مبدل حرارتی وسیله‌ای است که برای انتقال انرژی حرارتی (آنتالپی) بین دو یا چند سیال، بین یک سطح جامد و یک سیال، یا بین ذرات جامد و یک سیال، در دماهای مختلف و در تماس حرارتی طراحی و ساخته می‌شود. مشخصه‌ی اصلی مبدل‌های حرارتی، عدم وجود فعل و انفعالات حرارتی و کاری خارجی (در حالت ایده‌آل) است. کاربردهای متداول این تجهیزات شامل گرمایش یا سرمایش جریان‌های سیال، تبخیر یا میعان جریان‌های تک‌جزئی یا چند جزئی است. علاوه بر این، از مبدل‌های حرارتی میتوان برای بازیابی یا دفع گرما، استریل کردن، پاستوریزه کردن، جداسازی، تقطیر، تغلیظ، کریستالیزاسیون یا کنترل فرآیند استفاده کرد. در این مقاله با انواع مبدل‌های حرارتی، ویژگی‌ها و کاربردهای آنان آشنا خواهیم شد.
فهرست مطالب
معرفی مبدل حرارتی
همان‌طور که در مقاله معرفی نرم افزار HTRI، طراحی مبدل حرارتی نیز خواندیم، مبدل حرارتی یا به عبارت صحیح‌تر، تبادل‌گر حرارتی، یکی از مهمترین و پرکاربردترین تجهیزات فرآیندی هستند. وظیفه این تجهیزات انتقال حرارت ایجاد شده به علت اختلاف دما، بین دو یا چند سیال است. بنابراین مبدل‌های حرارتی در هر دو فرایند سرمایش و گرمایش به کار گرفته می‌شوند. نحوه عملکرد مبدل‌ها با توجه به نوع آن‌ها متفاوت است که در ادامه توضیح داده خواهد شد. صنایعی مانند تهویه مطبوع، خودرو و نفت و گاز، از اصلی‌ترین صنایع استفاده‌کننده از این تجهیزات هستند، هر چند که موارد استفاده به این صنایع محدود نمی‌شود.
دسته‌بندی کلی مبدل‌های حرارتی
مبدل های حرارتی از نظر ساختار طراحی و نحوه عملکرد به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند. پس از شرکت در دوره آموزش نرم افزار اچ تی آر آی HTRI شما قادر به شبیه‌سازی و طراحی مبدل‌های حرارتی صنعتی خواهید بود. انواع اصلی مبدل‌های حرارتی به شرح زیر هستند که در ادامه مقاله به تفصیل به آن‌ها میپردازیم:
- مبدل های لوله‌ای
- مبدل های صفحه‌ای
- مبدل های با سطوح پره‌دار
مبدل‌های لوله‌ای
مبدل‌های لوله‌ای که تقریبا رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع مبدل‌ها هستند، در حالت کلی از لوله‌هایی ساخته شده‌اند که سیال داخل یا اطراف آن‌ها در حرکت است.
این مبدل‌ها در سه نوع مورد استفاده قرار می‌گیرند:
- مبدل‌های دو لوله‌ای (Double-Pipe)
این نوع مبدل‌های گرمایی از دو لوله U شکل هم مرکز با قطرهای متفاوت تشکیل شده‌اند که یک سیال در لوله داخلی و سیال دوم بین دو لوله جریان دارد. به دليل تمیزکاری و تعمير و نگهداری راحت مي‌توانند در شرايط رسوب زياد نیز مورد استفاده قرار گیرند.
- مبدل پوسته-لوله (Shell-Tube)
همان‌طور از عنوان پیداست، دسته‌ای از لوله‌ها که داخل یک پوسته قرار می‌گیرند، ساختار اصلی مبدل‌های پوسته-لوله را تشکیل می‌دهند. نوع قرارگیری به گونه‌ای است که محور لوله‌ها با محور پوسته موازی شود. در اين نوع مبدل‌ها یک سیال داخل لوله‌ها و سیال ديگر در سمت پوسته قرار میگیرد.
