مبدل حرارتی

در صنایع مختلف همچون صنعت خودرو، نفت، گاز، تهویه هوای مطبوع و … به تجهیزات و وسایل گوناگونی نیاز است که مبدل حرارتی را می توان از مهمترین آن به حساب آورد. این وسیله که به Heat Exchanger نیز شهرت دارد مبادله کننده حرارت است و به منظور انتقال حرارت بین دو سیال مورد استفاده قرار می گیرد. برای آشنایی بیشتر با کاربرد و انواع این وسیله تا انتهای مطلب ما را همراهی بفرمایید.

مبدل حرارتی مخازن ماشین وزین

امروزه با پیشروی اغلب کشورهای جهان به سمت صنعتی شدن و ارتقای تکنولوژی، کاهش منابع طبیعی انرژی و روند افزایشی قیمت آن، اهمیت کنترل مصرف انرژی بیش از پیش احساس می‌شود. یکی از مفیدترین روش‌هایی کنترل مصرف انرژی و بهینه‌سازی آن، استفاده از مبدل‌های حرارتی است.

تعریف مبدل حرارتی Heat Exchanger

مبدل‌ حرارتی همانطور که از نام آن مشخص است، قطعه یا دستگاهی  در اشکال گوناگون است که وظیفه آن انتقال حرارت بین دو یا چند سیال مایع یا گاز است. در واقع در یک فرآیند با درجه حرارتی معین، به وسیله مبدل حرارتی، حرارت از یک سیال (گاز یا مایع) سرد و گرم به سیالی دیگر انتقال می‌یابد؛ در این بین تماس یا ترکیبی بین دو یا چند سیال صورت نمی‌گیرد و تنها حرارت مبادله می‌شود.

با این تعریف، به خوبی نقش پررنگ مبدل‌های حرارتی در ذخیره‌سازی، افزایش راندمان و جلوگیری از اتلاف انرژی و در نتیجه افزایش بازدهی واحد‌های صنعتی نمایان می‌شود. مبدل‌های حرارتی ضروری‌ترین تجهیزات در صنایع نفت و پتروشیمی هستند و غفلت در استفاده صحیح از آن‌ها می‌تواند خسارات جبران‌ناپذیر جانی و مالی ( ناشی از اتلاف انرژی، انفجار و…) به بار ‌آورد.

انواع مبدل حرارتی  

مبدل‌های حرارتی از لحاظ ساختار طراحی، به سه گروه زیر تقسیم می‌شوند که در این مقاله به معرفی دو گروه اول می‌پردازیم.

  1.  مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای Plate
  2. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله Sell and tube
  3. مبدل‌های حرارتی لوله‌ای دوبل Tubular

توانایی ذخیره‌سازی و بازمصرفی حرارت‌های تولید شده‌ در صنایع توسط مبدل‌های حرارتی، این تجهیزات را به یکی از اصلی‌ترین قطعات مورد توجه طراحان خطوط صنعتی تبدیل نموده است. مهم‌ترین صنایعی که برای افزایش بازدهی واحد‌های خود نیازمند استفاده از قابلیت‌های مبدل حرارتی هستند شامل موارد زیر هستند:

  • صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
  • صنایع شیمیایی و دریایی
  • صنایع داروسازی و مواد غذایی
  • سیستم گرمایش استخرها و خنک‌سازی روغن‌های هیدرولیکی
  • صنایع تولید برق و ذوب
  • انواع سیستم‌ها و تجهیزات تهویه‌ مطبوع مانند: موتورخانه، برج خنک‌کننده، کندانسور و…

مبدل حرارتی پوسته و لوله

این مبدل ها از تعداد زیادی لوله با قطر کم، که داخل یک پوسته استوانه ای قرار دارند، تشکیل شده اند. لوله ها در جای خود ثابت اند و می توانند U شکل یا صاف باشند. جنس لوله ها معمولا از مس است اما بر اساس کاربردشان می توانند از فولاد زنگ نزن(استیل)، نیکل، برنج و تیتانیوم هم باشندکه درون پوسته ای فلزی قرار می گیرند. در این مبدل ها دو سیال وجود دارد که یکی در لوله ها جریان دارد و دیگری اطراف لوله ها و درون پوسته قرار دارد. مبدل های پوسته و لوله سطح تماس زیادی دارند که باعث می شود تبادل گرمایی را در حجم کم به خوبی انجام دهند. معمولا در کندانسور ها و مولد های بخار از این نوع مبدل ها استفاده می شود.

