مبدل حرارتی

امروزه در صنایع مختلف، جهت تامین گرمایش از تجهیزاتی استفاده می شود که بواسطه آنها، حرارت به صورت غیرمستقیم از سیالی (گاز یا مایع) به سیالی دیگر منتقل می گردد. اما این امر چگونه و با چه دستگاهی امکان پذیر است؟ مبدل های حرارتی از دسته محصولاتی هستند که توسط آنها می توان، بین دو یا چند سیالی که دمای مختلفی دارند، تبادل حرارتی ایجاد کرد.

در این متن به هر آنچه در مورد مبدل حرارتی نیاز است، اشاره خواهیم کرد. همچنین برای اینکه دیدی عمیق تر از این دستگاه داشته باشید، باید مطالعه نموده و اطلاعات خود را به روز کنید و در مورد انواع مبدل حرارتی، اجزای تشکیل دهنده آن، عملکرد، مزایا، کاربرد و سایر ویژگی های این محصول بیشتر بدانید. در ادامه تعریفی اساسی و جامع از مبدل حرارتی آورده شده است :

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی ( Heat Exchanger ) جزو پرکاربردترین تجهیزات صنعتی بوده که معمولاً کنار سیستم های حرارتی و برودتی از جمله موتورخانه، پکیج حرارتی، چیلر و … استفاده می شود و در تهویه مطبوع، استخرها و جکوزی نیز بهره وری می گردد. این دستگاه با روش مکانیکی و بر اساس اختلاف دمای ایجادی بین دو یا چندین سیال غیر هم دما، تبادل حرارتی ایجاد می کند. فرآیند تبادل حرارتی، متناسب با نوع مبدل حرارتی می تواند در سه حالت مایع به گاز، گاز به گاز و مایع به مایع اجرا شود. برای نمونه اگر سیال یک مبدل حرارتی روغن است، حرارت ناشی از روغن داغ بصورت غیرمستقیم به هوا یا آب منتقل خواهد شد و در مبدل های حرارتی استخری، آب استخر توسط آب داغ تولیدی توسط دیگ بخار یا آبگرمکن خورشیدی، موتورخانه و … گرم می شود.

در مبدل های حرارتی، به هیچ وجه دو سیال با هم در تماس قرار نمی گیرند، بلکه مابین آنها از جداره ای استفاده شده که به عنوان جدا کننده عمل می کند. در حالت کلی هر صنعتی که جهت فرآوری و تولید نیاز به کنترل دمای تجهیزات دارد، می تواند از مبدل حرارتی استفاده کند.

به بیانی دیگر باید گفت مبدل حرارتی، تجهیزی است جهت انتقال حرارت از جریانی با دمای بالاتر به جریانی با دمای پایین تر. هر مبدل، برحسب سطح حرارت سیالات، حرارت را به سه حالت هدایتی، جابجایی و تشعشعی منتقل می کند. لازم است بدانید مبدل های حرارتی، از لحاظ فشار کاری سیال، به سه دسته فشار پایین، فشار متوسط و فشار بالا تقسیم شده است.

کاربردهای مختلف انواع مبدل های حرارتی

• قابل استفاده در نیروگاه ها، پالایشگاه های گاز، نفت و بنزین
• قابل استفاده در صنایع پتروشیمی
• قابل استفاده در سیستم های تهویه مطبوع
• قابل استفاده در تاسیسات گرمایشی و سردخانه
• قابل استفاده در استخرها، سونا و جکوزی
• مناسب برای استفاده در صنایع داروسازی
• مناسب برای استفاده در صنایع ریخته گری و قالب گیری
• قابل استفاده در صنایع فولاد و ذوب آهن
• قابل استفاده در صنایع کاغذسازی، سرامیک و …
• قابل استفاده در صنایع تصفیه گازهای طبیعی
• قابل استفاده در سیستم های گرمایش ساختمان ها
• قابل استفاده در صنایع و کارگاه ها، جهت افزایش راندمان الکتروموتورها و ماشین آلات
• قابل استفاده در صنایع غذایی، جهت تولید انواع و اقسام مواد غذایی
• استفاده به عنوان دستگاه جانبی کوره های صنعتی، رادیاتورها، فن کوئل، تبخیر کننده ها، برج خنک کننده و …