در حالت توسعه‌یافته مبدل‌های پوسته-لوله، لوله‌ها به کمک يک فرآيند ويژه شكل‌دهی به صورت پیچشی توليد می‌شوند در داخل دسته لوله قرار می‌گيرند. یکی از مزیت‌های این کار، چرخشی شدن حرکت جریان در لوله و افزایش آشفتگی جریان است. مزیت بعدی این است که لوله‌ها به نحوی در فاصله نزدیک روی همدیگر قرار می‌گیرند که مانع لرزش لوله‌ها می‌شوند و در نتيجه نیازی به بافل نگهدارنده نيست. این توسعه باعث افزايش ضريب انتقال حرارت، كاهش افت فشار و كاهش ميزان رسوب شده است.
- مبدل لوله‌ای-حلزونی (Spiral-Tube)
در این اين مبدل‌ها كويل‌هايی به صورت حلزونی پیچیده شده و در يک پوسته قرار گرفته‌اند و اغلب در سيستم‌های تبريد استفاده می‌شوند. از آنجایی که تميز كردن این مبدل‌ها بسیار سخت و عملا غيرممكن است، معمولا از آن‌ها برای سيال‌های تميز استفاده می‌شود.
مبدل‌های صفحه‌ای
مبدل حرارتی صفحه‌ای یکی از جالب‌ترین ابزارها در زمینه انتقال حرارت محسوب می‌شوند. ساختار مبدل‌های صفحه‌ای به این گونه است که ورقه‌های نازک فلزی (اغلب با سطح موج‌دار) درون یک قاب محکم کنار هم قرار می‌گیرند و هر صفحه کانالی باریک برای عبور دو سیال گرم و سرد ایجاد می‌کند. همین طراحی فشرده باعث می‌شود سطح تماس بسیار زیادی در فضایی کوچک به‌وجود آید و راندمان انتقال حرارت نسبت به مبدل‌های پوسته-لوله به طرز چشمگیری افزایش پیدا کند.
عملکرد سطح بالای این تجهیزات به این دلیل است که سیال گرم و سرد در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند و بیشترین میزان انرژی حرارتی را مبادله می‌کنند. این موضوع همان اصل بنیادین ترمودینامیک است که حرارت همیشه از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود تا به تعادل برسند، این انتقال بدون هیچ‌گونه اختلاطی فقط از میان صفحات فلزی صورت میگیرد.
نخستین مبدل حرارتی صفحه‌ای در دهه ۱۹۲۰ توسط دکتر ریچارد زلیگمن معرفی شد. از آن زمان تاکنون، این فناوری از بویلرهای کوچک آب گرم خانگی گرفته تا سیستم‌های عظیم صنعتی در مقیاس‌های مختلف توسعه یافته است. کاربردهای مبدل صفحه‌ای بسیار متنوع و گسترده است. در سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC) این مبدل‌ها برای گرم یا سرد کردن سیال‌ها با حداقل اتلاف انرژی به کار می‌روند. در صنایع غذایی و نوشیدنی نیز نقش مهمی دارند، از پاستوریزه و استریل کردن تا خنک‌سازی سریع محصولات.
علاوه بر از صنایع غذایی، صنایعی مانند کاغذ و خمیر، پتروشیمی و پالایشگاه‌ها نیز از مبدل صفحه‌ای برای فرایندهای گرمایش، سرمایش یا بازیافت حرارت استفاده می‌کنند. این صفحات قابلیت کار با سیالات گوناگون مانند مایعات خوراکی و اسیدهای خورنده را دارند. این مبدل‌ها همچنین در سیستم‌های حرارتی خورشیدی و نیروگاه‌ها به کار می‌روند. ترکیب بازدهی بالا و طراحی بهینه باعث می‌شود استفاده از آن‌ها به طور مستقیم روی صرفه‌جویی انرژی و کاهش هزینه‌ها اثر بگذارد.
