مبدل حرارتی

مبدل حرارتی

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی یکی از تجهیزات مورد استفاده در صنعت می باشد که در آن تبادل حرارت بین دو سیال انجام می شود. در هر موتورخانه ای حداقل یک عدد مبدل وجود دارد که جهت گرمایش و یا گاها سرمایش بکار می رود. بطور کلی هرجایی که نیاز باشد دو سیال با هم تبادل حرارت انجام دهند، می توان از heat exchanger بهره برد. سیالات مختلفی می توانند تبادل کننده حرارت باشند مانند: آب، گاز، روغن، هوا و … .

در واقع مبدل حرارتی دستگاهی است که در اثر اختلاف دمای بین دو سیال، حرارت را از یک سیال به سیال دیگر منتقل می کند. بعنوان مثال مبدل پوسته-لوله استخری جهت گرمایش آب استخر در اثر تبادل حرارت با آب گرم دیگ بکار می رود. بدین معنی که آب گرم موتورخانه که توسط دیگ و مشعل گرم شده به داخل مبدل فرستاده می شود و آب استخر نیز از مبدل عبور می کند. یکی از سیالات در لوله و دیگری در پوسته جریان دارند لذا اختلاطی صورت نمیگیرد اما به دلیل تماس با یکدیگر تبادل حرارتی کرده و آب استخر گرم می شود.

همچنین در مبدل حرارتی روغن، روغن داغ در مجاورت سیالی مانند آب یا هوا قرار میگیرد و حرارت خود را به آنها داده و لذا دمای روغن کاهش می یابد. کوئل بکار رفته در فن کوئل ها، یونیت هیتر، هواساز، ایرواشر و …. همگی از انواع مبدل حرارتی هستند.

در برج خنک کننده، تبادل حرارت با هوای محیط صورت می گیرد و آب داغ گرمای خود را به محیط منتقل نموده و خنک می شود.

مبدل حرارتی انواع مختلفی دارد از جمله مبدل پوسته-لوله، مبدل صفحه ای، مبدل هوا خنک (درای کولر) و … که در ادامه متن به معرفی هر یک از مبدل ها، کارکرد آنها و مقایسه آنها می پردازیم.

کاربرد مبدل حرارتی

در بسیاری از صنایع نیاز به تبادل حرارتی بین دو سیال وجود دارد و با توجه به کاهش منابع انرژی، استفاده از مبدل حرارتی با راندمان بالا جوابگوی صنایع مختلف است. واضح است با انتخاب مبدل مناسب با کارآیی بالا می توان مصرف سوخت را در سیستم های سرمایشی یا گرمایشی مانند چیلر و بویلر کاهش داد.

بعنوان مثال مبدل صفحه ای راندمان بسیار بالاتری نسبت به مبدل پوسته-لوله داشته و به دلیل راندمان بالا و گرم نمودن سیال در مدت زمان بسیار کوتاه، به آنها مبدل لحظه ای نیز گفته می شود.

از جمله کاربردهای مبدل میتوان موارد زیر را نام برد:

• مبدل جهت تامین آب گرم مصرفی منازل در موتورخانه گرمایشی ساختمان
• مبدل مورد استفاده در فن کوئل، هواساز، یونیت هیتر و …
• مبدل جهت گرم نمودن آب استخر و جکوزی
• مبدل مورد استفاده در سیستم های برودتی مانند چیلر
• مبدل صنایع غذایی
• مبدل صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
• مبدل صنایع فولاد

انواع مبدل حرارتی

همانطور که توضیح داده شد مبدل حرارتی در صنایع مختلفی بکار می رود و به همین دلیل با تنوع زیادی ساخته می شود. از جمله مبدل های حرارتی می توان مدل های زیر را نام برد:

• مبدل پوسته-لوله
• مبدل صفحه ای
• مبدل هوا خنک
• مبدل دو لوله ای
• مبدل حلزونی
• هیتر کوره ها
• کویل های حرارتی
• مبدل حرارتی لوله ای فین دار
• مبدل حرارتی تولید بخار
• مبدل های حمام آب

برخی از مبدل ها کاربرد بیشتری نسبت به سایر مدل ها دارد. مثلا در سیستم های گرمایشی و جهت تامین آبگرم مصرفی معمولا از مبدل پوسته-لوله و یا مبدل صفحه ای استفاده می شود.

مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell & tube heat exchanger)

مبدل پوسته و لوله یکی از مبدل های پرکاربرد در صنعت تاسیسات، استخر، صنایع شیمیایی و … می باشد. همانطور که در شکل مشخص است این مبدل از دو بخش اصلی پوسته (مخزن استوانه ای) و لوله (لوله ها داخل پوسته قرار دارند) تشکیل شده است.

در سیستم های تبادل حرارت دو سیال داریم که در مبدل shell & tube یکی از این سیال ها داخل لوله ها جاری می شود و سیال دیگر درون پوسته و روی لوله ها حرکت می کند. معمولا سیال رقیق تر درون لوله ها حرکت می کند و سیال با ویسکوزیته بالاتر به پوسته هدایت می شود. به دلیل سطح تماس لوله ها با پوسته، تبادل حرارت بین دو سیال انجام می شود.

جنس مبدل پوسته لوله

بر اساس جنس پوسته و لوله مبدل ها را می توان به دو نوع تقسیم نمود:

• مبدل استیل با لوله و پوسته از جنس استنلس استیل
• مبدل با لوله مسی و پوسته گالوانیزه یا چدن

جنس، کیفیت ساخت و تعداد لوله ها در مبدل پوسته-لوله بسیار حائز اهمیت می باشد چون در واقع وظیفه تبادل حرارت برعهده لوله ها می باشد. بدین شکل که یکی از سیالات در داخل لوله و دیگری روی لوله در حرکت است که توسط جداره لوله و به دلیل اختلاف دما، گرما به سیال خنک تر منتقل می شود. همانطور که گفته شد لوله ها معمولا از جنس مس یا استیل ساخته می شود البته بنا به استفاده مبدل و سفارش کارفرما می توان لوله ها را با جنس های مختلفی مانند آلومینیوم، برنج و … نیز ساخت. همچنین لوله ها را می توان بصورت پرده دار نیز ساخت که در این شرایط قیمت مبدل پوسته و لوله افزایش می یابد.

توصیه می شود آب ورودی به مبدل حرارتی پوسته و لوله فاقد سختی باشد و به این منظور باید از انواع سختی گیر استفاده نمود. در صورتیکه استفاده از سختی گیر رزینی ممکن نباشد باید از سختی گیرهای مغناطیسی یا الکتریکی بهره برد تا از رسوب درون مبدل ها جلوگیری شود.

از مبدل پوسته-لوله در سیستم های گرمایشی استخر و جکوزی، مولدهای بخار در نیروگاه ها، تبادل حرارت در صنایع غذایی و نوشیدنی و … استفاده می شود.

مزایای مبدل پوسته لوله

• مقرون به صرفه تر از مبدل های صفحه ای هستند.
• از لحاظ ابعاد خیلی بزرگ نیستند ولیکن در عین حال سطح تماس بالایی بین دو سیال را فراهم میکنند و لذا راندمان بالایی دارند.
• عیب یابی مبدل پوسته لوله راحت بوده و به دلیل مجزا بودن لوله ها امکان تشخیص نشتی و تعمیر لوله ها وجود دارد.
• قابلیت تمیز کاری و رسوب زدایی در آنها فراهم است.
• هزینه تعمیر و نگهداری مبدل پوسته لوله کم بوده و از این منظر نیز صرفه اقتصادی دارند.
• به دلیل تولید مبدل پوسته لوله در داخل کشور امکان طراحی و ساخت با شرایط دلخواه فراهم می باشد.
• تحمل فشار و دمای بالا نیز از مزایای مبدل پوسته و لوله می باشد.

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای یکی از مبدل های پرکاربرد در صنعت می باشد که قدمتی بیش از صد سال دارد. از مبدل ورقه ای برای تبادل حرارت بین سیالات استفاده می شود که ممکن است مایع، گاز و یا بصورت دو فاز باشند. مبدل های صفحه ای در واقع متشکل از تعدادی پلیت یا صفحه است که به یکدیگر متصل شده اند. پلیت های استفاده شده در این مبدل ها باید قابلیت تبادل حرارت بالایی داشته باشند و در مقابل خورندگی و رسوب گذاری مقاوم باشند لذا در بسیاری از موارد از جنس استنلس استیل به این منظور استفاده می شود.

انواع مبدل صفحه ای

بر اساس نوع اتصال صفحه ها، مبدل ورقه ای به دو نوع تقسیم می شود:

• جوشی (bruzzed)
• واشری (Gasket)

کاربرد این دو نوع مبدل متفاوت بوده و معمولا از مبدل ورقه ای جوشی در ظرفیت های پایین استفاده می شود در حالیکه مبدل ورقه ای واشردار در ظرفیت های بالاتر کاربرد بیشتری دارد. در مبدل صفحه ای واشردار، آب بندی توسط واشرهایی از جنس لاستیک طبیعی یا EPDM که بین پلیت ها قرار گرفته اند، انجام می شود.

از لحاظ قیمت مبدل صفحه ای واشری به دلیل هزینه فریم از مبدل جوشی گرانتر می باشد. مزیت مبدل های واشری امکان تعمیر، سرویس و شستشوی راحتتر و همچنین قابلیت افزایش طرفیت آنها می باشد. از مبدل صفحه ای واشری معمولا در صنایع تاسیسات، غذایی، پتروشیمی و … استفاده می شود.

اتصالات ورودی و خروجی مبدل ورقه ای ممکن است از نوع فلنجی، رزوه ای و یا جوشی باشد که بنا به شرایط پروژه مشخص می شود چه نوعی مناسب می باشد. از لحاظ سایزبندی معمولا ورودی خروجی سیال گرم تر به دلیل در نظر گرفتن شرایط انبساط، بزرگتر از ورودی خروجی سیال سردتر می باشد.

مزایای مبدل صفحه ای

• مبدل های صفحه ای به دلیل ضریب انتقال حرارت بالا، ابعاد کوچکی دارند و لذا نسبت به مبدل پوسته و لوله راندمان بالاتری را ارائه میدهند.
• گرمایش آب در مبدل صفحه ای بصورت لحظه ای بوده و به همین دلیل به این نوع مبدل ها، مبدل لحظه ای نیز گفته می شود. البته توجه فرمایید به دلیل ضریب انتقال حرارت بالا امکان رسوبگذاری در این مبدل ها زیاد بوده و باید آب ورودی به آنها از لحاظ سختی بررسی شود.
• عدم نیاز به منابع ذخیره و دو جداره نیز مزیت دیگر مبدل صفحه ای می باشد.

مبدل های صفحه ای برای تامین آب گرم مصرفی ساختمان، سیستم های گرمایش از کف، اواپراتور وکندانسور چیلر و …. استفاده می شود. طراحی و انتخاب صحیح مبدل صفحه ای از اهمیت بالایی برخوردار است و به همین دلیل باید توسط کارشناسان این صنعت صورت بگیرد. در صورت نیاز به مشاوره و انتخاب مبدل حرارتی صفحه ای مناسب می توانید با کارشناسان شرکت تماس حاصل فرمایید.

مبدل حرارتی هوا خنک یا پره ای

مبدل حرارتی هوا خنک یا پره ای معمولا در سیستمهای تهویه مطبوع مانند کولرهای گازی، سیستم های تبریدی مانند کندانسور و اواپراتور و …. برای تبادل حرارت گاز-گاز و یا مایع-گاز استفاده می شود. بعنوان مثال فن کوئل ها از این سیستم جهت گرم و یا خنک نمودن هوای محیط استفاده می کنند.

در مبدل پره دار معمولا سیال گرم از لوله ها یا کانال هایی با سطوح فین دار حرکت می کند و سیال گاز که عمدتا هوای محیط می باشد توسط فن بر روی لوله ها دمیده می شود. تبادل حرارت بین دو سیال صورت می گیرد و به کاربرد مورد نظر می رسند.

در مبدل حرارتی هوا خنک، هوا با سرعت بالا از اطراف لوله های پره دار عبور نموده و با سیالی که درون لوله ها در جریان است، تبادل حرارتی می نماید. به این دلیل از پره در اطراف لوله ها استفاده می شود که سطح انتقال حرارت افزایش بیابد.

مبدل حرارتی لوله ای دوبل یا دو لوله

مبدل دو لوله ای یا لوله ای دوبل یکی از مبدل های ساده می باشد که کاربرد فراوانی در صنعت دارد. به این مبدل ها، مبدل لوله ای tubular نیز گفته می شود. این مبدل ها بسیار ساده بوده و از لحاظ قیمت تمام شده و هزینه تعمیر و نگهداری مقرون به صرفه می باشند اما راندمان مبدل لوله ای بسیار پایینتر از سایر مدل ها بوده و فضای زیادی را اشغال می کنند لذا امروزه بیشتر مبدل های پوسته و لوله و صفحه ای جایگزین این مبدل ها شده اند.

مبدل دو لوله معمولا از دو لوله با قطر متفاوت و هم مرکز ساخته می شود که لوله کوچکتر درون لوله دیگر قرار میگیرد. با عبور دادن دو سیال از لوله ها، تبادل حرارت توسط جداره لوله داخلی صورت میگیرد. این جداره در بسیاری از موارد جهت افزایش راندمان، فین گذاری می شود. در ساخت مبدل های دو لوله، طول، قطر و جنس لوله ها بنا به شرایط پروژه تعریف می شود.

قیمت مبدل حرارتی

قیمت مبدل حرارتی بستگی به عوامل مختلفی دارد. از جمله :

• نوع مبدل. مبدل صفحه ای، پوسته لوله و ….
• ظرفیت مبدل: واضح است هرچه ظرفیت مبدل بالاتر باشد قیمت آن نیز بیشتر می شود.
• جنس مبدل: بعنوان مثال در مبدل های پوسته و لوله، اینکه مبدل با چه متریالی ساخته شده است در قیمت مبدل حرارتی تاثیر گذار است و مبدل های استیل گرانتر از مشابه آنها می باشد.
• نحوه اتصال اجزای داخل مبدل: برخی مبدل ها مانند مبدل های صفحه ای را می توان به دو صورت واشری یا جوشی ساخت که در بیشتر موارد قیمت مبدل حرارتی واشری بالاتر از قیمت مبدل حرارتی جوشی دارند.
• برند و کمپانی سازنده مبدل: اینکه مبدل ها ساخت داخل باشد یا وارداتی باشد؟ کیفیت ساخت آنها چطور باشد؟ گارانتی دارند یا نه؟ همگی از عوامل تعیین کننده هزینه خرید مبدل حرارتی می باشند.