خرید مبدل حرارتی

هنگام خرید مبدل حرارتی ، باید به موارد مختلفی توجه کنید. توصیه می کنم هنگام خرید مبدل حرارتی، حتماً سراغ برندهای معروف که زبانزد عام و خاص هستند بروید. یک مبدل حرارتی مناسب باید در برابر خوردگی مقاومت لازم را داشته باشد. مخصوصاً اگر قرار است از مبدل در استخر و یا جکوزی استفاده شود، حتماً از ضد زنگ بودن آن مطمئن شده و جنسش را طوری انتخاب کنید که آب و رطوبت، سبب خوردگی آن نگردد.

یک مبدل حرارتی ایده آل باید به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز داشته باشد؛ زیرا برای هیچ کس خوشایند نیست دستگاهی خریداری کند که زود به زود خراب می شود و یا سرویس پرهزینه ای دارد. پس بررسی کنید که امکان عبور جریان زیادی از مبدل وجود دارد یا نه. اگر این امکان وجود داشت و سرعت جریان بالا بود، مطمئن خواهید شد که مبدل حرارتی مورد نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارد.

از دیگر مواردی که هنگام خرید مبدل حرارتی باید به آن توجه کرد، طول عمر آن است. در واقع اگر مبدل حرارتی به لوله های بزرگی مجهز شود، امکان تولید رسوب در آن به زمان بیشتری نیاز خواهد داشت؛ در نتیجه طول عمر دستگاه افزایش می یابد. البته در هر شرایطی کارایی و راندمان مبدل حرارتی را در نظر بگیرید، چرا که مبدل های حرارتی متفاوت ساخته شده اند و همه آنها عملکرد یکسانی ندارند. در خرید مبدل حرارتی، مکان کاربری را نیز بررسی کنید. مثلاً اگر قرار است از آن در استخر استفاده کنید، سرپوشیده یا روباز بودن استخر را بررسی نمایید. از سوی دیگر، مدت زمان استفاده از استخر در طول روز نیز در انتخاب تعداد مبدل حرارتی و نوع آن تاثیر گذار است.

دبی جریان در مبدل حرارتی نیز اهمیت بالایی دارد، بنابراین در زمان خرید این مورد را نیز ارزیابی نمایید. در واقع اگر دبی زیاد باشد، قابلیت مبدل حرارتی جهت انتقال حرارت افزایش خواهد یافت. ولی لازم است بدانید که دبی بالا، سبب ایجاد جرم بیشتر شده که این عوامل، فرآیند کاهش فشار و افزایش سرعت را پیچیده تر می کند. 

بهترین پارامترها برای انتخاب مبدل حرارتی ایده آل

در ساخت و ساز تیوب ها یا لوله های مبدل گرمایی، باید جنس لوله ها، تعداد تیوب، طول تیوب و ضخامت آنها را در نظر گرفت. اما تعداد، ضخامت، طول لوله ها و جنس متریال بدنه چگونه تعیین می گردد؟ برای بررسی موارد فوق باید به درجه حرارت، میزان فشار، میزان جریان سیال گاز یا مایع  و میزان بار حرارتی توجه کرد. همچنین خصوصیات منفی و مثبت سیال که همان ماهیت آن است، باید ارزیابی گردد. مثلا ویژگی های خورندگی قلیایی و اسیدی سیال را می بایست بررسی و از تمیز یا آلوده بودن جریان گاز یا مایع داخلی مبدل حرارتی مطمئن شد. ارزیابی این اطلاعات به شما کمک می کند به راحتی بتوانید نوع و ابعاد مبدل حرارتی را متناسب با نیازتان انتخاب کنید.

