تهران، خیابان خالد اسلامبولی (وزرا)، خیابان 18، پلاک 16
021-88565085
مبدل حرارتی دستگاهی برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال است. سیالات درون مبدل‌ها به وسیله دیواره‌های جامد از یکدیگر جدا می‌شوند تا از اختلاط آنها جلوگیری شود. البته در برخی از مدل‌های مبدل حرارتی، امکان تماس مستقیم بین سیال‌ها وجود دارد. این مبدل‌ها برای اهداف مختلف به کار می‌روند. مبدل حرارتی (Heat Exchanger) یکی از مهم‌ترین تجهیزات مکانیکی موتورخانه است. این تجهیزات برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال با دماهای مختلف استفاده می‌شوند.
طراحی مبدل‌های حرارتی نیازمند دقت و دانش فنی بالا است. استفاده از نرم افزارهای مدل سازی امکان تجزیه و تحلیل دقیق داده‌ها جهت طراحی مبدل‌های حرارتی را فراهم کرده است. با کمک این ابزارها مهندسان می‌توانند فرآیند طراحی را به صورت سریع‌تر و دقیق‌تر انجام دهند. در طراحی این تجهیزات، انتخاب نوع متریال بسیار حائز اهمیت است. به طور مثال در طراحی مبدل‌های با فشار بالا، به مواد اولیه مقاوم در برابر حرارت و خوردگی نیاز است. ضخامت دیواره، نحوه انتقال حرارت، فشار و دمای کاری نیز از پارامترهای مهم در طراحی مبدل حرارتی به حساب می‌آیند.
مبدل حرارتی از طریق سطح یا دیواره واسط، انرژی حرارتی را بین دو سیال انتقال می‌دهد. این دستگاه‌ها بر اساس سطح انتقال حرارت به دو دسته سطح واسط معمولی و سطح واسط فشرده یا گسترده تقسیم می‌شوند. در مدل سطح واسط معمولی، سطح انتقال حرارت کمتر از 700 متر مربع بر متر مکعب است. به طور معمول این دستگاه‌ها برای انتقال گرما در مقیاس کمتر استفاده می‌شوند. در نوع سطح واسط فشرده، سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب است. این نوع از مبدل‌ها در صنایع پتروشیمی و نیروگاه‌ها کاربرد دارند.
مبدل گرمایی در انواع و مدل‌های مختلف طراحی می‌شود. این تجهیزات از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند. یکی از اجزای مهم این تجهیزات، تیوب یا لوله است. در طراحی و نصب این قطعات فاکتورهایی همچون جنس لوله، تعداد تیوب یا لوله، طول تیوب و ضخامت لوله اهمیت دارند. برای تعیین ضخامت، تعداد، جنس بدنه و طول لوله، باید به ویژگی‌های سیال و سایر پارامترها توجه کرد. در ادامه به سایر قطعات مبدل گرمایی اشاره می‌کنیم:
انتقال جریان سیال به درون تیوب یا لوله‌ها از طریق کانال‌ها صورت می‌گیرد. اغلب کانال‌ها از طریق جوشکاری و اتصال ورقه‌های فلزی به هم تشکیل می‌شوند.
صفحه‌ی لوله به صورت دایره‌ای شکل است که سر لوله‌ها بر روی آن قرار می‌گیرد. ویژگی‌های این صفحه مانند جنس، ضخامت و قطر بستگی به جنس، تعداد لوله‌ها و نوع مبدل حرارتی دارد. لوله‌ها از طریق فلنج به این بخش متصل می‌شوند.
تیغه‌ها یا بافل‌ها برای افزایش زمان تبادل حرارتی در مبدل‌های گرمایی استفاده می‌شوند.
با کمک هدر جلویی، سیال مورد نظر وارد لولهای مبدل می‌شود.
هدر پشتی نیز برای خروج سیال از مبدل حرارتی به کار می‌رود.
همانطور که اشاره کردیم، مبدل‌های حرارتی برای انتقال انرژی بین دو سیال به کار می‌روند. این تجهیزات یکی از راه حل‌های عالی برای مدیریت حرارت و انرژی محسوب می‌شوند. در سیستم‌های تبرید، کندانسور و اواپراتور به عنوان مبدل‌های حرارتی عمل می‌کنند. به عنوان مثال اواپراتورها با جذب حرارت از محیط، دمای سیال را افزایش می‌دهند. در ادامه به سایر کاربردهای مبدل گرمایی اشاره می‌کنیم:
سیستم‌های تهویه مطبوع یا HVAC در ساختمان‌های مسکونی و صنعتی نقش بسیار مهمی دارند. این سیستم‌ها برای تنظیم دما و رطوبت درون محیط به کار می‌روند. همچنین قابلیت بهبود کیفیت و تصفیه هوا را دارند. این سیستم‌ها در انواع و مدل‌های مختلف همچون چیلر، فن کویل و برج خنک کننده موجود هستند. سیستم‌های HVAC از کویل‌های گرمایشی و سرمایشی تشکیل شده‌اند. در واقع این کویل‌ها نوعی مبدل حرارتی هستند که می‌توانند حرارت و انرژی را بین دو سیال انتقال دهند.