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله را می‌توان به عنوان پرمصرف‌ترین نوع مبدل حرارتی در صنایع مختلف معرفی نمود که به صورت گسترده، به منظور مبادلات دمایی میان سیالات گوناگون قابل استفاده هستند و قابلیت تحمل فشار و دمای بالا را دارند. مبدل‌های پوسته و لوله از دسته‌های فراوان لوله که داخل یک مخزن استوانه‌ای شکل ( پوسته) قرار گرفته‌اند، تشکیل می‌شود. همه‌ لوله‌ها به یک خروجی و ورودی متصل هستند. جنس لوله‌ها غالبا از مس و استیل است و گاهی با توجه به نوع کاربری می‌تواند از جنس برنج، آلومینیوم، نیکل و… نیز باشد. استاندار تما(TEMA) محدوده قطر استاندارد برای لوله‌ها و پوسته را به ترتیب، ۱.۴ تا ۲.۱۲ اینچ و ۶ تا ۶۰ اینچ اعلام کرده است.

فرآیند عملکردی مبدل حرارتی پوسته و لوله چگونه است؟ عملکرد این مبدل‌ها به این شکل است که یک سیال با دمای اولیه مشخص داخل لوله‌ها و سیالی دیگر در محیط اطراف لوله‌ها، یعنی در داخل پوسته جریان می‌یابد و به این ترتیب طی تماسی غیرمستقیم، این دو سیال از طریق دیواره لوله‌ها و اختلاف دمایی موجود، مبادله انرژی انجام می‌دهند؛ حرارت از سیالی که دمای بالایی دارد به سیال دیگر منتقل می‌شود.

اجزای تشکیل دهنده مبدل حرارتی پوسته و لوله

هر مبدل حرارتی پوسته و لوله دارای یک سری اجزای اصلی است و در برخی از مدل‌ها ممکن است قطعات اضافه‌ای هم بسته به کارایی و نوع صنعت داشته باشند. پوسته، لوله یا تیوب ( خمیده با مستقیم)، پیچ و مهره، واشر، نازل‌ها، بافرها، هد جلو و عقب، تای رود و فلنج بادی از قطعات اصلی مبدل‌های پوسته و لوله هستند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

چه سیالاتی برای جریان یافتن داخل لوله‌ها و پوسته مناسب هستند؟

سیالاتی که فشار کاری بالا و خاصیت خورندگی و رسوب‌گذاری بیشتری دارند، با توجه به اینکه امکان تمیزکاری و استفاده از جت آب داخل لوله‌ها آسان‌تر است، برای جریان یافتن درون قسمت لوله‌ای است مبدل‌ها مناسب هستند، از طرفی دیگر سیالاتی با حجم سخت مانند بخار به دلیل آنکه ممکن است ترک یا آسیبی به دیواره لوله ایجاد کنند، بهتر است در داخل محیط پوسته جریان یابند. در لوله‌های U شکل، به دلیل آنکه امکان استفاده از جت آب جهت تمیزکاری وجود ندارد، می‌توان به طور استثنا سیالات رسوب‌گذار را درون پوسته جریان داد.

مبدل حرارتی استخری

سیستم هایی مانند استخر و جکوزی به وسیله ای کاربردی نیاز دارند تا خیلی سریع انرژی حرارتی را به آب انتقال دهند و از این طریق گرمایش مطبوعی را ایجاد نمایند. این وسیله در واقع همان مبدل حرارتی استخری است که برای چنین مکان هایی طراحی شده تا دمای مطلوب آب را تنظیم کند. در واقع مبدل حرارتی استخری دستگاهی است که وظیفه انتقال حرارت بین دو سیال مختلف را به طور غیر مستقیم بر عهده دارد.

این وسیله در واقع ساده ترین و رایج ترین روش برای گرم کردن آب استخر به حساب می آید. مبدل حرارتی استخری و یا هر نوع مبدل حرارتی دیگر، بدون این که موجب ترکیب شدن دو سیال (مایع و گاز) با هم شود یا به نوعی در تماس با یکدیگر قرار بگیرند، گرما را از سیال اول به سیال دوم انتقال می دهد. به بیانی دیگر گرمای ایجاد شده را بدون انتقال سیالی، در محیط مد نظر توزیع می کند.

تبادل کننده حرارت استخری، از دسته مبدل های پوسته و لوله می باشد که از دو مدار گردش ساخته شده است. یک مدار آب گرم استخر و مدار دیگر هم آب گرم مورد نیاز بویلر و شوفاژ ساختمان را تامین می کند. دلیل استفاده از این نوع مبدل های حرارتی، مقاومت بالا در برابر سختی آب و مواد شیمیایی است. از این رو در مقایسه با سایر مدل ها دیرتر دچار رسوب می‌شود. مبدل حرارتی استخری اگر در همان ابتدا به درستی انتخاب نشود و یا این که خوب کار نکند، کیفیت گرمایشی آب را تحت تاثیر قرار می دهد و نمی تواند گرمایی مطلوب فراهم آورد.

