انواع مبدل حرارتی و کاربردهای آن

انواع مبدل حرارتی و کاربردهای آن که در صنعت مورد استفاده هستند، جزو مهمترین تجهیزاتی هستند که برای کنترل و انتقال حرارت و برودت در صنعت به کار می‌روند. در این مقاله انواع مبدل حرارتی را به صورت کامل توضیح داده‌ایم. همچنین برخی از کاربردهای مبدل حرارتی در صنعت را آورده‌ایم و به برخی دیگر اشاره کرده‌ایم. به طور کلی مبدل‌های حرارتی برای انتقال سیال از قسمت گرم به قسمت سرد به کار می‌روند.

انواع مبدل حرارتی و کاربردهای آن چیست؟

انواع مبدل حرارتی و کاربردهای آن از جمله موضوعاتی هست که باید جزو حداقل‌هایی باشد که یک مهندس در حوزه سیالات باید آموزش ببیند. مبدل‌های حرارتی جزو تجهیزات پرکاربرد انتقال حرارت هستند که اساس کار آن‌ها انتقال حرارت بین دو یا چند سیال در جریان است. که توسط تجهیزات مکانیکی (مانند لوله، پوسته، صفحه و اجزای دیگر) از یکدیگر جدا شده‌اند.

انواع مبدل حرارتی دارای کاربرد‌های گسترده صنعتی و خانگی هستند بسیاری از مبدل‌های حرارتی برای سیستم‌های بخار، پلنت شیمیایی، گرمایش و خنک کننده و صنایع غذایی، صنایع نفت و گاز، سیستم‌های تهویه مطبوع، سیستم‌های گرمایش و غیره. طراحی و مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله مواردی که بسیار دیده می‌شود عبارتند از:

• مبدل حرارتی استخر
• اواپراتور چیلر از نوع پوسته و لوله‌ای
• مبدل حرارتی خنک کننده روغن داغ
• مبدل حرارتی منبع کویلی
• مبدل حرارتی هوایی مانند فن کویل یا هواساز
• مبدل حرارتی هوایی در کندانسور چیلر

سیستم کلی کارکرد انواع مبدل حرارتی و کاربردهای آن

به طور کلی مبدل حرارتی به وسیله‌ای گفته می‌شود که بدون انجام کار به صورت انتقال طبیعی حرارتی گرما را از یک سمت به سمت دیگر انتقال می‌دهد. مبدل‌های حرارتی انواع مختلفی دارند. این مبدل‌ها می‌توانند به صورت مستقیم یا غیر مستقیم برای انتقال حرارت سیالات مختلف به کار رود.

منظور از انتقال حرارت مستقیم می‌تواند به صورت اختلاط باشند. تصور کنید که شما یک مقدار آب داغ را با یه مقدار آب خنک مخلوط می‌کنید. کاری که در دوش حمام انجام می‌شود. لذا به این انتقال حرارت مستقیم گفته می‌شود. در انتقال حرارت غیر مستقیم معمولا یک فلز بین دو سیال از اختلاط آن‌ها جلوگیری می‌کند.

معمولا مبدل‌های حرارتی به صورت غیر مستقیم با استفاده از تجهیزات پوسته و لوله یا تجهیزات مکانیکی فلزی صورت می‌گیرد. دلیل استفاده از موارد فلزی این است که برای انتقال حرارت بهتر هستند و همچنین مقاومت بیشتر در مقابل خوردگی و فشار و صدمات مکانیکی را دارند.

مکانیزم انتقال حرارت آن‌ها در همه مبدل‌های حرارتی تقریبا شبیه به هم است. یعنی در یک سمت سیال سرد و در یک سمت سیال گرم جریان دارد. این سیالات با انتقال حرارت از سمت گرم به سمت سرد باعث خنک شدن یا گرم شدن سمت دیگر می‌شود. انواع مبدل حرارتی به ترتیب زیر است:

• پوسته و لوله Shell & Tube
• نوع صفحه‌ای Plate Exchanger
• هوا خنک Air cooled
• دو لوله‌ای یا Double Containment
• اختلاطی یا Mixing Exchanger

در ادامه به معرفی انواع مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله می‌پردازیم.

مبدل حرارتی نوع پوسته و لوله Shell & Tube

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger) جزو قدیمی‌ترین و تقریبا رایج‌ترین مبدل‌هایی است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. امکان ساخت راحت‌تر، هزینه‌های تعمیر و نگهداری راحت‌تر و در دسترس بودن متریال ساخت این نوع مبدل‌های باعث شده است که این نوع بیشترین کاربری را در صنعت انتقال حرارت داشته باشد. تصویر زیر سیستم کار یک مبدل حرارتی پوسته و لوله است که در ادامه به توضیح آن می‌پردازیم .

مبدل حرارتی پوسته و لوله به صورت کلی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:

1. دسته لوله
2. پوسته
3. کلگی‌ها

دسته لوله یا Tubesheet & Bundle به مجموعه بفل‌ها، تیوب‌ها، پیچ‌های نگه دارنده و صفحه لوله‌ها گفته می‌شود. این گروه در داخل پوسته قرار می‌گیرد و با کلگی‌ها بسته می‌شود. دسته لوله‌ها انواع مختلف دارند که معروف‌ترین آنها نوع U-Type است که در بسیاری از صنایع کاربرد دارند. یکی از معمول‌ترین استفاده آنها به عنوان مبدل حرارتی استخر است.

پوسته در واقع نگهدارنده دسته لوله است که کلگی به آن متصل می‌شود. معمولا یکی از سیال‌ها در داخل پوسته قرار داده می‌شود. کلگی‌ها در واقع به قسمت‌هایی که سمت ابتدا یا انتهای مبدل را می‌بندند گفته می‌شود. به طور کلی طبق استاندارد TEMA انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله به صورت یکی از انواع زیر ساخته می‌شود.

مزیت‌های کلی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله

تقریبا پرکاربردترین نوع مبدل که در بسیاری از صنایع وجود دارد، مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell & Tube) است. سادگی در ساخت، تعمیرات راحت‌تر، اندازه‌های متنوع‌تر، در دسترس بودن متریال و شاید تعمیر و نگهداری راحت‌تر از جمله مواردی است که استفاده از این ‌مبدل‌ها را در اولویت قرار می‌دهد. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله نه در صنایع بزرگ بلکه در صنایع مرتبط با زندگی اشخاص هم در دسترس است. از دیگر ویژگی‌های آن می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد.

• ساخت راحت‌تر
• قیمت پایینتر نسبت به باقی مبادله کن‌های حرارتی
• تعمیر و نگهداری راحت‌تر
• تنوع در ساخت
• قیمت تموم شدن پایینتر

ضعف‌های مبادله کن‌های حرارت پوسته و لوله

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل امکان پذیر بودن در ساخت، تعمیرات و نگهداری بهتر، امکان رسوب زدایی راحت‌تر، در دسترس بودن تجهیزات مورد نیاز برای و همچنین طراحی بهتر در بسیاری از صنایع محبوب‌تر هستند. این دسته از مبدل‌های حرارتی معمولا طبق استاندارد TEMA (Tubular Exchangers Manufacturing Association) تولید و به بهره‌برداری می‌رسند. از جمله معایب این مبدل‌ها عبارتند از:

• فضای بیشتری را نسبت به مبدل‌های حرارتی دیگر می‌گیرد.
• حمل و نقل آنها سخت‌تر است.

شکل زیر انواع تجهیزات مورد استفاده در ساخت یک مبدل حرارتی پوسته و لوله را که استاندارد TEMA تعیین کرده است را نشان می‌دهد. این استاندارد ممکن است لزوما در ساخت همه مبدل‌های پوسته و لوله استفاده نشود. ولی به طور کلی ایده ساخت تمامی مبدل‌های پوسته و لوله از جدول زیر خارج نیست.

مبدل‌های پوسته و لوله با متریال مختلف تولید و به بهره بردای می‌رسد. برای یک کاربرد خاص می‌تواند انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله طراحی و تولید شود. این موارد با توجه به جنس سیال موجود در سمت پوسته یا لوله متفاوت باشد. به طور کلی می‌توان مبدل‌های حراتی پوسته و لوله را از لحاظ جنس به چند دسته تقسیم می‌شوند

• مسی یا آلیاژهای مس (ماند Copper-Niccle)
• مبدل‌های حرارتی استیل یا آلیاژهای استیل
• مبدل حرارتی لوله تیتانیوم

همچنین این مبدل‌های در موارد بسیار زیادی با زندگی روزمره افراد هم سروکار دارند. یک سری از این موارد مانند مبدل حرارتی مسی استخر، مبدل حرارتی استیل استخر، کویل منبع کویلی، اواپراتور یا کندانسور آبی چیلر همگی از سری مبدل‌های حرارتی پوسته لوله هستند که در زندگی روزمره افراد هم تاثیر مستقیم دارند.

مبدل حرارتی صفحه‌ای Plate Heat Exchanger

مبدل حرارتی صفحه‌ای، نسبت به مبادله کن‌های حرارت پوسته و لوله جدیدتر است. این نوع مبادله کن‌های گرما به خاطر وجود صفحه‌های خاص و سطح حرارتی بالایی که در فضای بسیار کوچکی جا می‌گیرند، بسیار ابعاد کوچکتری نسبت به مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله دارد. این نوع مبدل‌ها معمولا برای صنایع غذایی و شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای علاوه بر بسیاری از صنایع غذایی و شیمیایی، مانند مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله با زندگی افراد به صورت مستقیم ارتباط دارند. پکیج‌های گرمایشی، برخی اواپراتورها در مینی چیلر‌های تراکمی، گرمایش آب گرم مصرفی و مواردی از این قبیل همگی جزو مواردی هستند که مبدل حرارتی صفحه‌ای در آنها به کار می‌رود.

مبدل حرارتی دو لوله‌ای:

مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای یا double pipe heat exchanger ساده‌ترین نوع مبدل‌های حرارتی در صنعت هستند. عملکرد این مبدل‌ها به این صورت است که دو لوله هم مرکز با اندازه‌های مختلف درون یکدیگر قرار گرفته‌اند. سیال اول از درون لوله اول عبور کرده و سیال دوم هم در فضای بین لوله اول و پوسته (یا همان لوله دوم) جریان می‌یابد و انتقال حرارت بین این دو سیال رخ می‌دهد.

در مبدل‌های دو لوله‌ای، سیالات به دو صورت (هم جریان ) و (غیرهم جریان ) با یکدیگر تبادل حرارت می‌کنند. ساخت این مبدل‌ها به هر دو صورت هم جریان و غیر هم جریان انجام می‌شود ولی راندمان آن در حالت غیر هم جریان بالاتر است. تصویر زیر سیستم کار این مبدل‌ها را در هر دو حالت به صورت ساده نمایش می‌‌دهد.

انواع مبدل حرارتی اسپیرال یا حلزونی (spiral heat exchanger) و کاربردهای آن

مبدل حرارتی اسپیرال یا همان حلزونی یکی از انواع مبدل‌های حرارتی  است. این مبدل‌ها از دو لایه ورق که به صورت مارپیچ به درو یکدیگر قرار گرفته‌اند تشکیل می‌شوند. در صورتی که بخواهیم یک مبدل با بازده بالا داشته باشیم که دمای مبدل در داخل لوله اسپیرال خیلی پایین بیاید، می‌توانیم از این نوع مبدل استفاده کنیم. دلیل انتخاب این نوع مبدل حرارتی معمولا بازده انتقال حرارت بالا نسب به فضای کمی است که بین یکدیگر دارند.

مبدل‌های حرارتی اسپیرال در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، صنایع فولادی، خمیر کاغذ و کاغذ سازی، فرآوری‌های معدنی، صنایع دارویی، در تصفیه خانه‌ها و غیره کاربرد دارد. از جمله مزایای این مبدل‌های حرارتی می‌توان به ضریب بالای انتقال حرارت، اشغال کردن فضای بسیار کمب، افت فشار کم اشاره نمود. همچنین مارپیچ بودن این نوع مبدل در ایجاد اغتشاش برای بالابردن بازده حرارتی بسیار تاثیرگذار است.

انواع مبدل حرارتی از حیث نظر مسیرهای جریان

جهت جریان و قرار‌گیری سیال نسبت به یکدیگر بسیار مهم است. علاوه بر اینکه شرایط طراحی مکانیکی در این قضیه تاثیر گذار است، برعکس شرایط تعیین شده برای مبدل در پایپینگ و لوله کشی تاثیر گذار است. در طراحی این مبدل‌ها، یکی از فاکتورهای مهم، نوع الگوی جریان در مبدل است چهار الگوی اصلی جریان برای مبدل‌های حرارتی وجود دارد:

• Concurrent flow (جریان موازی)
• Countercurrent flow (جریان مخالف)
• Crossflow (جریان عمود)
• Hybrid flow (جریان ترکیبی)

مبادله کن‌های گرما از لحاظ انتقال جریان به صورت Concurrent Flow

مبدل‌های حرارتی جریان موازی، دستگاه‌های تبادل گرما هستند که در آنها مایعات به موازات و هم جهت یکدیگر حرکت می‌کنند. اگرچه این پیکربندی به طور معمول بازده کمتری نسبت به آرایش جریان مخالف دارد، اما همچنین بیشترین یکنواختی حرارتی را در دیواره مبدل‌های حرارتی فراهم می‌کند. به طور کلی مبدل‌های حرارتی یک جهت کنترل متفاوتی نسب به مبدل‌های حرارتی غیر هم جهت دارند.

مبادله کن‌های گرما از لحاظ انتقال جریان به صورت Countercurrent flow

مبدل‌های حرارتی جریان مخالف، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مایعات در داخل مبدل حرارتی خلاف یک دیگر حرکت می‌کنند. جریان مخالف معمولاً بالاترین بازده را نشان می‌دهد زیرا بیشترین انتقال گرما بین مایعات و در نتیجه، بیشترین تغییر دما را امکان‌پذیر می‌کند. فقط در این صورت است که دمای نهایی سیال سرد می‌تواند از دمای نهایی سیال گرم پایین‌تر بیاید.

مبادله کن‌های گرما از لحاظ انتقال جریان به صورت Crossflow

در مبدل‌های حرارتی جریان متقاطع، مایعات عمود بر یکدیگر جریان می‌یابند کارایی مبدل‌های حرارتی که از این پیکربندی جریان استفاده می‌کنند بین مبدل‌های حرارتی جریان مقابل و جریان موازی قرار می‌گیرد. مثلا مبدل‌های حرارتی هوایی که در داخل کویل‌های هوایی هواساز‌ها یا بسیاری از تجهیزات شبیه به این کاربرد دارند از نوع جریان متقاطع هستند.

مبادله کن‌های گرما از لحاظ انتقال جریان به صورت Hybrid flow

مبدل‌های حرارتی جریان ترکیبی دارای چند الگوی جریان هستند. به عنوان مثال، در طراحی انواع مبدل حرارتی می‌توان از چندین گذر جریان و ترتیب استفاده کرد (به عنوان مثال، ترتیب جریان متقاطع و جریان مخالف) در یک مبدل حرارتی واحد

برای خرید از دیگر محصولات ما به سایت تجهیزستان مراجعه کنید!

انواع مبدل حرارتی هوایی Air Heat Exchanger

بسیاری از مبدل‌های حرارتی در صنعت وجود دارند که از هوا برای خنک کردن سیال استفاده می‌کنند. به این نوع مبدل‌های، Air Cooled Exchange گفته می‌شود. همچنین برخی از مبدل‌های حرارتی نوع هوا به هوا هستند که از نمونه آنها می‌توان به کوره‌های هوای داغ اشاره کرد. این نوع مبدل‌ها در صنایع مختلفی کاربرد دارند. کولر‌های گازی، هواساز‌ها، چیلرهای هوا خنک و بسیاری از تجهیزات دیگر از این نوع مبدل‌ها استفاده می‌کنند. در این قسمت به توضیحی در مورد این محصول می‌پردازیم.