مبدل‌های گرمایی در نیروگاه‌ها برای خنک کردن تجهیزاتی که در معرض حرارت بالا قرار دارند، استفاده می‌شوند. خنک کردن این تجهیزات همچون کمپرسور موجب حفظ ماندگاری و کارایی آنها می‌شود. در فرآیند خنک کردن این تجهیزات، از آب یا روغن استفاده می‌شود. اما این مایعات پس از انجام عملیات، گرم می‌شوند. در نتیجه نمی‌توانند به طور مداوم تجهیزات صنعتی را خنک کنند. بنابراین برای ادامه این فرآیند باید دمای این سیال‌ها کاهش یابد که این امر به وسیله مبدل‌های حرارتی صورت می‌گیرد.
مبدل‌های حرارتی نقش بسیار مهم در گرمایش آب استخرها دارند. از این مبدل‌ها به عنوان سیستم گرمایشی اصلی در استخرها استفاده می‌شود. با کمک مبدل حرارتی استخر دمای آب به صورت دقیق کنترل می‌شود. برای انتخاب این تجهیزات باید به نوع استخر خود (رو باز یا سر بسته) توجه کنید. همچنین مشخص کردن اختلاف دما برای افزایش دمای آب استخر و تعداد مبدل‌ها اهمیت دارد.
به طور معمول مبدل‌های حرارتی بر اساس فشار کاری سیال به سه گروه فشار پایین، متوسط و بالا تقسیم می‌شوند. در هر یک از این گروه‌ها، مبدل‌های حرارتی با ویژگی‌ها و قابلیت‌های خاصی طراحی و استفاده می‌شوند. در این صورت با هر نوع نیاز و شرایط شما متناسب هستند. با این حال انتخاب مبدل گرمایی مناسب بستگی به نوع کاربری و شرایط محیطی دارد.
مبدل حرارتی لولهای دوبل (Double Pipe)، یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین مبدل‌های حرارتی است. ساختار این مبدل شامل دو لوله با قطرهای مختلف است. در این نوع مبدل حرارتی، یکی از سیال‌ها از داخل لوله کوچکتر عبور می‌کند. سیال دیگر در فضای حلقوی بین دو لوله جریان دارد. این مبدل‌ها به علت راندمان پایین، کمتر در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از رایج‌ترین انواع مبدل‌ها در صنایع مختلف است. این مبدل‌ها از تعدادی لوله که درون پوسته استوانه‌ای قرار دارند، تشکیل شده‌اند. جنس این لوله‌ها از مس و در برخی شرایط از آلومینیوم، استیل و نیکل تولید می‌شوند. دو جریان سیال با دماهای مختلف وارد مبدل می‌شوند و از طریق دیواره لوله‌ها، حرارت منتقل می‌شود.
به دلیل سطح تماس بالای سیال‌ها با یکدیگر، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله راندمان حرارتی بالایی دارند. اغلب این نوع مبدل‌ها برای کاهش یا افزایش دمای مایعات و گازها استفاده می‌شوند. به علت طراحی منحصر به فرد امکان استفاده در شرایط دما و فشار مختلف و با انواع سیالات را دارند. این نوع مبدل‌ها در صنایع مختلف از جمله نیروگاه‌ها، HVAC، تولید کاغذ، داروسازی، پتروشیمی و معادن به کار می‌روند.
مبدل حرارتی صفحه‌ای یکی از پرکاربردترین انواع مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف هستند. این نوع مبدل حرارتی از صفحات فلزی نازک تشکیل شده است. معمولاً این صفحات دارای سطوح صاف یا موجدار هستند که کانال‌هایی برای جریان سیالات ایجاد می‌کنند. همچنین سیالات را از هم جدا نگه می‌دارند. یکی از مزایای این نوع مبدل‌ها نسبت به مبدل‌های دیگر، افزایش سطح تماس سیالات با یکدیگر است. سیالات سرد و گرم به طور کامل روی صفحات فلزی پخش شده و تغییر دما با سرعت بیشتری رخ می‌دهد. در نتیجه این نوع سیستم‌ها نیز از راندمان بالایی برخوردار هستند.
زمانی که دسترسی به آب یا سایر سیالات وجود نداشته باشد، از این نوع مبدل گرمایی استفاده می‌شود. مبدل حرارتی هوا خنک برای انتقال حرارت بین یک سیال گرم و هوای محیط استفاده می‌شود. این مبدل‌ها متشکل از لوله یا کانال‌هایی با سطوح فین دار هستند که سیال گرم درون آنها جریان دارد. سپس توسط یک فن هوای محیط از روی لوله‌ها عبور می‌کند. در نتیجه تبادل انرژی بین این دو سیال صورت می‌گیرد و دمای هوا افزایش می‌یابد.
مبدل حرارتی صفحه‌ای دستگاهی است که برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می‌شود. این نوع مبدل‌ها دارای ویژگی‌های خاصی هستند که آنها را برای کاربردهای متنوع مناسب می‌سازد. معمولاً راندمان حرارتی این تجهیزات بین 70 تا 90 درصد است. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای خود نیز در انواع مختلفی تولید می‌شوند و از نظر نوع ساختار با یکدیگر متفاوت هستند. در ادامه به انواع مبدل گرمایی صفحه‌ای اشاره می‌کنیم:
این نوع مبدل‌ها از صفحات فلزی نازکی تشکیل شده‌اند که بین صفحات واشرهایی از جنس لاستیک قرار گرفته است. واشرها امکان باز و بسته کردن و تعمیرات آسان مبدل را فراهم می‌کنند. همچنین آنها نقش مهمی در آب بندی و جلوگیری از نشتی بین صفحات فلزی دارند. این واشرها در هدایت جریان سیال به داخل کانال‌ها نیز نقش دارند. مبدل صفحه‌ای واشر دار برای کاربردهایی با حجم بالای سیال و فشار کم تا متوسط مناسب هستند.
در این مبدل‌ها صفحات فلزی با فاصله 5 میلی‌متری با روش جوشکاری به یکدیگر متصل شده‌اند. ساختار مبدل صفحه‌ای جوشی به گونه‌ای است که امکان تعویض صفحات وجود ندارد. اما این مبدل‌ها بر خلاف نوع قبلی می‌توانند فشارهای بسیار بالا را تحمل کنند. این نوع مبدل‌های گرمایی به دلیل ساختار محکم و قابلیت تحمل فشار بالا، در سیستم‌های تبرید به کار می‌روند.
مبدل صفحه‌ای لحیم کاری شده به دلیل ساختار خاص، می‌تواند فشار بالایی را تحمل کند. این مبدل‌ها از صفحات فلزی و کانال‌های موجدار تشکیل شده‌اند. با توجه به ساختار آنها، انتقال حرارت و سطح تماس بین سیالات بیشتر است. معمولاً فرایند لحیم کاری در محیط خلاء انجام می‌شود. مواد پر کننده‌ای بین صفحات قرار می‌گیرد که موجب اتصال محکم صفحات به یکدیگر می‌شود.
جهت جریان سیال در مبدل حرارتی به نحوه حرکت سیال گرم و سرد در داخل مبدل اشاره دارد. مبدل‌های گرمایی بر اساس این فاکتور در سه نوع جریان همسو، غیر همسو و عمود بر هم موجود هستند. مبدل‌های حرارتی جریان همسو به گونه‌ای طراحی شده‌اند که سیال گرم و سرد از یک سمت وارد می‌شوند. این آرایش به این معناست که دمای سیال سرد خروجی هرگز به دمای سیال گرم نمی‌رسد. در حقیقت اختلاف دما بین دو سیال به تدریج کاهش می‌یابد.
در مبدل‌های حرارتی جریان غیر همسو، جریان سیال گرم و سرد در خلاف جهت و موازی یکدیگر حرکت می‌کنند. این ویژگی می‌تواند منجر به افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی شود. این مبدل‌ها از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل‌های همسو برخوردار هستند. این موضوع به علت وجود اختلاف سرعت و جهت جریان سیال‌ها است.
مبدل‌های گرمایی با جریان عمود بر هم به دو دسته مخلوط و غیر مخلوط تقسیم می‌شوند. در مبدل‌های غیر مخلوط، سیال داخل لوله‌ها امکان حرکت در راستای عرضی را ندارد. به همین دلیل جریان غیر مخلوط است. در مقابل در نوع مخلوط، سیال بیرونی می‌تواند به صورت عرضی جریان یابد و با سیال دیگر مخلوط شود. رادیاتور اتومبیل یکی از رایج‌ترین نمونه‌های مبدل‌های حرارتی با جریان عمود بر هم است.
مبدل‌های گرمایی از لحاظ نوع سطح تماس سیال به دو نوع مستقیم و غیر مستقیم تقسیم بندی می‌شوند. در مبدل حرارتی مستقیم، هیچ دیواره‌ای بین سیالات وجود ندارد. دو سیال با دماهای مختلف به طور مستقیم با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند. در نهایت حرارت بین آنها تبادل می‌شود. مزیت اصلی این مبدل‌ها انتقال حرارتی و راندمان بالا است. در مبدل حرارتی غیر مستقیم، تبادل حرارت بین دو سیال به صورت غیر مستقیم است. این مبدل‌ها برای کاربردهایی با فشار و دمای کم تا متوسط مناسب هستند.
مکانیسم انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی به دو دسته تک فاز و دو فاز تقسیم می‌شود. در نوع تک فاز، سیالات در طول فرآیند انتقال حرارت، ماهیت خود را تغییر نمی‌دهند. هنگامی که حرارت از یک مایع گرم به یک مایع سرد منتقل می‌شود، ماهیت آنها تغییر نمی‌یابد. در واقع هر دو مایع همچنان به صورت مایع باقی می‌مانند و به گاز یا جامد تبدیل نمی‌شوند. اما در نوع دو فاز در طول فرآیند انتقال حرارت، شکل و ماهیت سیالات تغییر می‌یابد. در مبدل‌های دو لولهای و پوسته و لوله، سیال ممکن است از مایع به گاز تبدیل شود.
همانطور که اشاره کردیم، این تجهیزات از نظر نحوه عملکرد، روش انتقال حرارت و ابعاد با یکدیگر متفاوت هستند. این تجهیزات ابزارهای کلیدی در بسیاری از فرآیندهای صنعتی هستند. انواع مختلفی از سیالات می‌توانند در مبدل‌های حرارتی استفاده شوند. انتخاب سیال بستگی به نوع فرآیند و شرایط عملیاتی دارد. در مبدل‌های گرمایی دمای سیالات متفاوت است و اختلاف دما بین آنها وجود دارد. این اختلاف دما اساس کار مبدل‌های حرارتی است و باعث انتقال حرارت از سیال گرم به سیال سرد می‌شود. نوع سیالات در مبدل گرمایی عبارتند از:
در این نوع مبدل، هر دو سیال به صورت مایع هستند و انتقال حرارت از طریق انتقال حرارت اجباری صورت می‌گیرد. معمولاً این مبدل‌ها برای سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که نیاز به انتقال حرارت بالا بین دو مایع دارند.
این مبدل‌ها دارای یک سیال مایع هستند. دومین سیال هوای محیط است که به کمک آن دمای سیال مایع کاهش می‌یابد.
در این مبدل‌ها دو گاز با خصوصیات متفاوت جریان دارد.
مبدل حرارتی پوسته و لوله نقش مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کند. همچنین به دلیل مزایای فراوان، استفاده از آنها روز به روز در حال افزایش است. این نوع مبدل‌ها به دلیل ساختار محکم و مقاومت بالا در برابر حرارت و فشار، برای محیط‌های صنعتی مناسب هستند. این تجهیزات قادر به تحمل دماهای بالا (بیش از 260 درجه سانتی‌گراد) و فشارهای بالا (بیش از 30 بار) هستند. سایر مزایای آنها عبارتند از:
این مبدل‌ها قادر به تحمل شرایط سخت هستند. به همین دلیل در صنایعی مانند پالایشگاه‌ها و صنایع شیمیایی به کار می‌روند. همچنین قیمت این مبدل‌ها نسبت به سایر مبدل‌های گرمایی کمتر است.
بر اساس نوع کاربرد و نیاز خود می‌توانید این نوع مبدل‌ها در ظرفیت و متریال‌های مختلف تهیه کنید.
این مبدل‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که نگهداری و تمیز کردن آنها به راحتی امکان پذیر است. این امر به بهبود عملکرد و ماندگاری دستگاه کمک می‌کند.
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به دلیل طراحی فشرده، مزایای زیادی دارند. این تجهیزات از سطح تماس بیشتری برای انتقال حرارت برخوردار هستند. این نوع مبدل‌ها بر خلاف نوع پوسته و لوله دارای ابعاد کوچکتری هستند. به همین علت در محیط‌های کوچکتر و فضاهای محدود به کار می‌رود. همانطور که اشاره کردیم، این نوع مبدل در مدل‌های مختلف تولید می‌شود. همانند مبدل حرارتی پوسته و لوله، نگهداری و تمیز کردن آنها بسیار راحت است.
طول عمر و ماندگاری مبدل حرارتی به عوامل مختلفی بستگی دارد. استفاده از مواد با کیفیت بالا و رعایت استانداردها در تولید این تجهیزات، موجب افزایش ماندگاری مبدل گرمایی می‌شود. از عوامل دیگر می‌توان به نوع سیالات، کیفیت آب، نوع قطعات و نحوه نگهداری اشاره کرد. به طور کلی تمیز کردن و نگهداری منظم می‌تواند به بهبود عملکرد و ماندگاری مبدل حرارتی کمک کند. اقدامات لازم جهت افزایش ماندگاری مبدل حرارتی عبارتند از:
تمیز کردن مبدل به جلوگیری از خوردگی و تجمع رسوب کمک می‌کند. همچنین موجب بهبود عملکرد دستگاه می‌شود.
بررسی منظم موجب شناسایی زود هنگام مشکلات احتمالی و انجام تعمیرات لازم می‌شود.
عایق کاری مبدل حرارتی مانع از اتلاف حرارت به محیط اطراف می‌شود. این امر به کارایی بیشتر و صرفه جویی در مصرف انرژی منجر می‌گردد. برای عایق کاری این سیستم‌ها، عایق‌های مختلفی همچون ورق الاستومری وجود دارد.
منظور اطمینان از عملکرد صحیح مبدل حرارتی، نظارت دقیق بر پارامترهای مهم مانند دما و فشار بسیار حائز اهمیت است.
قبل از خرید مبدل حرارتی، باید به برخی نکات مهم توجه کنید تا بهترین مبدل حرارتی را تهیه کنید. ظرفیت مبدل حرارتی یکی از اصلی‌ترین و مهم‌ترین فاکتورهایی است که باید هنگام خرید در نظر گرفته شود. زمانی که قصد خرید یا استفاده از یک مبدل حرارتی را دارید، باید ظرفیت و ابعاد مناسبی را انتخاب کنید. انتخاب مبدل با ظرفیت نامناسب می‌تواند منجر به افزایش مصرف انرژی، هزینه‌ها و کاهش راندمان سیستم شود. در ادامه به سایر فاکتورها اشاره می‌کنیم:
باید مشخص کنید که مبدل برای چه اهدافی استفاده می‌شود و چه کاری باید انجام دهد. برای انتخاب ظرفیت مناسب مبدل حرارتی لازم است، نوع کاربرد و نیاز خود را تعیین کنید.
مواد اولیه در تولید مبدل مانند استیل یا مس، بر روی مقاومت در برابر خوردگی و انتقال حرارت تأثیر می‌گذارد.
مبدل گرمایی باید بتواند در برابر فشار کاری بالا مقاوم باشد. به طور مثال مبدل‌های جوشی فشار بیشتری را تحمل می‌کنند.
مبدل‌های حرارتی بر اساس فاکتورهای مختلف طبقه بندی می‌شوند و در انواع مختلف موجود هستند. انتخاب نوع مناسب مبدل حرارتی بستگی به نیازها، شرایط عملی و ویژگی‌های مورد نظر شما دارد.
راندمان مبدل گرمایی بیانگر میزان توانایی دستگاه برای انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر است. راندمان بالاتر نشان دهنده کارایی بهتر در انتقال حرارت و کاهش اتلاف انرژی است.
قیمت مبدل حرارتی بسته به عوامل مختلفی متغیر است و نمی‌توان قیمت مشخصی برای آنها در نظر گرفت. نوسانات بازار یکی از دلایلی است که موجب متغیر بودن قیمت مبدل گرمایی شده است. مبدل‌های حرارتی از نظر ساختار، نوع سیال، ظرفیت و ابعاد متفاوت هستند. قیمت هر نوع مبدل حرارتی بسته به راندمان، ظرفیت و کارایی متفاوت است. سایر عوامل عبارتند از:
انتخاب متریال برای لوله‌ها و صفحات بر اساس کاربرد، دما، فشار، و شرایط محیطی انجام می‌شود. متریال‌های رایج برای تولید لوله و صفحات شامل آلومینیوم، مس، فولاد کربنی، برنج، آلیاژهای نیکل و استیل می‌شود. قیمت نهایی مبدل حرارتی بر اساس نوع متریال به کار رفته متفاوت است؛ زیرا هر یک از این متریال‌ها ویژگی‌های خاصی دارند.
فشار کاری در تعیین قیمت مبدل گرمایی مهم است. زمانی که فشار کاری سیالات بیشتر است، به تجهیزات و متریال‌های مقاوم‌تری نیاز است. این امر منجر به افزایش هزینه و قیمت مبدل حرارتی می‌شود.
