مبدل حرارتی
مبدل حرارتی وسیله ای است که فرآیند تبادل حرارت بین دو سیال را که در دما های مختلف هستند تسهیل می کند. مبدل های حرارتی در بسیاری از کاربرد های مهندسی مانند سیستم‌های تبرید، گرمایش و تهویه مطبوع، نیروگاه ها، سیستم های پردازش شیمیایی، سیستم های پردازش مواد غذایی، رادیاتور های خودرو و واحد های بازیابی گرمای اتلاف استفاده و بهره برداری می شوند. پیش گرم کن های هوا، اکونومایزر ها، اواپراتور ها، سوپرهیتر ها، کندانسور ها و برج های خنک کننده مورد استفاده در نیروگاه چند نمونه از مبدل های حرارتی هستند.
انواع مبدل حرارتی
مبدل های حرارتی عناصر حیاتی در هر کارخانه ای هستند. در حالی که اکثر مبدل ها از نوع پوسته و لوله هستند، چندین نوع مهم دیگر نیز وجود دارد. اگر بخواهیم مبدل های حرارتی را از نظر فشار کاری تقسیم بندی نماییم باید به سه دسته؛ مبدل حرارتی کم فشار، مبدل حرارتی فشار متوسط و مبدل حرارتی پر فشار اشاره کنیم. اما این اجزای کاربردی در سیستم های تهویه مطبوع از نظر ساختاری نیز تفاوت های اساسی با یک دیگر دارند و از این نظر به چهار دسته؛ مبدل حرارتی لوله ای، مبدل حرارتی هوا خنک، مبدل حرارتی پوسته و لوله و مبدل حرارتی صفحه ای قابل تقسیم بندی هستند.
انواع مختلف مبدل های حرارتی عموماً دارای الزامات چیدمان مشابهی هستند، اما تفاوت هایی بین انواع آن ها وجود دارد که طراح چیدمان کارخانه باید از آن ها آگاه باشد.
- مبدل حرارتی لوله ای با طراحی دوبل
این نوع مبدل های حرارتی را می توان ساده ترین و رایج ترین مبدل هایی هستند که در صنعت بسیار مورد استفاده و بهره برداری قرار می گیرند. مبدل های حرارتی لوله ای دوبل را بیشتر با نام مبدل لوله ای یا تیوبلار می شناسند. قیمت ارزان این نوع مبدل های حرارتی چه از نظر هزینه اولیه و چه هزینه تعمیر و نگهداری موجب شده است تا صنایع کوچک از این نوع مبدل های حرارتی بسیار استقبال کنند.
از سوی دیگر راندمان پایین و فضای زیادی که در پیکربندی های بزرگ اشغال می کنند سبب شده تا در صنایع مدرن کم تر شاهد استفاده از این نوع مبدل های حرارتی باشیم. از نظر راندمان، مبدل های حرارتی پوسته و لوله و مبدل های حرارتی صفحه ای وضعیت به مراتب بهتری دارند.
در ساده ترین حالت، یک مبدل حرارتی لوله ای دارای دو لوله با قطر های متفاوت است که لوله کوچک تر به صورت هم مرکز درون لوله با قطر بزرگ تر قرار می گیرد. به این ترتیب، یک سیال درون لوله کوچک و سیال دیگر در فضای بین لوله کوچک و بزرگ به جریان می افتد و انتقال حرارت برای تکمیل سیکل گرمایش یا سرمایش صورت می گیرد. در برخی از مبدل های حرارتی به منظور افزایش سطح انتقال حرارت، دیواره داخلی لوله ها دارای فین یا پره های مخصوصی است.
مبدل های حرارتی لوله ای دوبل در شرایطی که نرخ جریان سیال ها پایین است و تغییرات دمای زیادی مورد نیاز می باشد گزینه های بسیار خوبی هستند. البته در حالت عکس یعنی زمانی که تغییرات دمایی کم برای جریان زیاد سیال مورد نیاز باشد نیز می توان از مبدل های حرارتی لوله ای استفاده کرد. برای این که به ظرفیت های بالا تری دست پیدا کنیم می توان چند واحد را به صورت سری یا موازی نصب کرد.
معمولا در چینش های چند تایی، مبدل های حرارتی لوله ای به صورت عمودی بر روی یک دیگر نصب می شوند و کاربرد های فراوانی در صنایع مختلف دارند که از جمله می توان به کاربرد آن ها در سیستم های تهویه مطبوع صنعتی به عنوان بویلر، کندانسور یا اواپراتور اشاره کرد.
- مبدل حرارتی پوسته و لوله
یکی دیگر از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی که به وفور در صنایع مختلف استفاده و بهره برداری می شود مبدل حرارتی پوسته و لوله می باشد. این نوع مبدل های حرارتی دارای تعدادی لوله هستند که درون یک پوسته استوانه ای شکل تعبیه شده اند. دو سیال با دما های اولیه متفاوت درون این نوع مبدل های حراتی به جریان می افتد به طوری که یکی از سیال ها از درون لوله ها و سیال دیگر نیز از درون پوسته یا فضای خارجی لوله ها در جریان است.
به این ترتیب، حرارت از طریق دیواره لوله ها بین دو سیال انتقال می یابد و بسته به نوع فرایند، حرارت گاهی از سیال درون لوله به سیال درون پوسته و یا بر عکس منتقل می شود. هر کدام از این سیال ها می تواند به حالت مایع یا گاز باشد و می تواند درون لوله یا پوسته به جریان بیفتد. مبدل حرارتی پوسته و لوله ای که در آن فقط از سیال مایع یا گاز در لوله و پوسته استفاده شده باشد، اصطلاحا مبدل تک فاز نامیده می شود.
مبدل های حرارتی دو فازی نیز وجود دارند که با استفاده از تغییر فاز ایجاد شده درون پوسته، برای انتقال حرارت و تبخیر مایع (بویلر) و خنک کردن بخار برای چگالش (کندانسور) به کار می روند.
شاید بتوان مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای را از پر کاربرد ترین نوع مبدل حرارتی در صنعت دانست که عموما برای سرمایش و گرمایش مایعات یا گاز ها به کار گرفته می شوند. طراحی آن ها انعطاف پذیری بالایی را ارائه می دهد و امکان استفاده از مبدل حرارتی در دما ها و فشار های مختلف میسر است. از این مبدل های حرارتی به طور گسترده ای در فرایند هایی که به سرمایش یا گرمایش در حجم زیادی از سیال مایع یا گاز نیاز است، استفاده می شود.
نیروگاه های تولید برق، صنایع تولید کاغذ، پتروشیمی و پالایشگاه ها، معادن و سیستم های تهویه مطبوع از جمله زمینه هایی هستند که این نوع مبدل های حرارتی به طور رایجی به کار می رود.
- مبدل حرارتی صفحه ای
در این نوع از مبدل های حرارتی از صفحات نازکی برای انتقال حرارت بین دو سیال با دمای سرد و گرم استفاده می شود. این صفحات می توانند داری سطوح صاف یا موج دار باشند و علاوه بر این که کانال هایی را برای به جریان افتادن سیال ها ایجاد می کنند، نقش جدا سازی آن ها از یک دیگر را نیز بر عهده دارند.
مزیتی که مبدل های حرارتی صفحه ای دارند این است که جریان سیال برای تبادل گرما در تماس با سطح بزرگ تری قرار دارد. سیال های سرد و گرم بر روی صفحات فلزی کاملا پخش شده و انتقال حرارت به شکل بهتری انجام می شود. در نتیجه تغییرات دمایی دلخواه در زمان کم تری به وقوع می پیوندد.
این مزیت سبب شده است تا نزدیکی دما در یک مبدل حرارتی صفحه ای به اندازه ۱ درجه سانتی گراد باشد، در حالی که این مقدار در مبدل های پوسته و لوله ای در حدود ۵ درجه سانتی گراد است. بنابراین اگر نرخ یکسانی از انتقال حرارت را در نظر بگیریم، ابعاد یک مبدل حرارتی صفحه ای نسبت به مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای به مراتب کوچک تر خواهد بود، چرا که سطوح انتقال حرارت در نوع صفحه ای بزرگ تر بوده و از همین رو، این نوع از مبدل ها به شکل فراگیری در صنایع مختلف مورد استفاده و بهره برداری قرار می گیرد.
مبدل های حرارتی صفحه ای یا پلیت با طراحی های مختلفی شامل واشر دار، لحیم کاری شده و جوشکاری شده تولید می شود و مکان و نحوه کاربرد این نوع از مبدل های حرارتی نیز با توجه به نوع طراحی متفاوت خواهد بود. برای مثال از مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار در سیستم های سرمایش و گرمایش منطقه‌ای، سیستم های تهویه مطبوع، صنایع مواد غذایی و بسیاری دیگر استفاده می شود.