در حالت کلی هنگام خرید مبدل حرارتی، در وهله اول نیاز خود به این دستگاه را بسنجید و دستگاه را متناسب با مکان مورد نظرتان خریداری کنید. در تهیه ظرفیت و نوع آن نیز دقت نمایید تا بیشترین کارایی را داشته باشد. تا اینجای مطلب، راهنمایی های لازم برای خریدی مناسب آورده شد، اگر مطالب فوق برایتان کافی نیست و هنوز ابهاماتی وجود دارد، حتماً با شماره های درج شده در پایین این صفحه تماس بگیرید تا کارشناسان ما در این مورد شما را بیشتر راهنمایی کنند.

قیمت مبدل حرارتی

شاید قیمت های متنوع بازار، شما را نیز به وجد آورده و به دلیل شک و تردیدی که دارید، خرید را به تاخیر انداخته اید. نگران نباشید در این بخش سعی کرده ایم، به بررسی قیمت مبدل حرارتی بپردازیم تا بدانید چه عواملی در تعیین قیمت این محصول موثر بوده و چطور باید تشخیص دهید قیمت مبدل های حرارتی، مناسب است یا نه. همانطور که می دانید تجهیزات مکانیکی و الکترونیکی، برحسب پارامترهای متعددی قیمت گذاری می گردند که مبدل های حرارتی نیز از این قاعده مستثنی نیستند.

قیمت این محصولات، بستگی به کیفیت آنها و قطعاتی که در ساختشان استفاده شده است دارد. هر چه مبدل حرارتی از امکانات بیشتری برخوردار و ساختار استانداردی داشته باشد، قیمت گرانتری خواهد داشت. البته همیشه گرانی دلیل بر کیفیت بالای مبدل ها نیست و گاهی شاهد فروش مبدل های حرارتی بی کیفیت با قیمت بالا هستیم. جنس این محصولات، نشانه طول عمر و کیفیت بالای آنهاست؛ بنابراین طبیعیست مبدل هایی که با متریال های مقاوم و ضد زنگ طراحی شده اند، نسبت به دستگاه هایی با متریال های ضعیف، گران تر باشند. نوع مبدل های حرارتی و ظرفیت آنها نیز روی قیمت آنها تاثیر می گذارد؛ مثلاً قیمت مبدل حرارتی صفحه ای، نمی تواند با قیمت مبدل حرارتی دو لوله و یا قیمت مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی باشد.

انواع مبدل حرارتی

مبدل های حرارتی انواع مختلفی دارند که هر کدام کاربرد و عملکرد ویژه ای دارند، در این بخش قصد داریم در مورد انواع مبدل بحث کنیم.

مبدل حرارتی دو لوله

مبدل های فوق، جزو کاربردی ترین و ساده ترین نوع هستند و به دو لوله هم مرکز مجهز شده اند. این لوله ها مقطع دایره ای داشته و قطر لوله های داخلی، کمتر از قطر لوله های خارجی می باشد. به همین دلیل لوله های خارجی؛ لوله های داخلی را در بر گرفته است. این دو لوله داخل هم قرار گرفته اند که یک سیال در لوله خارجی و سیال دیگر در لوله داخلی جریان دارد و هر لوله به یک ورودی و خروجی مجزا مجهز شده است.

مبدل حرارتی دو لوله ای در ابعاد مختلف قابل ساخت بوده و جنس، طول و قطر آن قابل تغییر است. مبدل های حرارتی دو لوله، بیشتر در مواردی استفاده می شوند که نیاز به سطح تبادل حرارت کمی باشد. این مبدل ها، قیمت مناسبی دارند و ریسک گرفتگی در آنها بسیار کم است. بطوری که در این مبدل ها جهت رسیدن به سطح تبادل بالا، افزایش بازدهی و کاهش سرعت جریان می توان لوله داخلی را در حالت آجدار طراحی کرد. اصولاً در این مبدل ها، مسیر جریان دو سیال موازی نیست و خلاف جهت همدیگر است .

توجه کنید که لوله داخلی را می توان بصورت تکی و یا چند لوله ای با قطر خیلی کوچک طراحی کرد.