مبدل‌های صفحه‌ای بسته به نیاز صنعتی در انواع گوناگونی طراحی و ساخته می‌شوند. رایج‌ترین نوع آن‌ها مبدل‌های واشردار است که به کمک واشرهای قابل تعویض آب‌بندی می‌شوند و انعطاف‌پذیری و تعمیرپذیری بالایی دارند. در مقابل، مدل‌های لحیم‌کاری‌شده با اتصالات مسی بسیار فشرده و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هستند و بیشتر در کاربردهای کوچک مانند بویلرهای کافه‌ها استفاده می‌شوند. نمونه‌های جوش‌کاری کامل یا نیمه‌جوش نیز برای شرایط فشار بالا یا سیالات تهاجمی مناسب‌اند.
نوع دیگری از مبدل‌ها با صفحات دوبل یا جوش لیزری طراحی می‌شوند که سطح ایمنی بالاتری دارند و از آلودگی متقابل سیالات جلوگیری می‌کنند. در مدل‌های نیمه‌جوش نیز بخشی از اتصالات به وسیله جوش و بخشی به کمک واشر انجام می‌شود که ترکیبی از مقاومت و سهولت سرویس‌دهی را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.
مبدل‌های با سطوح پره‌دار
پره‌ها در حقیقت سطوح توسعه‌یافته‌ای هستند که برای افزایش راندمان انتقال حرارت به کار می‌روند. این سطوح فلزی با افزایش مساحت تماس بین لوله یا سطح جامد و سیال اطراف، امکان انتقال حرارت سریعتر را فراهم می‌کنند. اهمیت پره‌ها زمانی بیشتر می‌شود که سیالی مانند هوا با رسانایی حرارتی پایین درگیر باشد، جایی که پره‌ها نقش یک تقویت‌کننده مهم را ایفا می‌کنند.
این سطوح توسعه‌یافته می‌توانند به شکل‌های مختلفی طراحی شوند. ساده، موج‌دار، دندانه‌دار یا سوراخ‌دار که به دور لوله‌ها پیچیده یا بین صفحات فشرده می‌شوند. هندسه هر نوع پره بر اساس تعادل بین افزایش سطح تماس و مقاومت جریان هوا انتخاب می‌شود. مبدل‌های با سطوح پره‌دار از لایه‌هایی متناوب از صفحات صاف و ورق‌های موج‌دار تشکیل می‌شوند که اتاقک‌هایی غنی از پره ایجاد می‌کنند. در این ساختار، گازها و مایعات حتی در اختلاف دمای کم نیز با بازدهی بالا تبادل حرارت دارند.
مهمترین کاربرد مبدل‌های پره‌دار در سیستم‌های تهویه مطبوع است. رادیاتورها، کندانسورها و کویل‌های هوارسانی بر پایه همین فناوری کار می‌کنند و جریان مداوم هوا را در ساختمان‌ها یا وسایل نقلیه ممکن می‌سازند. در اینجا پره‌ها نقش بسیار مهمی در بهبود انتقال حرارت ایفا می‌کنند.
در صنعت خودروسازی، رادیاتورها بهترین نمونه از این نوع مبدل‌های حرارتی هستند. پره‌های شکل‌داده‌شده سطح تماس میان مایع خنک‌کننده و هوای عبوری را افزایش داده و موتور خودرو را در دما مطلوب نگه می‌دارند. در هوافضا نیز طراحی‌های پیشرفته مانند رول‌فین و صفحه‌فین برای غلبه بر محدودیت وزن و فضا به کار گرفته می‌شوند.
