مبدل حرارتی چیست و چه کاربردی دارد؟

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال دما بین ۲ سیال با درجات دمایی متفاوت طراحی شده است. توجه داشته باشید که منظور از سیال در اینجا صرفا مایع نیست و شامل بخار و گاز هم می شود. بنابر نوع مبدل حرارتی مورد استفاده، فرآیند انتقال دما می تواند گاز به گاز، مایع به گاز یا مایع به مایع باشد. این انتقال می تواند به واسطه یک جدا کننده جامد انجام شود که از اختلاط دو سیال یا تماس آن ها جلوگیری کند.

مبدل ها در مجموعه ای متفاوت از صنایع مختلف مورد استفاده اند و دسته ای پر شمار از مبدل ها برای موارد کاربردی سرمایش و گرمایش طراحی و ساخته شده اند.

مبدل حرارتی در تعریفی ساده

مبدل حرارتی براساس یک کنش ترمودینامیک عمل می کند. یعنی شاخه ای از علم که با جریان انرژی گرما، دما و روابط دیگر اشکال انرژی می پردازد.
در معنای ساده، مبدل، وسیله ای است که گرما را از یک محیط جذب و به محیط دیگر منتقل می کند.

استفاده از مبدل ها، در گرمارسانی، انجماد، تهویه هوا، ایستگاه های تولید برق، کارخانه های مواد شیمیایی، کارخانه های پتروشیمی، تصفیه خانه های مواد نفتی، پردازش گاز طبیعی، و فاضلاب، معمول و متداول است.

انواع مبدل های حرارتی

با توجه به ویژگی های طراحی و نوع مکانیزم کارکردی، چندین نوع مبدل حرارتی در دسترس می باشد. متداول ترین نوع این دستگاه ها که در صنعت مورد استفاده اند شامل این موارد می باشند:

۱٫مبدل حرارتی پوسته و لوله ای:

متداول ترین نمونه مبدل ها، مبدل های پوسته و لوله ای هستند که از یک لوله واحد یا چندین لوله (دسته لوله) که در یک پوسته فشار سیلندری بسته قرار داده شده اند تشکیل شده است.

طراحی این مبدل ها به گونه ای است که یک سیال در لوله یا لوله های کوچکتر جریان می یابد و سیال دیگر در پیرامون آن در لوله های دیگر یا بین آن جریان می یابد. موارد کاربردی استفاده از این نوع مبدل ها شامل پیش گرمایش، خنک سازی روغن های صنعتی و تولید بخار می باشد.

۲٫مبدل حرارتی دو لوله ای:

این مبدل که درواقع نوعی مبدل پوسته و لوله ای است از ساده ترین ساختار و طراحی مبدل های حرارتی بهره می برد که شامل ۲ یا تعداد بیشتری لوله متمرکز است.

۳٫مبدل حرارتی صفحه ای:

این مبدل ها از صفحه های خمش دار و نازک به هم چسبانده شده ایجاد می شوند. هر جفت صفحه کانالی را ایجاد می کند که مایع سیال از آن عبور می کند و جفت های صفحه به واسطه جوش و پیچ و مهره و یا روش های دیگر به هم متصل می شوند.

کندانسورها، اوپراتورها و بویلرها

بویلرها، کندانسورها و اوپراتور درواقع مبدل هایی حرارتی هستند که از مکانیزم انتقال دمای دو مرحله ای بهره می برند. در مبدل حرارتی دو مرحله ای، یک یا چند سیال، یک تغییر فاز را در جریان فرآیند انتقال دمایی تجربه می کنند.

کاربرد های مبدل های حرارتی

مبدل ها در تمام حوزه های صنعتی، هم برای خنک کاری و سرد سازی و هم برای گرمارسانی محل استفاده اند. در ادامه موارد کاربردی مبدل ها را به تفکیک انواع مورد تشریح قرار خواهیم داد:

۱٫مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای: از این مبدل ها در صنایع تصفیه روغن، پیش گرمایش، خنک سازی روغن، تولید بخار، احیای دمای بویلر، سیستم های احیای بخار و سیستم های صنایع رنگ استفاده می شود.