نحوه عملکرد مبدل حرارتی دو لوله ای

 شیوه عملکرد این مبدل ها اینگونه است که یک سیال با دمای بالا در یکی از لوله ها جریان دارد و لوله دیگر حاوی سیالی با دمای پایین تر است که این سیالات، از طریق ورودی ها به داخل آنها هدایت می شود. زمانی که سیال ها از لوله ها عبور می کنند، به صورت غیرمستقیم با هم در ارتباط قرار گرفته و تبادل دمایی صورت می گیرد. بدین ترتیب دمای سیال سرد، افزایش یافته و دمای سیال گرم، کاهش می یابد.

مبدل های حرارتی دو لوله ، تعمیر و نگهداری کم هزینه ای دارند و استفاده از آنها راحت تر است. این مبدل ها، ساختار کوچکی داشته و فضای کمی می گیرند.

دسته بندی مبدل حرارتی دو لوله از لحاظ حرکت سیال

• همسو

در مبدل های حرارتی لوله ای همسو، مسیر جریان سیال گرم و سرد، موازی و هم جهت است. به همین دلیل راندمان انتقال حرارت در این نوع مبدل ها، پایین تر از نوع ناهمسو می باشد.

• ناهمسو

این نوع مبدل حرارتی، کاملاً برعکس نوع همسو بوده و مسیر گردش حرکت سیالات داخلی دو لوله، مخالف یکدیگر است. راندمان انتقال حرارت در این نوع مبدل بسیار بالاست؛ به همین دلیل بیشتر جهت تبادل حرارت سیالاتی استفاده می شود که سطح گرانروی بالایی دارد.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

از دیگر مبدل های حرارتی پرکاربرد، نوع پوسته و لوله بوده که از دو بخش اصلی لوله های باریک و پوسته تشکیل شده است. لوله های کاربردی در این مبدل حرارتی از نوع مسی بوده و مقطعی دایره ای دارند. معمولاً سیالاتی با ویسکوزیته بالا یا مایعاتی حاوی مواد جامد، در داخل پوسته به گردش در آمده و سیالات رقیق تر در داخل تیوب ها (لوله ها) به حرکت در می آیند. جنس پوسته را می توان از آهن یا استیل که مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند انتخاب کرد. این مبدل ها سبب ایجاد رسوب می شوند، به همین دلیل توصیه می شود در ورودی آنها از سختی گیر استفاده شود.

پیشنهاد مطالعه : دیگ روغن داغ

مبدل حرارتی پوسته و لوله از چه بخش هایی تشکیل شده است؟

در داخل این نوع مبدل های حرارتی ، از لوله های نازکی استفاده شده که می توانند از نوع تک پاس، دو پاس و چهار پاس باشند. در واقع تعداد دفعات گردش در داخل مبدل را پاس حرارتی می گویند و هر چقدر تعداد دفعات چرخش بالا باشد، بازدهی حرارتی افزایش خواهد یافت. این مبدل را برحسب نوع کاربری، می توان با آلیاژهای استیل، آلومینیوم، برنج و مس، تیتانیوم یا فولاد انتخاب کرد.

پوسته سبب می شود، فضای مناسب جهت گردش سیال در پیرامون لوله های نازک ایجاد گردد. در انتهای لوله های این مبدل حرارتی از یک تیوب شیت، جهت ثابت ماندن لوله ها و نگهداری آنها استفاده شده است. در بین لوله های داخلی این مبدل ها از یک سری صفحات استفاده شده تا افت حرارتی صورت نگیرد و راندمان افزایش یابد، به این صفحات بافل گفته می شود.

شیوه کارکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله

نحوه کار این مبدل، اینگونه است که ابتدا سیالی از داخل دسته ای از لوله ها که تمامی آنها به یک ورودی و خروجی وصل هستند عبور می کند. بدین ترتیب سیال دیگر که دمای متفاوتی دارد، در داخل پوسته و پیرامون لوله ها به جریان در می آید. اختلاف دمای بین این دو سیال سبب می شود، حرارت توسط جداره لوله ها از سیال گرم تر به سیال سردتر منتقل گردد. در نتیجه بدون تماس مستقیم بین دو سیال، تبادل حرارتی صورت می گیرد. 