از مبدل های حرارتی صفحه ای با طراحی لحیم کاری شده نیز می توان در سیستم های سرمایش و گرمایش منطقه ای، هیت پمپ و در چیلر ها استفاده کرد. مبدل های حرارتی صفحه ای با طراحی جوشکاری شده نیز در صنایع سنگین مانند پتروشیمی، پالایشگاه های نفتی و نیروگاه های برق کاربرد های فراوانی دارند.
- مبدل حرارتی هوا خنک
نوع دیگری از مبدل های حرارتی وجود دارد که به آن ها مبدل حرارتی هوا خنک، فن دار یا Dry Cooler نیز گفته می شود. در این مبدل های حرارتی تعدادی کویل یا لوله رفت و برگشتی وجود دارد که سیال با درجه حرارت بالا درون آن ها به جریان در می آید. تعدادی فن در ساختار این نوع از مبدل ها وجود دارد که با ایجاد جریان هوا در سطوح خارجی کویل و برخورد ذرات هوا با سطح داغ لوله ها و پره ها یا فین های مخصوصی که در سطح خارجی کویل وجود دارد، انتقال حرارت صورت می گیرد. به این ترتیب، سیال حرارت بالای خود را از دست می دهد و برای تکمیل سیکل مورد نظر در دمای پایین تری قرار می گیرد. مبدل های حرارتی هوا خنک در انواع عمودی، افقی و به شکل V طراحی و تولید می شوند.
این نوع از مبدل های حرارتی با نام برج خنک کننده خشک یا درای کولر نیز شناخته می شود و در صنایع مختلف نظیر نفت و گاز، صنایع هیدرولیکی، صنایع شیمیایی و صنایع سنگین کاربرد های گسترده ای دارد. در مکان هایی که شرایط آب و هوایی یا محیطی که امکان استفاده از سیستم های خنک کننده رایج مانند برج های خنک کننده میسر نیست، مبدل های حرارتی هوا خنک یک انتخاب ایده آل می باشد.
کاربرد های ویژه مبدل حرارتی
کاربرد های ویژه مبدل حرارتی عبارت است از:
- جوشاندن یک مایع با استفاده از گرمای یک مایع داغ تر
- جوشاندن مایع در حین متراکم کردن سیال گازی داغ تر
- خنک کردن سیال داغ با انتقال حرارت آن به سیال خنک تر
- گرم کردن سیال خنک تر با استفاده از گرمای یک سیال داغ تر
- متراکم کردن یک سیال گازی با استفاده از یک سیال خنک کننده
سیالات درون مبدل های حرارتی معمولاً به سرعت جریان می یابند تا انتقال گرما را از طریق جا به جایی اجباری تسهیل کنند. این جریان سریع منجر به کاهش فشار در سیالات می شود. راندمان مبدل های حرارتی به این موضوع اشاره دارد که چگونه گرما را نسبت به افت فشاری که متحمل می شوند، انتقال می دهند. فناوری مبدل حرارتی مدرن تلفات فشار را به حداقل می رساند و در عین حال انتقال حرارت را به حداکثر می رساند و سایر اهداف طراحی همانند تحمل فشار های بالای سیال، مقاومت در برابر رسوب و خوردگی و امکان تمیز کردن و تعمیرات را برآورده می کند.
برای استفاده مؤثر از مبدل های حرارتی در یک تأسیسات چند فرآیندی، جریان های حرارتی باید در سطح سیستم در نظر گرفته شوند، به عنوان مثال از طریق تجزیه و تحلیل پینچ، نرم افزار ویژه ای برای تسهیل این نوع تجزیه و تحلیل و شناسایی و اجتناب از موقعیت هایی که احتمال تشدید رسوب مبدل حرارتی را دارند، وجود دارد.
قیمت مبدل حرارتی
توجه به مواردی از قبیل کاربری مبدل حرارتی، فشار کاری مبدل حرارتی، ظرفیت حرارتی، نوع سیال های واسطه انتقال حرارت و دمای کاری، در انتخاب مبدل حرارتی مناسب لازم است. با توجه به نوع کاربرد و محلی که قصد استفاده از مبدل حرارتی را دارید، باید یکی از چهار نوع اصلی مبدل های حرارتی را انتخاب کنید. قیمت مبدل حرارتی با توجه به نوع آن و کاربردی که دارد متفاوت است. برای دریافت مشاوره و انتخاب بهترین مبدل حرارتی با توجه به نیازمندی های خود می توانید از کارشناسان خبره شرکت ناب زیست راهنمایی بگیرید.