کاربرد مبدل حرارتی

مبدل های حرارتی از جمله سیستم هایی هستند که به منظور انتقال حرارت اعم از سرما و گرما بین دو یا چند سیال مورد استفاده قرار می گیرند. به همین دلیل تجهیزاتی کارآمد هستند و در صنایع مختلفی مانند نفت، گاز، پتروشیمی و خودرو سازی کاربرد دارند. از مهمترین کاربرد مبدل حرارتی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • تقطیر حلال
  • تقطیر محلول های چند ماده ای
  • خنک دهی و گرما دهی راکتورها
  • خنک دهی (کولر) هیدروکربن
  • خنک کاری مدارهای آب
  • بازیافت حرارت در فرایندهای پتروشیمی
  • تولید آب داغ بویلر و استخر
  • گرم کننده نفت خام
  • گرم کننده گاز طبیعی
  • و …

انواع مبدل حرارتی

اگر چه مبدل های حرارتی وظیفه تبادل حرارت بین دو سیال را بر عهده دارند اما بر اساس یکسری پارامترها به انواع مختلفی تقسیم می شوند که هر کدام برای محیط و کاربری خاصی مناسب هستند. مبدل ها بر مبنای فشار کاری سیال در سه دسته فشار بالا، فشار متوسط و فشار پایین جای می گیرند. همچنین بر اساس ساختار به صورت لوله ای، شل اند تیوب، فن دار و صفحه ای طراحی می شوند.

مبدل حرارتی لوله ای

این مبدل از دو لوله تشکیل شده که لوله با قطر کمتر در درون لوله ای با قطر بزرگتر قرار گرفته است. وضعیت این دو لوله به صورت هم مرکز می باشد و تبادل حرارتی بین دو سیال از طریق لوله کوچکتر انجام می گیرد. در واقع از ابتدایی ترین و ساده ترین نوع تبادل حرارتی به حساب می آید و به دلیل راندمان انتقال حرارت کمتر، بیشتر برای سیالات گازی و در زمان بالا بودن فشار مورد استفاده قرار می گیرد.

مبدل شل اند تیوب

شل اند تیوب که بیشتر آن را با نام مبدل پوسته و لوله می شناسند، به لحاظ ساختاری از تعدادی لوله تشکیل شده که پوسته ای اطراف آن ها را احاطه نموده است. لوله هایی که در داخل قرار دارند با سیال مایع و لوله های اطراف نیز با سیال گازی در تماس هستند. همچنین میزان حرارت در داخل نسبت به اطراف کمتر می باشد. جنس لوله های طراحی شده می تواند از متریال های مختلفی از مس، آلومینیم، برنج، استیل و یا نیکل باشد. در حال حاضر از پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی در بخش صنعتی است. این نوع مبدل در انواع u شکل، مستقیم یک پاس و مستقیم دو پاس وجود دارد.

مبدل صفحه ای

مبدل صفحه ای یا پلیتی از کنار هم قرار گرفتن تعدادی صفحه کوچک ساخته شده و آب بندی آن به صورت یکی در میان است. دو سیال که یکی دمای بالا و دیگری دمای پایین دارد با وارد شدن به این صفحات فلزی، تبادل حرارتی را انجام می دهد. به دلیل تحمل فشار کم، برای کاربری هایی که به میزان فشار بالایی نیاز دارند نمی تواند مورد استفاده قرار بگیرد.

مبدل فن دار

مبدل فن دار، از یک تا تعدادی فن یا کویل ساخته شده است. سیال مد نظر وقتی با درجه حرارت بالا از کویل عبور می کند بر اثر وزیدن هوا از سمت فن های موجود، حرارت اضافی آن گرفته می شود. در نتیجه تبادل حرارتی به شکل مطلوبی انجام می گیرد. این نوع از مبدل ها به سه دسته عمودی، افقی و v شکل تقسیم می شوند.

مبدل حرارتی صفحه ای

هر مبدل حرارتی صفحه‌ای از تعداد فراوانی صفحات نازک فلزی تشکیل شده است که با فاصله اندک و به صورت فشرده در کنار هم قرار گرفته‌اند. این صفحات به صورت یکی در میان نسبت به هم آب‌بندی شده‌اند. در واقع  مبدل‌های صفحه‌ای را می‌توان نسل جدید مبدل‌های حرارتی معرفی کرد که به دلیل مزایای متعدد آن‌ها، امروزه استفاده از آن‌ها در صنایع فراگیر شده است.