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای ، به تعدادی پلیت مجهز شده که به هم وصل شده اند و جنس آنها معمولاً از استیل می باشد، در پلیت ها از کانال هایی جهت عبور سیال استفاده شده است. مبدل صفحه ایی در دو حالت واشردار و جوشی قابل ساختند که نوع واشردار در ظرفیت های بالا استفاده می شود و نوع جوشی در ظرفیت های پایین کاربرد دارد. استیل بودن این دستگاه ها، در انتقال مطلوب حرارت موثر بوده و نیز سبب می شود، مبدل های حرارتی مقاومت بالایی در برابر رسوب و خوردگی داشته باشند.

واشرهای کاربردی در مبدل صفحه ای ، در بین پلیت ها قرار دارند که جنس آنها از لاستیک طبیعی و یا EPDM است؛ این واشرها سبب آب بندی کامل مبدل می گردند. اتصالات ورودی و خروجی در مبدل های فوق را می توان از نوع رزوه ای، جوشی و یا فلنجی انتخاب کرد. به علت انبساط، اندازه ورودی و خروجی سیال گرم تر را بزرگ تر از ورودی و خروجی سیال سردتر انتخاب می کنند. مبدل صفحه ای مخصوص تبادل حرارت سیالات در حالت مایع و گاز یا دو فازی بوده و طوری طراحی شده اند که سیال گرم و سرد، بصورت یک در میان بین صفحات به جریان در می آیند.

اجزای تشکیل دهنده مبدل حرارتی صفحه ای

این مبدل حرارتی به میله راهنمای پایینی، میله راهنمای بالایی، صفحه ابتدایی، صفحه انتهایی، مهره، واشر، پیچ ها، صفحات، فاصله انداز، بلبرینگ و بوش گلویی مجهز شده است.

پیشنهاد مطالعه : یونیت هیتر

طرز کار مبدل حرارتی صفحه ای

در این نوع مبدل حرارتی صفحات پلیت که ضخامت کمی دارند، پشت سر هم قرار گرفته و فضای مناسبی بین آنها ایجاد می شود. سپس یک لوله سیال گرم و سیال سرد، در حالت یک در میان به صفحات مبدل حرارتی وصل می شوند. بگونه ای که سیال سرد و سیال گرم، به صورت یک در میان در بین فضای خالی صفحات جاری می گردد. در نتیجه عمل انتقال حرارت بهبود یافته و حرارت از طریق جداره صفحات، بین سیال ها منتقل می شود.

مبدل های حرارتی صفحه ای مانند نوع پوسته و لوله، نمی توانند دما و فشارهای بالا را تحمل کنند. اما از آنجایی که این لوله ها سطح انتقال حرارت بالایی داشته و ساختار کوچک و جمع و جوری دارند، امروزه در صنایع به محبوبیت ویژه ای دست یافته است.

کاربرد مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده

برخی مبدل های حرارتی صفحه ای، حالت لحیم کاری شده دارند. بطوری که صفحات فلزی کاربردی در آنها، در یک بلوک کنار هم جوش خورده اند. البته در این حالت نمی توان مثل مبدل های واشردار، صفحات را از فریم جدا کرد. انتقال حرارت در این نوع مبدل ها، با فشار و دمای بسیار زیادی صورت می گیرد؛ به همین دلیل راندمان بالایی داشته و در صنایع بزرگ بیشترین کاربرد را دارند.

مبدل های حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده، برای استفاده در چیلرها، هیت پمپ، سیستم های سرمایش و گرمایش منطقه ای (برای واحد رابط حرارتی) و … مناسبند و معمولاً از آنها، در نیروگاه ها و پالایشگاه های برق استفاده می شود.