نیروگاه‌ها و صنایع سنگین نیز از مبدل‌های پره‌دار بهره می‌برند. کاربردهایی مانند کندانسورهای هوا خنک، سیستم‌های بازیافت حرارت و پیش‌گرم‌کن‌ها تنها بخشی از موارد استفاده آن‌هاست. هر جا که هوا یا گاز ارزان ولی کم‌بازده باشد، مبدل‌های با سطوح پره‌دار بهترین گزینه مهندسی محسوب می‌شوند. تنوع طراحی در مبدل‌های پره‌دار زیاد است. در مدل‌های لوله‌ای، فین‌های فلزی به صورت مارپیچی یا لایه‌ای به دور لوله‌ها اضافه می‌شوند و بیشتر در کویل‌های کندانسور یا سیستم‌های HVAC به کار می‌روند.
نوع دیگر، مبدل‌های اکستروژن‌فین هستند که پره‌ها به صورت یکپارچه روی لوله‌ها ایجاد می‌شوند. این روش تماس حرارتی کامل‌تری فراهم می‌کند و بازدهی بالاتری دارد. در مبدل‌های لوله-پره نیز انواع مختلفی مانند پره‌های L، پره‌های تعبیه‌شده و اکستروژن وجود دارد که هرکدام در عملکرد حرارتی و دوام تفاوت‌هایی دارند.
کاربردهای صنعتی و نکات مهم در انتخاب مبدل حرارتی
برای انتخاب مبدل حرارتی مناسب، مهندسین باید جوانب مختلفی را در نظر بگیرند. برای مثال شرایط عملیاتی (تغییر فازها، بار حرارتی، اختلاف دمایی مورد نظر)، میزان پاکیزگی جریان‌ها، محدودیت‌های فشار و دما، نیاز به گرمایش یا سرمایش، الزامات نگهداری، و سازگاری مواد با سیالات درگیر. در دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان می‌توانید تحلیل این موارد که مهمترین معیارها برای تصمیم‌گیری در مورد مبدل حرارتی مناسب هستند را فرا بگیرید. پس از بررسی این موارد و شناسایی معیارهای مسئله، گام بعدی انتخاب ابعاد و اندازه است و تعریف یک چارچوب عملی برای سایزبندی است. سایزبندی نه صرفا یک محاسبه ریاضی، بلکه ترکیبی از شناخت نوع مبدل و درک محیط عملیاتی آن است. در این جول می‌توانید مقایسه جامع انواع مبدل‌های حرارتی را مشاهده نمایید:
|
نوع مبدل |
مزایا |
معایب |
|
مبدل‌های لوله‌ای |
استحکام و دوام بالا در فشار زیاد، امکان تغییر اندازه و تعداد لوله‌ها |
راندمان حرارتی نسبتا پایین، هزینه اولیه ساخت و نصب بالا |
|
مبدل‌های صفحه‌ای |
ابعاد کوچک و اشغال فضای کمتر، قابلیت جداسازی و تمیزکاری آسان صفحات |
محدودیت در کار با فشار و دمای بسیار بالا، احتمال نشتی بین صفحات در طول زمان |
|
مبدل‌های با سطوح پره‌دار |
سبک‌تر و اقتصادی‌تر نسبت به لوله‌ای در برخی کاربردها، کارایی خوب در سیستم‌های تهویه و خنک‌کننده‌ها |
تمیزکاری و نگهداری دشوار به دلیل تجمع گردوغبار بین پره‌ها، آسیب‌پذیری مکانیکی پره‌ها |
جمع‌بندی
در این مقاله به معرفی و بررسی انواع مبدل‌های حرارتی و کاربرد هر کدام از آن‌ها پرداختیم. این تجهیزات که از مهمترین تجهیزات فرایندی هستند، در طیف وسیعی از صنایع به ویژه در نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاهی کاربرد دارند. از آنجایی که وظیفه‌ی اصلی این تجهیزات، انتقال بهینه‌ی انرژی حرارتی بین دو یا چند سیال با دماهای مختلف است، بنابراین شناخت انواع مبدل‌های حرارتی، ویژگی‌های آن‌ها و کاربردشان در موقعیت‌های گوناگون برای مهندسین بسیار ضروری است.
نویسنده: رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی
