مبدل های حرارتی (تبدیل کننده ی حرارتی) دستگاهی هستند که حرارت و انرژی گرمایی را در دماهای مختلف بین دو یا تعدادی سیال (ماده ای که بر اثر فشار نیروی خارجی حالت مایع به خود می گیرد) منتقل می کند و در هر دو فرآیند سرمایش و گرمایش به کار گرفته می شود.
مبدل های حرارتی میزان انرژی مصرفی در کارخانجات را به حداقل می رساند و در سودآوری و اقتصادی شدن فرآیند تولید نقش بسزایی دارند. مبدل های حرارتی مدل ها و انواع خاصی دارند که از لحاظ پر فشار و کم فشار بودن نیز دسته بندی می شوند ولی ما در این مطلب از تجارت گستران کاسپین انواع پرکاربرد آن ها را بررسی خواهیم کرد:
مبدل های حرارتی
مبدل حرارتی لوله ای دوبل (Double Pipe)
این نوع مدل ساختاری ساده دارد به گونه ای که لوله ی با قطر کوچک درون لوله ی با قطر بزرگ قرار می گیرد (به صورت هم مرکز) که از طریق دیواره ی لوله ی کوچکتر بین سیال ها انجام می شود که در فشارهای بالا کاربرد دارد که به اختیار به آن ها مبدل های لوله ای هم گفته می شود.
مبدل های لوله ای به دلیل ارزان بودن از نظر تعمیر و نگهداری و کم هزینه بودن آن در طراحی برای صنایع کوچک مزایا به حساب می آید، و از مزایای دیگر آن می توان به طراحی ساختاری ساده، کنترل ساده جریان و پاکسازی آسان اشاره کرد و از معایب آن می توان کم بودن سطح انتقال حرارتی و اشغال کردن فضای زیاد اشاره کرد و همین معایب باعث می شود از آن در صنایع مدرن کمتر استفاده کرد.
مبدل های حرارتی لوله ای هم برای الگوی جریان مخالف و هم جریان موازی طراحی شده اند و بیشترین عملکرد را در الگوی جریان مخالف دارد.
کاربرد مبدل های لوله ای
اگر برای استفاده از مبدل های لوله ای فضای زیادی وجود داشته باشد می توان چندین واحد از مبدل های لوله ای را به صورت عمودی یا موازی با یکدیگر نصب کرد و بیشترین کاربرد را در صنایع غذایی و تهویه مطبوع دارد.
مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell and Tube)
به دلیل داشتن تبادل حرارتی زیاد، یکی از پرکاربردترین مبدل ها است. نحوه ی ساخت آن به گونه ای است که تعدادی لوله در داخل یک مخزن استوانه ای شکل تشکیل شده است که از درون لوله ها سیال (مایع) که دمای کمتری دارد و در پیرامون لوله ها یک سیال (گاز) با دمای بالا جریان دارد.
سیال گاز یا مایع هر کدام امکان دارد از درون لوله و پوسته جاری شوند، بنابراین مبدلی که فقط سیال مایع یا فقط سیال گاز را درون لوله و پوسته خود جاری کند مبدل تک فاز نام دارد، ولی مبدل هایی که تغییر فاز می دهند در سمت پوسته، مبدل های دو فاز نام دارند.
در طراحی این مبدل ها اکثرا ابتدا و انتهای لوله ها دارای سوراخ هایی است که از طریق تیوب شیت، فضایی که در ابتدا و یا انتهای مبدل وجود دارد متصل می شود. جنس این لوله ها از استیل، آلومینیوم، برنج، نیکل و در بیشترین موارد کاربردی از جنس مس است.
در این مبدل ها صفحاتی وجود دارند که درون پوسته قرار گرفته و کارشان هدایت جریان سیال ورودی است و همچنین ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد، به این صفحات بافل می گویند.
بیشترین کاربرد مبدل های پوسته و لوله
- نیروگاه تولید برق
- تولید کاغذ
- داروسازی
- پتروشیمی
- معادن
- تولید اسید سولفوریک
و…
مبدل های حرارتی پوسته و لوله به صورت های دیگری هم طراحی شده اند:
مبدل U شکل (bent)
در این طراحی لوله ها به شکل U خم شده اند و مورد استفاده قرار می گیرند که در این طرح تیوب شیت (لوله ها را به یکدیگر متصل می کند و سیال گرم و سرد را از یکدیگر تفکیک می کند) فقط در یک سمت قرار داده شده است که جزو مزایای آن به حساب می آید در این طرح سیال هنگامی که به انتهای لوله می رسد به دلیل U شکل بودن آن با خمی ۱۸۰ درجه روبرو می شود و از همان مسیر ورود خارج می شود که به آن طرح دو پاس می گویند.
به تعداد دفعاتی که سیال داخل لوله از طول مبدل عبور می کند، تعداد پاس می گویند. بنابراین در مبدلی که یک پاس است یعنی جریان سیال از یک طرف لوله وارد شده، و از طرف دیگر خارج میشود. معایب مبد U شکل تمیز نشدن لوله ها به صورت فیزیکی است.
طرح مستقیم یا یک پاس (straight)
یعنی سیال از یک طرف وارد لوله ها می شود و مستقیما از سمت دیگر خارج می شود به همین دلیل نیز امکان تمیز کردن لوله وجود دارد و در این طرح از دو تیوب شیت استفاده شده است.
نوع مستقیم دو پاس
منظور از دو پاس این است که سیال هنگامی که از یک طرف وارد لوله ها می شود بعد از یک حرکت چرخشی مجددا وارد دسته ای دیگر از لوله ها می شود و از همان سمت خارج می شود. این نوع از مبدل ترکیبی از دو نوع مبدل ذکر شده است. در این طرح نیز امکان تمیز کردن لوله ها به صورت فیزیکی وجود دارد و از دو تیوب شیت استفاده شده است.
اگر بخواهیم نرخ انتقال حرارت را محاسبه کنیم از این فرمول استفاده می کنیم:
q = U × A × ∆T (LMTD)
q = نرخ انتقال حرارتی
U = ضریب انتقال حرارتی کلی
A = سطح تبادل کننده حرارتی
T∆ = اختلاف دمای متوسط لگاریتمی
مبدل های صفحه ای (Heat Exchanger Plate)
این مبدل حالت صفحه ای دارد با جنسی فلزی که در فاصله های کمی از یکدیگر تفکیک شده اند و یکی در میان نسبت به هم آب بندی می شوند و یک سیال دما بالا و یک سیال دما پایین وارد آن می شود و با یکدیگر تبادل گرمایی ایجاد می کنند و به دلیل ابعاد فشرده ای که دارند این صفحات سطح انتقال حرارتی بالایی تولید می کنند. بخواهیم به معایب آن اشاره کنیم تحمل نکردن فشار بالاست که معمولا از آن برای کاربردهای فشار پایین استفاده می شود.
مبدل حرارتی صفحه ای واشردار (Gasket Plate Heat Exchanger)
در این مبدل حرارتی واشرهایی که از جنس لاستیک هستند دور تا دور لبه صفحات فلزی را احاطه می کنند و آب بندی را شکل می دهند، آب بندی از نشتی جریان های سیال و اختلال آن ها جلوگیری می کند. این واشرها هدایت جریان های سیال درون کانال ها را به عهده دارند.
در مبدل های حرارتی واشردار؛ با اضافه کردن و یا کم کردن صفحات فلزی، می توان افزایش یا کاهش سطح تبادل کننده گرما را کنترل کرد.
آن ها در دسته ی مبدل های با فشار کم و متوسط قرار می گیرند و برای انتقال حرارت بین جریان های سیال با حجم زیاد کاربرد دارند.
مبدل حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده (Brazed Plate Heat Exchanger)
این مبدل ها در گروه انتقال حرارت بین سیال های پرفشار قرار می گیرند و طراحی آن ها به گونه ای است که صفحاتی از جنس فلزی هستند که روی آن ها خطوط موج داری وجود دارد که بین هر یک از این صفحات مواد پرکننده ای، در جریان است که هنگام لحیم کاری ماده پرکننده، نقطه اتصال را در هر نقطه ای از صفحات شکل می دهد و کانال های پیچیده ایجاد می کند.
مبدل صفحه ای جوشکاری شده (welded Plate Heat Exchanger)
این مبدل ها به دلیل انتقال حرارت بین سیال های با فشار و دمای خیلی زیاد، در صنایع بزرگ کاربرد دارند. طراحی آن ها به گونه ای است که همه ی صفحات فلزی در کنار هم جوشکاری شده اند و ظرفیت سرمایشی و گرمایشی مبدل ثابت است.
مبدل هوا خنک (Air-cooled Heat Exchanger)
مبدل های حرارتی هوا خنک یا فن دار از تعدادی لوله های رفت و برگشتی که در اطراف خود پره هایی دارند، و تعدادی فن تشکیل شده اند که سیال داغ از درون این لوله ها عبور می کند و توسط فن ها از سطح بیرونی لوله ها عبور داده می شود و حرارت اضافی را از سیال داغ می گیرد و حرارت خود را به ذرات هوا داده و خنک می شود. مبدل های حرارتی خنک یا فن دار یا دارای کولر به سه شکل V، عمودی و افقی ساخته می شود.
