انواع مبدل حرارتی

مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله صنعت HVAC و تبرید، کاربردهای اساسی و فراوانی دارد که در این مقاله به طور کامل و جامع به کاربردها و نکات طراحی آن اشاره خواهیم کرد.

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) سیستمی جهت انتقال حرارت بین دو یا بیش از دو سیال (مایع / گاز) می باشد. در واقع مبدل های حرارتی در هر دو فرایند سرمایش و گرمایش به کار گرفته می شوند. سیال های جاری در مبدل ها، عمدتاً به منظور جلوگیری از اختلاط، توسط دیواره جامدی از یکدیگر جدا می شوند و البته در انواع بخصوصی از مبدل های حرارتی این امکان نیز وجود دارد که جریان های سیال مستقیماً با هم در تماس باشند.

تهویه نگار در ادامه، این سیستم ها را به طور کامل بررسی و مطالعه می کند. با ما همراه باشید.

انواع مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی را می توان به لحاظ فشار کاری سیال در سه گروه فشار پایین، فشار متوسط و فشار بالا نیز دسته بندی نمود. اما غالباً بررسی انواع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختار طراحی آن ها انجام می شود که عبارتند از:

1- مبدل حرارتی لوله ای دوبل (Double Pipe):

ساده ترین مبدل هایی که در صنعت استفاده می شوند، مبدل های حرارتی لوله ای دوبل (دو لوله ای) می باشند که به اختصار آن ها را مبدل های لوله ای (Tubular) نیز می نامند. از یک سو، ارزان بودن این مبدل ها، چه در طراحی و چه از نظر تعمیر و نگهداری، آن ها را به انتخاب مناسبی برای صنایع کوچک تبدیل کرده است و از سوی دیگر، راندمان پایین آن ها و همچنین اشغال فضای زیاد در مقیاس های بزرگ، سبب شده است که در صنایع مدرن امروزی کمتر استفاده شوند و مبدل هایی با راندمان بیشتر نظیر مبدل های پوسته و لوله و مبدل های صفحه ای به کار گرفته شوند. ساختار یک مبدل حرارتی لوله ای، در ساده ترین شکل خود شامل دو لوله با قطر متفاوت می باشد که لوله کوچکتر به صورت هم مرکز درون لوله دیگر قرار می گیرد. چنانکه یکی از سیال ها درون لوله کوچکتر و سیال دیگر در فضای حلقوی بین دو لوله جریان می یابد. در واقع، این دیواره لوله داخلی است که سطح انتقال حرارت را تشکیل می دهد واغلب جهت دستیابی به سطح بیشتر، فین گذاری می شود.

طراحی مبدل های حرارتی لوله ای

در طراحی این مبدل ها، یکی از فاکتورهای مهم، نوع الگوی جریان در مبدل می باشد. یک مبدل حرارتی لوله ای، معمولاً می تواند برای هر دو الگوی جریان مخالف (Counter Flow) و جریان موازی (Parallel Flow) طراحی شود، اما الگوی جریان متعامد (Cross Flow) در چنین مبدلی کارایی ندارد.

یکی از مزایای مبدل های حرارتی لوله ای، عملکرد درست آن ها تحت شرایط الگوی جریان مخالف می باشد. الگویی که بیشترین راندمان را داشته و بالاترین ضریب انتقال حرارت (U Factor) را در طراحی مبدل های لوله ای به دنبال دارد.

کاربرد مبدل های حرارتی لوله ای

مبدل های لوله ای برای کاربردهایی مناسب هستند که یا نرخ جریان سیال های عبوری کم بوده و تغییرات دمایی زیادی مد نظر می باشد یا انتقال حرارت کمی برای نرخ جریان زیادی مورد نیاز است. البته این در حالی است که با توجه به ابعاد مبدل های لوله ای، استفاده از آن ها در شرایطی که فضای کافی وجود داشته باشد، منطقی خواهد بود. شایان ذکر است که می توان جهت ایجاد ظرفیت های بیشتر، چندین واحد مبدل لوله ای را به صورت سری یا موازی با یکدیگر، به شکل عمودی نصب نمود. مبدل های حرارتی لوله ای در صنایع غذایی و همچنین تهویه مطبوع (به عنوان بویلر، اواپراتور و یا کندانسور) بیشترین کاربرد را دارند.

2- مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube):

یکی از رایج ترین انواع مبدل در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع و برودت صنعتی، مبدل حرارتی پوسته و لوله می باشد. همان طور که از نامش پیداست، این مبدل ها از تعدادی لوله تشکیل شده اند که درون پوسته ای استوانه ای قرار می گیرند. دو جریان سیال با دماهای اولیه متفاوت وارد مبدل می شوند. یکی از درون لوله ها و دیگری از درون پوسته (بیرون لوله ها) عبور می کند. حرارت از طریق دیواره لوله ها، بین دو سیال منتقل می شود، گاهی از سیال داخل لوله به سیال جاری در پوسته و گاهی بالعکس.

هریک از سیال ها می توانند از مایعات و یا از گازها باشند و این امکان نیز وجود دارد که هرکدام از درون لوله یا پوسته جریان بیابند. مبدلی که فقط سیال مایع و یا صرفاً سیال گاز در دو طرف آن (درون پوسته و لوله) جریان دارد را مبدل تک فازی می نامند. مبدل های دو فازی می توانند برای انتقال حرارت به مایع جهت جوشاندن و تبخیر آن (بویلر) و یا به منظور خنک کردن بخار برای چگالش آن (کندانسور) با تغییر فازی که عمدتاً در سمت پوسته اتفاق می افتد، بکار روند.

طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله:

در طراحی مبدل های پوسته و لوله تنوع قابل توجهی وجود دارد. معمولاً، ابتدا و انتهای لوله ها از طریق سوراخ های تعبیه شده در تیوب شیت (Tube Sheet) به پلنیوم (Plenum)، فضایی که در ابتدا و یا انتهای مبدل وجود دارد، متصل می شوند.

غالباً، بافل هایی در داخل پوسته برای هدایت جریان سیال ورودی لحاظ می شوند. در واقع، به کمک این بافل ها، ضمن ایجاد تلاطم در جریان سیال که باعث افزایش ضریب انتقال حرارت آن می شود، تماس با تمامی لوله ها اتفاق افتاده و زمان بیشتری برای تبادل حرارت بین جریان سیال و لوله ها ایجاد می گردد.

در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، ممکن است لوله ها به فُرم مستقیم (Straight) یا خم شده (Bent) به شکل U استفاده شوند. طراحی این مبدل ها با لوله های مستقیم به صورت یک، دو یا چهار پاس (Pass) انجام می گیرد. منظور از تعداد پاس، تعداد دفعاتی است که جریان سیال داخل لوله ها از میان سیال جاری درون پوسته، طول مبدل را طی می کند. بنابراین در مبدلی که یک پاس می باشد، جریان سیال از یک سمت لوله ها وارد و از سمت دیگر خارج می گردد. ضمن آنکه با چنین تعریفی، آن دسته از مبدل هایی که دارای لوله های خم شده هستند را می توان نوعی مبدل دو پاس قلمداد نمود.

بسیاری از تولیدکننده ها، ترجیحاً از مبدل های حرارتی دو پاس با لوله های خم شده، استفاده نمی کنند؛ چراکه مقاومت جداره لوله ها در قسمت خمیده تضعیف شده و امکان شکست آن افزایش می یابد، بعلاوه هزینه ساخت آن ها نیز بیشتر خواهد بود. از این رو غالباً، این نوع مبدل ها در ظرفیت های پایین به کار گرفته می شوند.

همان طور که در تشریح مبدل های حرارتی لوله ای نیز عنوان شد، مبدل های حرارتی با الگوی جریان مخالف بیشترین راندمان و کارایی انتقال حرارت را دارند. چراکه در این صورت تبادل گرما با بالاترین اختلاف دمای متوسط لگاریتمی بین جریان های سرد و گرم اتفاق می افتد. چنانکه با مقایسه دو نمودار ذیل، می توان مشاهده نمود که در مبدل جریان مخالف امکان افزایش دمای خروجی سیال سرد تا بیش از دمای خروجی سیال گرم، وجود دارد.

در واقع، مبنای طراحی تمامی مبدل های حرارتی، رابطه محاسباتی زیر است که نشان می دهد با افزایش هریک از پارامترهای ضریب انتقال حرارت کلی (U) سطح تبادل کننده حرارت (A) و اختلاف دمای متوسط لگاریتمی (LMTD) نرخ انتقال حرارت (q) بیشتری خواهیم داشت.

کاربرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله:

مبدل های حرارتی پوسته و لوله را حتی می توان رایج ترین نوع مبدل حرارتی دانست که عمدتاً جهت سرمایش و یا گرمایش مایعات و گازها مورد استفاده قرار می گیرند. انعطاف پذیری طراحی آن ها، امکان استفاده از مبدل را در دما و فشارهای مختلف و با سیال های متفاوت، فراهم کرده است. مبدل های حرارتی پوسته و لوله به طور گسترده در فرایندهایی که به سرمایش و یا گرمایش حجم زیادی از جریان مایع و یا گاز نیاز است، به کار گرفته می شوند. برخی از کاربردهای معمول مبدل های حرارتی پوسته و لوله عبارتند از: نیروگاه تولید برق، HVAC، تبرید، تولید کاغذ، داروسازی، پتروشیمی و پالایشگاه، تولید اسید سولفوریک، معادن و …

3- مبدل حرارتی صفحه ای (Plate):

نوعی مبدل حرارتی است که از صفحات نازک فلزی جهت انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم استفاده می کند. صفحاتی با سطوح صاف و یا موج دار که ضمن ایجاد کانال هایی برای جریان های سیال، آن ها را از هم جدا می سازند. مزیت عمده مبدل های حرارتی صفحه ای در مقایسه با سایر مبدل های رایج، این است که جریان سیال در معرض سطح بزرگتری برای تبادل گرما قرار می گیرد. چراکه سیال های سرد و گرم روی صفحات فلزی کاملاً پخش می شوند؛ در نتیجه انتقال حرارت بهتری صورت گرفته و تغییر دما با سرعت بیشتری اتفاق می افتد. چنانکه نزدیکی دما (Temperature Approach) در یک مبدل حرارتی صفحه ای می تواند به اندازه 1 درجه سانتی گراد باشد، در حالی که در مبدل های پوسته و لوله، حدود 5 درجه سانتی گراد است. بنابراین برای نرخ یکسانی از انتقال حرارت، اندازه یک مبدل حرارتی صفحه ای به مراتب کوچکتر از ابعاد یک مبدل پوسته و لوله خواهد بود؛ زیراکه سطوح انتقال حرارت بزرگی، به صورت فشرده توسط صفحات مبدل ایجاد می شود. لذا، امروزه بکارگیری مبدل های حرارتی صفحه ای در صنایع مختلف فراگیر شده است.

طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای:

در مبدل های حرارتی صفحه ای، به جای عبور لوله از درون یک محفظه (مانند مبدل های لوله ای و مبدل های پوسته و لوله) در عوض محفظه هایی به صورت متوالی وجود داشته که معمولاً عمق کمی دارند و توسط صفحات فلزی موج دار از یکدیگر جدا می شوند. این صفحات فلزی بکار رفته در مبدل های صفحه ای، ورق های نازک فلزی پرس شده ای هستند که غالباً از جنس فولاد ضد زنگ (Stainless Steel) می باشند؛ چراکه استحکام مناسبی داشته و توانایی تحمل دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی را خواهند داشت. صفحات این مبدل ها به گونه ای پرس می شوند که فرورفتگی هایی (کانال) با زاویه مستقیم، جهت هدایت جریان سیالی که وارد مبدل شده است، ایجاد شوند.

 اساساً دو نوع طراحی عمده برای مبدل های حرارتی صفحه ای تعریف می گردد:

• مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار (Gasket Plate Heat Exchanger): در نوع واشردار مبدل های صفحه ای، واشرهایی که عمدتاً از جنس لاستیک می باشند، بین صفحات فلزی قرار گرفته و آب بندی مورد نیاز را شکل می دهند. به طوری که دور تا دور لبه صفحات چسبیده می شوند. وجود این آب بندی جهت جلوگیری از نشتی جریان های سیال و اختلاط آن ها با یکدیگر ضروری است، اما علاوه بر این، هدایت جریان های سیال درون کانال های ایجاد شده به کمک همین واشرها صورت می گیرد. در مبدل های صفحه ای واشردار (GPHE)، افزایش و یا کاهش سطح تبادل کننده گرما و در نتیجه تغییر ظرفیت انتقال حرارت مبدل، بسادگی با اضافه کردن و یا کم نمودن تعداد صفحات فلزی امکان پذیر می باشد. 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 های حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده (Brazed Plate Heat Exchanger): در واقع، این نوع از مبدل های صفحه ای، بسته ای شامل صفحات فلزی با کانال های موج دار می باشند که بین هریک از این صفحات، مواد پرکننده ای وجود دارد. به نحوی که هنگام فرایند لحیم کاری در خلاء، ماده پرکننده، نقطه اتصالی را در هر نقطه تماس بین صفحات، شکل داده و کانال های پیچیده ای را ایجاد می کند. مبدل های صفحه ای لحیم کاری شده (BPHE) طرحی ویژه و مناسب برای انتقال حرارت بین سیال های پر فشار می باشند.   

• مبدل های حرارتی صفحه ای جوشکاری شده (Welded Plate Heat Exchanger): نوع دیگری از مبدل های صفحه ای که در آن، تمامی صفحات فلزی در یک بلوک کنار هم جوشکاری می شوند. بنابراین نمی توان به مانند مبدل های واشردار، صفحات فلزی را از فریم مبدل جدا نمود. به همین علت ظرفیت سرمایشی / گرمایشی مبدل (مانند مبدل های لحیم کاری شده) ثابت می ماند. اما استفاده از این مبدل ها امکان انتقال حرارت بین سیال هایی با فشار و دمای خیلی زیاد را فراهم می کند؛ لذا، مبدل های صفحه ای جوشکاری شده (WPHE) عمدتاً در صنایع بزرگ بکار گرفته می شوند.

کاربرد مبدل های حرارتی صفحه ای

با توجه به طراحی های مختلفی که برای مبدل های حرارتی صفحه ای وجود دارد، طیف گسترده ای از کاربردهای موجود را می توان برای این مبدل ها در نظر گرفت.

• کاربرد مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار: سیستم های سرمایش و گرمایش منطقه ای به منظور ایجاد ارتباط بین ساختمان و شبکه، بازیابی حرارت، HVAC و صنایع گوناگونی از جمله مواد غذایی
• کاربرد مبدل های حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده: هیت پمپ، چیلر، سیستم سرمایش و گرمایش منطقه ای به عنوان واحد رابط حرارتی و …
• کاربرد مبدل های حرارتی صفحه ای جوشکاری شده: نیروگاه های تولید برق، پالایشگاه های نفتی و …

طراحی و ساخت انواع مبدل های حرارتی در شرکت مهندسی تهویه نگار

گروه صنعتی تهویه نگار، متخصص در طراحی و عرضه مناسب ترین سیستم های برودتی و تهویه مطبوع، مطابق با نیاز واقعی مشتری و امکانات مالی کارفرمایان محترم، آماده ارائه انواع مبدل حرارتی (لوله ای دوبل، پوسته و لوله و صفحه ای) در ظرفیت ها و کابردهای مختلف می باشد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و نیز دریافت مشخصات فنی کامل و استعلام قیمت، با گروه صنعتی تهویه نگار تماس حاصل فرمائید. شایان ذکر است؛ فروش تمامی محصولات این مجموعه در سراسر کشور امکان پذیر خواهد بود.

کارشناس فروش (عمادی) 09102072884