جنس صفحات این مبدل‌ها از فولاد ضد زنگ (استنلس استیل ۳۱۶) است، بنابراین استحکام بالایی در برابر خوردگی و دمای بالا دارند. در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای، سیال‌های سرد و گرم در کانال‌ها یا شیارهای موجود در صفحات آن‌ها جریان پیدا می‌کنند و با توجه به شکل ظاهری، سطح وسیعی را برای مبادله جریان فراهم می‌کنند که باعث برتری و ارتقای بازدهی این نوع مبدل‌ها نسبت به مبدل‌های پوسته و لوله می‌شود.

این نوع مبدل حرارتی از تعدادی صفحه تشکیل شده که تبادل گرمایی انجام می دهند. این صفحات با توجه به کاربردی که دارند و نوع سیالی که بین صفحات استفاده می شوند، به دو نوع واشریGasket و جوشیbruzzed تقسیم می شوند. مبدل های جوشی خود به دو نوع مبدل حلزونیSpiral plate و لاملاLamella  تقسیم می شوند. در ادامه شرح مختصری از هر نوع مبدل صفحه ای ارائه خواهد شد: مبدل واشری، تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار است که سیال های گرم و سرد را از یکدیگر جدا می کند. این نوع از مبدل ها عمدتا در صنعت تاسیسات و تهویه مطبوع، صنایع غذایی، پتروشیمی و…استفاده می شوند. مبدل های حلزونی با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزون با استفاده از یک میله اضافی و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می شوند. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ایجاد می شود که انتقال گرما را انجام می دهد. مبدل های حرارتی صفحه ای از نوع لاملا، کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که به طور موازی جوشکاری شده اند و به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند.  

اجزای تشکیل دهنده مبدل حرارتی صفحه ای

واشرهای آب‌بندی، صفحات مبدل، پیچ‌های فشاری، فریم یا قاب متحرک و ثابت، میله حامل و تکیه‌گاه از جمله قطعات اصلی سازنده هر مبدل حرارتی صفحه‌ای هستند.

مبدل حرارتی صفحه ای

مزایا

  • کم‌هزینه بودن راه‌اندازی، حفظ و تعمیرات مبدل‌های صفحه‌ای
  • امکان افزودن یا کاهش دادن تعداد صفحات مبدل روی قاب‌ها
  • برخورداری از راندمان و ضریب انتقال فوق‌العاده
  • طول عمر بالا با توجه به خاصیت ضد اسیدی بودن صفحات
  • کاهش میزان اشغال فضا تا ۸۰_۹۰ درصد
  • دارای بیشترین ضریب اطمینان عملکرد

معایب

  • در مقایسه با نوع پوسته و لوله، میزان مقاومت نسبت به حرکت جریان بیشتر است
  • امکان بروز نشتی به دلیل مهر و موم ضعیف و تعمیرات سخت
  • با توجه به کوچک بودن مسیر جریان، برای تبادل حرارت گاز و میعانات بخاری مناسب نیستند
  • محدودیت دمایی و فشاری در عملیات‌ها

مبدل‌های حرارتی هوا خنک

این نوع مبدل ها عمدتا برای کاربردهای ” گاز-گاز” یا “مایع-گاز” استفاده می شوند. در این مبدل ها جریان هوای مورد نیاز برای خنک کردن سیال داخل لوله ها، بوسیله یک فن دمشی یا مکشی تامین می شود و خنک کنندگی، توسط جریان هوا انجام می شود. در این مبدل ها هیچ تماسی بین سیالی که خنک می شود و هوا وجود ندارد. سیال با درجه حرارت بالا وارد لوله های (کویل) شده و در مسیری پر پیچ و خم حرکت می کند تا کم کم به وسیله هوایی که از فن ها دمیده می شود، خنک گردد. به طور کلی مبدل های حرارتی در صنایع و دستگاه های مختلف مانند دیگ بخار، کندانسور، اواپراتور، پیش گرم کن فن کویل، رادیاتور، مولد بخار و…. استفاده می شوند.

مبدل حرارتی،مخازن ماشین وزین،قیمت چیلر
مبدل حرارتی،مخازن ماشین وزین،چیلر

برای دریافت اطلاعات بیشتر از مبدل حرارتی میتوانید اینجا کلیک کنید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *