مبدل حرارتی

مبدل حرارتی یکی از تجهیزات کارآمد و پرکاربرد در صنایع مختلف است که با انتقال موثر گرما بین دو سیال، نقش مهمی در بهینه‌سازی مصرف انرژی دارد. این دستگاه در سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی، نیروگاه‌ها، صنایع نفت و گاز، تهویه مطبوع و بسیاری از فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 عملکرد آن به گونه‌ای است که بدون ترکیب فیزیکی دو سیال، گرما را از یک محیط به محیط دیگر منتقل می‌کند و با افزایش راندمان حرارتی، هزینه‌های انرژی را کاهش می‌دهد. انتخاب نوع مناسب مبدل‌های حرارتی بر اساس نیاز هر سیستم، تاثیر بسزایی در بهبود عملکرد و افزایش طول عمر تجهیزات دارد.

مبدل حرارتی (هیت اکسچنجر) چیست؟

مبدل گرمایی دستگاهی است که وظیفه انتقال گرما بین دو یا چند سیال را بر عهده دارد. این سیالات ممکن است به صورت تک فاز یا دو فاز جریان داشته باشند و بسته به نوع طراحی مبدل، می‌توانند از یکدیگر جدا باشند یا در تماس مستقیم قرار گیرند. تجهیزاتی که دارای منبع انرژی مستقل مانند بخاری‌های احتراقی یا میله‌های سوخت هسته‌ای هستند، معمولا در دسته مبدل‌های حرارتی قرار نمی‌گیرند.

برای بررسی عملکرد و ویژگی‌های مبدل‌های حرارتی، معمولا یک طبقه‌بندی مشخص در نظر گرفته می‌شود که به دو روش اصلی یکی بر اساس الگوی جریان سیالات درون مبدل و دیگری بر مبنای ساختار و نوع تجهیزات انجام خواهد شد. در هر دو روش، هدف اصلی بهینه‌سازی انتقال حرارت و افزایش بازدهی سیستم است.

انواع مبدل حرارتی

هیت اکسچنجر بر اساس طراحی، نحوه جریان سیالات و کاربردشان به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. برخی از رایج‌ترین انواع مبدل حرارتی صنعتی عبارتند از:

• مبدل حرارتی لوله‌ای
• مبدل های حرارتی پوسته و لوله
• نوع صفحه ای (پلیتی)

مبدل حرارتی لوله‌ای

در این نوع مبدل، یک لوله با قطر کمتر درون یک لوله بزرگ‌تر به‌صورت هم محور قرار گرفته و انتقال حرارت بین دو سیال از طریق دیواره لوله داخلی انجام می‌شود. این طراحی از ساده‌ترین انواع مبدل‌های حرارتی محسوب می‌شود؛ اما به دلیل سطح تبادل حرارتی محدود، میزان انتقال گرمای آن نسبت به سایر مدل‌ها کمتر است.

 این مبدل معمولا برای انتقال حرارت بین سیالات گازی استفاده می‌شود و در شرایطی که یکی از سیالات یا هر دو تحت فشار بالایی باشند، گزینه‌ای مناسب محسوب می‌شود.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله که با نام شل اند تیوب (Shell and Tube) نیز شناخته می‌شود، از مجموعه‌ای از لوله‌های متعدد تشکیل شده که درون یک پوسته استوانه‌ای بزرگ قرار گرفته‌اند. در این سیستم، معمولا یک سیال با دمای پایین از درون لوله‌ها عبور می‌کند، درحالی‌که سیال دیگری که غالبا به شکل گاز و دارای دمای بالاست، در فضای اطراف این لوله‌ها جریان می‌یابد. البته، بسته به نوع کاربرد، ماهیت و وضعیت سیالات می‌تواند متفاوت باشد.

به دلیل تعداد زیاد لوله‌های موجود در این مبدل، فرآیند انتقال حرارت با بازدهی بالایی انجام می‌شود. این نوع مبدل به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی همچون تحمل دما و فشار بالا و همچنین حداقل بودن معایب و محدودیت‌های عملیاتی، به یکی از پرکاربردترین مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف تبدیل شده است.

 لوله‌های مورد استفاده در این مبدل معمولا از جنس مس ساخته می‌شوند؛ اما بسته به شرایط عملیاتی و نوع استفاده، می‌توان از برنج، آلومینیوم، استیل، نیکل و سایر فلزات مقاوم نیز بهره برد.