مبدل حرارتی حلزونی

جهت گردش سیال ها در این مبدل حرارتی، به صورت چرخشی و حلزونی بوده و عملکرد این مبدل اینگونه است که صفحات مدور، دور هم جمع شده اند؛ به همین دلیل راندمان حرارتی افزایش یافته و افت انرژی کمتری صورت می گیرد. از مبدل های حرارتی حلزونی یا اسپیرال، جهت تبادل حرارت سیالاتی که گرانروی بالایی دارند استفاده می شود.

ساختار مبدل حرارتی مارپیچی یا حلزونی

این مبدل حرارتی به کویل هایی تجهیز شده که کویل ها در حالت حلزونی، پیچانده شده و در داخل پوسته قرار می گیرند. ابتدا و انتهای لوله های مارپیچی این مبدل، به ورودی و خروجی لوله اصلی وصل شده است، بطوری که محفظه پیرامون آن را پوشش می دهد. معمولاً جنس لوله های مارپیچی از مس یا فولاد کربن دار می باشد.

مبدل حرارتی هواخنک

مبدل حرارتی هواخنک ، در سه نوع قابل ساختند که شامل : مبدل حرارتی وی شکل (V) ، افقی و عمودی است که هر سه عملکرد مشابهی دارند. مبدل های حرارتی هوا خنک ، طوری طراحی شده اند که هیچگونه تماسی مابین سیال خنک شده و هوا وجود نداشته باشد. این سیستم ها حالت فن دار یا کولردار دارند؛ زیرا به یک یا چند فن و کویل مجهز شده اند. سیال با سطح حرارت بالا، به داخل لوله ها وارد شده و در مسیری پیچیده به جریان در می آید تا توسط هوای دمیده شده توسط فن، دمای سیال را خنک کند.

به بیانی دیگر باید گفت: در مبدل های حرارتی هواخنک ، سیال در داخل کویل ها یا کانال هایی که دارای سطوح فین دار هستند به جریان در می آید. سیال گاز یا همان هوای محیط، از سمت دیگر توسط فن دمیده شده و از روی لوله ها رد می شود. بدین ترتیب بر اثر تبادل حرارت سیال گرم، دمای هوای عبوری از روی لوله افزایش یافته و دوباره به محیط بازگردانده می شود.

مبدل حرارتی هواخنک در مراکز تولید دارو، صنایع غذایی، سیستم های تهویه مطبوع، صنایع شیمیایی، نیروگاه برق ، پالایشگاه های نفت و گاز و صنایع پتروشیمی بیشترین کاربرد را دارد.

طرز کار مبدل حرارتی هوا خنک

برای اینکه با عملکرد این مبدل حرارتی آشنا شوید، بهتر است مثالی از رادیاتور آورده شود. در حالت کلی گرمایش رادیاتور، با جریان آب داغ تامین می گردد که خنک سازی آب داغ ، بواسطه هوای دمیده شده توسط فن صورت می گیرد. ابتدا هوا با سرعت بالا از پیرامون لوله های پره دار (فین دار) عبور نموده و حرارت سیال داخلی لوله ها، به هوای محیط منتقل می گردد. پره های اطراف لوله ها همان کویل هستند که سبب می شوند، سطح انتقال حرارت افزایش یابد.

نکات مهم در مورد مبدل حرارتی

• تبادل حرارتی بین سیالات توسط مبدل های حرارتی، تنها در روش های تماس غیرمستقیم خلاصه نمی شود. بلکه برای تغییر دمای سیالات با مبدل های حرارتی، از روش تماس مستقیم نیز بهره وری می شود که در این حالت، از آنها کنار برج های خنک کننده و دی سوپر هیترها و … استفاده می شود.
• در مبدل های حرارتی تفاوت دمای بین سیالات گرم و سرد اهمیت بالایی دارد، سیال سرد همیشه می بایست دمایی کمتر از سیال گرم داشته باشد. در واقع دمای پایین سیال سرد، سبب رفع میزان حرارت بیشتری از سیال داغ می شود.
• مبدل حرارتی از لحاظ شیوه عملکرد، به مبدل های دو منظوره یا دو مسیره و مبدل های تک منظوره یا تک مسیره تقسیم شده است.

پیشنهاد مطالعه : دیگ آبگرم