوله‌ها معمولا یک سیال مایع با دمای کم و اطراف لوله‌ها یک سیال گازی شکل با دمای بالا جریان می‌یابد (البته حالت و نوع سیال در کاربردهای متفاوت مختلف است) که تبادل حرارتی زیادی به‌علت وجود تعداد زیادی لوله صورت می‌گیرد و آن را به پر کاربردترین مبدل در صنعت تبدیل کرده است. جنس لوله‌ها معمولا از مس و در برخی موارد با توجه به نوع کاربری می‌تواند از برنج، آلومینیوم، استیل، نیکل و غیره باشد.
وظیفه تیوب شیت‌ها، مهار و آب‌بندی لوله‌ها نسبت به هم و نیز نسبت به پوسته است. پوسته یک ورودی و یک خروجی برای سیال دارد و ورود و خروج سیال دیگر به لوله‌ها توسط تیوب شیت انجام می‌شود. بافل‌ها نیز صفحاتی هستند که جهت جریان سیال درون پوسته (جریان سیال اطراف لوله‌ها) را به صورت تناوبی تغییر داده و با ایجاد جریانی مغشوش در سیال، نرخ انتقال حرارت را به شدت افزایش می‌دهند. بافل‌ها (Baffle) در واقع تیغه‌هایی هستند که درون پوسته جاسازی شده‌اند و باعث می‌شوند که سیال اطراف لوله‌ها مسیر پر پیچ و خم‌تری را طی کرده و انتقال حرارت بیشتری صورت بگیرد.
انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله خود از لحاظ ساختار و نوع طراحی به چند دسته تقسیم بندی می‌شود:
انواع مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:
۲ . ۱ . نوع U شکل
در این مدل، لوله‌ها به صورت U خمکاری شده‌اند و فقط در یک سمت آن از تیوب شیت استفاده شده است. یکی از دو سیال موجود وارد لوله‌ها و یکی هم وارد پوسته می‌شود و حرارت از جداره لوله‌ها بین دو سیال تبادل می‌شود. در این طرح به خاطر U شکل بودن لوله‌ها، امکان تمیز کردن لوله‌ها به صورت مکانیکی وجود ندارد ولی مزیت آن این است که تنها از یک تیوب شیت در مبدل استفاده شده است. سیال ورودی به لوله‌ها پس از رسیدن به انتهای مسیر، با خمی ۱۸۰ درجه ای مواجه شده و دوباره از همان سمتی که وارد شده، خارج می‌گردد و در اصطلاح به این حرکت رفت و برگشتی سیال، طرح دو پاس گفته می‌شود.
۲. ۲ . نوع مستقیم یک پاس
منظور از یک پاس این است که سیال از یک سمت وارد لوله‌ها شده و مستقیم از سمت دیگر خارج می‌شود. در این طرح چون که دسته لوله‌ها یا همان تیوب‌ها دارای خم نیست، امکان تمیز کردن لوله‌ها به صورت فیزیکی وجود دارد.
۲ . ۳ . نوع مستقیم دو پاس
منظور از دو پاس این است که سیال از یک سمت وارد لوله‌ها شده و بعد از یک حرکت رفت و ۱۸۰ درجه چرخش مجددا وارد دسته‌ای از لوله‌های دیگر شده و از همان سمت ورودی، خارج می‌شود. این طرح ترکیبی از دو طرح بالایی است و سیال درون لوله‌ها هم دو پاس را طی کرده و هم اینکه لوله‌ها خمکاری نشده‌اند و بنابرین امکان تمیز کردن فیزیکی آن‌ها وجود دارد و در عین حال از دو تیوب شیت در مجموعه استفاده شده است.
۳. مبدل حرارتی صفحه‌ای (پلیتی)
مبدل حرارتی صفحه‌ای یا همان پلیتی از تعداد زیادی صفحه فلزی که با فاصله اندکی کنار یکدیگر قرار گرفته و با الگوی یکی در میان نسبت به هم آب‌بندی شده، تشکیل می‌شود. یک سیال به‌عنوان سیال دما بالا و یک سیال هم به‌عنوان سیال دما پایین وارد آن شده و از طریق سطح فلزی این صفحات با یکدیگر تبادل گرمایی انجام می‌دهند. این صفحات سطح انتقال حرارت زیادی ایجاد می‌کنند و به همین دلیل ابعاد این نوع از مبدل‌ها کوچک (فشرده) است. یکی از معایب این مبدل‌ها در مقایسه با انواع مبدل شل اند تیوب (پوسته و لوله) این است که فشار کمتری را تحمل می‌کنند و برای کاربردهای فشار بالا معمولا از نوع پلیتی استفاده نمی‌شود.
۴. مبدل‌های هوا خنک یا همان فن دار (درای کولر)
انواع مبدل‌های حرارتی هوا خنک که به آن‌ها فن‌دار یا درای کولر نیز گفته می‌شود از یک یا تعدادی کویل (لوله‌های متعدد رفت و برگشتی با پره‌هایی در اطراف آن) و یک یا تعدادی فن تشکیل شده‌اند (همانند رادیاتور اتومبیل). سیال با درجه حرارت بالا از داخل کویل عبور می‌کند و در اثر وزش هوا توسط فن‌ها از سطح بیرونی کویل و در نتیجه برخورد ذرات هوا با سطح داغ لوله‌ها و پره‌های کویل، حرارت اضافی از سیال با درجه حرارت بالا گرفته می‌شود. مبدل‌های هوا خنک خود به انواع عمودی، افقی و V شکل تقسیم می‌شوند.
5. مبدل‌های صفحه‌ای حلزونی یا مارپیچ
صفحه‌ای حلزونی با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه‌های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می‌شود. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد می‌شود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می‌دهد. این نوع مبدل‌های حرارتی بسیار فشرده هستند و طبعا قیمت بالاتری دارند. سطح انتقال حرارت برای این مبدل‌ها در محدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشار کارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد می‌باشد. این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن‌آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می‌شود. چون این مبدل‌ها توانایی زیادی در خود تمیز کنی و کم کردن رسوب‌گیری دارند.
از معایب و مزایای این نوع از مبدل‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
معایب:
به دلیل کوچک بودن لوله مارپیچ تعمیر و جوشکاری آن‌ها مشکل و زمان بر است
به دلیل مارپیچ بودن لوله‌ها تمیز کردن آن‌ها عملا مشکل است
مزایا:
راندمان بالا
مونتاژ آسان
مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
مناسب برای دبی‌های کم و بارهای حرارتی پایین
6. مبدل‌های پره‌دار
مبدل‌های حرارتی با سطوح پره‌دار، دارای پره‌ها و یا ضمائمی در سطح اصلی ( لوله‌ای یا صفحه‌ای ) انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می‌باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از سمت مایع است، سطوح انتقال گرمای پره‌دار، در سمت گاز برای افزایش سطوح انتقال گرما استفاده می‌شوند. پره‌ها به‌صورت وسیع در مبدل‌های حرارتی گاز – گاز یا گاز – مایع در جایی‌که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل‌های حرارتی فشرده نیاز باشد استفاده می‌گردند. دو نوع از رایج‌ترین مبدل‌های حرارتی دارای صفحات پره‌دار عبارتند از:
کاربرد انواع مبدل‌های حرارتی:
پالایشگاه نفت و گاز و صنایع پتروشیمی
نیروگاه تولید برق
صنایع تولیدی
صنعت مواد غذایی
داروسازی
صنعت ذوب
صنایع شیمیایی
و نیز انواع سیستم‌های تهویه مطبوع و تجهیزات آن مانند موتورخانه (دیگ و چیلر)، اواپراتور، کندانسور، برج خنک کننده و …