نوع صفحه ای (پلیتی)

مبدل حرارتی صفحه‌ای که به آن پلیتی نیز گفته می‌شود، از مجموعه‌ای صفحات فلزی نازک تشکیل شده که با فاصله کم در کنار هم قرار گرفته‌اند. این صفحات به‌صورت متناوب آب‌بندی شده‌اند، به‌گونه‌ای که جریان دو سیال، یکی با دمای بالا و دیگری با دمای پایین، به‌طور جداگانه از میان آن‌ها عبور می‌کند.

 فرآیند انتقال حرارت از طریق تماس سیالات با سطح فلزی صفحات انجام شده و باعث تبادل انرژی حرارتی میان آن‌ها می‌شود. در این مبدل‌ها، به دلیل طراحی خاص صفحات فلزی، سطح گسترده‌ای برای انتقال حرارت فراهم می‌شود که موجب کاهش ابعاد کلی دستگاه و فشرده شدن ساختار آن می‌گردد.

بااین‌حال، در مقایسه با مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، یکی از نقاط ضعف این نوع مبدل، محدودیت در تحمل فشار بالا است؛ به‌طوری‌که معمولا برای سیستم‌هایی که نیاز به تحمل فشار زیاد دارند، گزینه مناسبی محسوب نمی‌شود. از سوی دیگر، یکی از مهم‌ترین مزیت‌های مبدل‌های صفحه‌ای نسبت به مدل‌های پوسته و لوله، کاهش ابعاد در ظرفیت یکسان است.

این ویژگی به دلیل نحوه چیدمان صفحات رخ می‌دهد که موجب افزایش سطح انتقال حرارت می‌شود، درحالی‌که فضای کمتری را اشغال می‌کند.

کاربرد مبدل های حرارتی

مبدل‌ حرارتی از تجهیزات حیاتی در صنایع گوناگون محسوب می‌شود که وظیفه انتقال گرما بین دو سیال را بدون تماس مستقیم بر عهده دارد. این تجهیزات به دلیل افزایش بازده انرژی و کنترل دمای سیالات، در بخش‌های مختلفی از جمله صنعت نفت، نیروگاه‌ها، صنایع غذایی، خودروسازی و حتی کاربردهای خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در ادامه به بررسی نقش این مبدل‌ها در هر یک از این حوزه‌ها می‌پردازیم.

صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

ورودی و خروجی مبدل‌ حرارتی در پالایشگاه‌ها و مجتمع‌های پتروشیمی نقش کلیدی در خنک‌سازی و گرم کردن سیالات ایفا می‌کنند. از این تجهیزات برای بازیابی گرما، کاهش مصرف انرژی و افزایش استفاده فرآیندها استفاده می‌شود. علاوه بر این، در برج‌های تقطیر که برای جداسازی ترکیبات نفتی به کار می‌روند، مبدل‌های حرارتی به تنظیم دما و افزایش راندمان کمک می‌کنند. همچنین، کار مبدل حرارتی در موتورخانه نیز بسیار متفاوت است.

صنایع نیروگاهی

در نیروگاه‌ها، مبدل‌های حرارتی برای خنک کردن تجهیزات و تولید بخار به کار می‌روند. این مبدل‌ها در بویلرها و کندانسورها نقش مهمی دارند و باعث بهینه‌سازی مصرف سوخت می‌شوند. همچنین، در نیروگاه‌های حرارتی و هسته‌ای، برای خنک‌سازی توربین‌ها و سیستم‌های تولید برق از این تجهیزات بهره گرفته می‌شود.

صنایع خودروسازی

در خودروها، مبدل‌های حرارتی در سیستم‌های رادیاتور، خنک‌کننده روغن موتور و گیربکس به کار می‌روند. این مبدل‌ها دمای قطعات حیاتی خودرو را تنظیم کرده و از داغ شدن بیش از حد آن‌ها جلوگیری می‌کنند. علاوه بر این، در سیستم‌های تهویه مطبوع خودرو نیز از این تجهیزات برای بهینه‌سازی سرمایش و گرمایش داخل کابین استفاده می‌شود. قیمت مبدل حرارتی موتورخانه در سایت آسان پمپ از ۷ تا ۱۵ میلیون متغیر است.