۲٫مبدل های دو لوله ای: از این مبدل در فرآیند های صنعتی خنک ساز و الزامات مربوط به انتقالات دمایی در محدوده های خرد استفاده می شود.

۳٫مبدل های صفحه ای: از این نوع مبدل ها در صنایع برورتی، پردازش غذا، فرآیند های شیمیایی، کوره ها و صنایع سرد سازی چرخه بسته به چرخه باز استفاده می شود.

۴٫کندانسورها: از کندانسورها برای میعان و فرآیندهای تصفیه، کارخانه های برق، منجمد سازی، تهویه و فرآیند های شیمیایی استفاده می شود.

۵٫اوپراتورها و بویلرها: از بویلرها و اوپراتورها در فرآیند های تصفیه و میعان، منجمد سازی و تهویه استفاده می شود.

ملاحظات لازم در انتخاب مبدل حرارتی

همان طور که دیدیم انواع مختلفی از مبدل ها در بازار موجود می باشند. اما مناسبت هر مبدل و کارآیی آن در انتقال دما بین سیالات به برخی ویژگی ها و الزامات کاربردی ربط دارد. این موارد به شدت بر طراحی نهایی مبدل حرارتی مورد نظر تاثیرگذار است.

۱٫نوع سیالات، جریان سیالات و ویژگی های آن ها

نوع خاصی سیالات مورد استفاده _هوا، آب، روغن و غیره_ و وجوه فیزیکی، شیمیایی و دمایی آن ها _دما، فشار و میزان قلیایی آن ها_ در تعیین پیکربندی جریان و ساخت و ساز مناسب برای انتقال دمای مورد نظر تعیین کننده است.

مثلا اگر سیالات با میزان خورندگی بالا مورد استفاده باشند، طراحی مبدل حرارتی باید به گونه ای باشد که در برابر شرایط فشار شدید در فرآیند سرد سازی و گرما سازی، مقاومت داشته باشد.

۲٫محدودیت های اندازه

بعد از انتخاب نوع و طراحی مناسب مبدل حرارتی، اشتباه معمول انتخاب مبدل حرارتی خیلی بزرگ برای یک فضای فیزیکی محدود است. بهتر است که فضای انتخاب شده برای قراردهی مبدل حرارتی، بزرگتر از خود دستگاه مبدل باشد.

۳٫هزینه

هزینه مبدل حرارتی، صرفا قیمت اولیه تجهیزات آن نیست، بلکه هزینه نصب، عملیاتی سازی و نگهداری آن را هم باید لحاظ کنید. انتخاب مبدل حرارتی مناسب مهم است، اما در موقع خرید باید هزینه کلی آن را هم در نظر بگیرید تا در انتخاب آن دچار اشتباه نشوید.

۴٫بهینه سازی طراحی

طراحی یک مبدل برای کاربری موردنظر، شامل تعیین میزان تغییر دمایی سیالات مورد استفاده، ضریب انتقال دما و ساخت مبدل و مرتبط ساختن این موارد با میزان انتقال دما است. مشکلی که در زمینه طراحی وجود دارد، محاسبه میزان انتقال دما و اندازه لازم برای دستگاه است.

در واقع در طراحی باید یک مسئله مشخص شود، میزان اثربخشی دمایی مبدل بنا بر یک اندازه و طراحی خاص. میزان اثربخشی یعنی میزان انتقال دما، میزان دمای انتقالی مابین سیالات و تغییر دمای انها و کل افت فشار در دستگاه.

نتیجه گیری

در مطلب بالا، شمایی کلی از مبدل حرارتی و انواع آن ارائه شد. برای طراحی مناسب این دستگاه برای یک کاربری مشخص، باید ملاحظاتی خاص، شامل سیالات مورد استفاده، هزینه و از همه مهم تر توجه به موارد تاثیرگذار در طراحی در نظر گرفته شود.برای این کار و رسیدن به یک طراحی مناسب، لازم است به سراغ شرکت های مجرب و فعال در این حوزه بروید.