در مورد مبدل های حرارتی چه می دانید؟! در این مقاله قصد داریم ذره بینی برداریم و با آن به این قطعه پر کاربرد اکثر تجهیزات و تاسیسات ساختمانی و صنعتی نگاهی بکنیم، اصطلاحاً می توان مبدل حرارتی را دست راست سیستم های گرمایشی و سرمایشی در عمل خنک سازی و گرم سازی و تهویه مطبوع محیط دانست. در این یادداشت در تاسیسات بانک قصد داریم انواع این قطعات، اجزای تشکیل دهنده، نصب و نگهداری و کاربرد آن ها را توضیح داده اییم، با ما همراه باشید.

قبل از خرید مبدل حرارتی به نکات زیر توجه کنید

جالب است بدانید به مبدل حرارتی مبدل های گرمایی نیز می گویند و همانطور که گفتیم یکی از مهمترین اجزای سیستم های گرمایشی و سرمایشی هست، پس در نتیجه در خرید آن بهتر است بسیار توجه کنید چرا که در صورتی که این قطعه دچار نقس و خرابی شود، کل آن سیستم به خوبی کار نمی کند و آن کارایی همیشگی را نخواهد داشت؛ همچنین نکته ی قابل توجه در مورد مبدل های گرمایی این است که در هنگام خرید سیستم های حرارتی مانند بویلرها، خودشان مجهز به مبدل های حرارتی با ظرفیت های متفاوت هستند، اما با گذشت زمان، هنگامی که بخواهید این مبدل ها را تعویض کنید، بهتر است نمونه ای با یک برند شناخته شده را تهیه کنید. با ما همراه باشید تا با هم ببینیم به طور علمی این قطعه های کاربردی چیست و کارایی آن به چه صورت است.

مبدل حرارتی چیست

حتماً کنجکاو شده اید که مبدل حرارتی Heat Exchanger که گفتیم یک قطعه مهم در تاسیسات و تجهیزات صنعتی و ساختمانی است، چیست؟ در جواب این سوال باید گفت: مبدل حرارتی دستگاهی است که حرارت را در اثر اختلاف دمای ایجاد شده بین دو سیال، یعنی از یک سیال به سیال دیگر منتقل می کند. در مبدل ها سیال یا مایع است یا گاز! اگر بخواهیم برای روشن شدن آن، مثالی زده باشیم: باید اشاره کنیم به استخرها! مبدل حرارتی استخرها، گرمای آب داغ بویلرها را به آب استخر منتقل می کند . اگر بخواهیم واضح تر بیان کنیم: مبدل های حرارتی که سیالی مانند روغن دارد، روغن داغ را به آب و هوا منتقل می کند، آن هم بدون اینکه دو سیال با یکدیگر تماس مستقیم داشته باشند و با هم ترکیب شوند، به همین دلیل سیال های جاری در مبدل ها، عمدتاً به منظور جلوگیری از اختلاط، توسط دیواره جامدی از یکدیگر جدا می شوند و البته قابل ذکر است که در انواع بخصوصی از مبدل های حرارتی این امکان نیز وجود دارد که جریان های سیال مستقیماً با هم در تماس باشند.

مبدل حرارتی چه کاربردی دارد

از آنجا که مبدل حرارتی انواع مختلفی دارد، هر کدام ساز و کار خود را دارد، اما به طور کلی، از آنجایی که عمل انتقال حرارت معمولاً‌ با سرعت زیادی انجام نمی‌شود، طراحی مبدل های حرارتی باید طوری باشد که در حداقل فضا، حداکثر نرخ انتقال حرارت امکان پذیر باشد. و همچنین مبدل ها نسبت به هر دستگاهی ممکن است شکل به خصوصی داشته باشد و سیال یا مایع درون آن فرق داشته باشد. اگر بخواهیم مثالی از مبدل های گرمایی بگوییم: رادیاتور خودرو ها و کمپرسور پشت یخچال ها، علنی ترین وسایلی هستند که در خانه هر کسی دیده می شود که مبدل ها را می توان از اجزای اصلی آن دانست. از این رو این قطعات در مدل های مختلف تولید می شود که در ادامه هر کدام و نحوه عملکردشان را توضیح خواهیم داد.

انواع مبدل حرارتی کدامند

همانطور که گفتیم مبدل حرارتی انواع مختلفی دارد که می توان آن ها را بر اساس نوع کارکردشان دسته بندی کرد، مثلاً مبدل های گرمایی را به لحاظ فشار کاری سیال در سه گروه فشار پایین، فشار متوسط و فشار بالا نیز دسته بندی نمود. اما غالباً بررسی انواع مبدل حرارتی بر مبنای ساختار طراحی آن ها انجام می شود از جمله: مبدل های حرارتی لوله ای، مبدل های حرارتی صفحه ای، مبدل های حرارتی هوا خنک، مبدل های حرارتی اسپیرال و مبدل های حرارتی با سطوح پرده دار! که هر کدام زیر شاخه هایی دارند که در ادامه به توضیح آن ها می پردازیم. اما برای آن که بهتر متوجه شوید یک طبقه بندی انجام می دهیم.

ببینید مبدل حرارتی یا گرمایی دو نوع لوله ای و صفحه ای هستند که هر کدام از این ها باز زیر شاخه هایی دارد:

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای Plate heat exchanger نوعی مبدل گرمایی است. این مدل با استفاده از تعداد زیادی صفحات فلزی نازک، موجب تبادل حرارت بالا بین سیال گرم و سرد می شود. اساس عملکرد این نوع مبدل به این شکل است که از دو جهت مخالف سیال سرد و گرم وارد مبدل می شوند. سیالات وارد شده به صورت یکی در میان بین صفحات فلزی جریان می یابند و با یکدیگر تبادل گرما می کنند. این مبدل زیر شاخه هایی از جمله: مبدل صفحه ای پره دار، مبدل صفحه ای واشر دار، لاملا، حلزونی هستند. با ما در تاسیسات بانک همراه باشید:

مبدل صفحه ای پره دار

در مبدل های صفحه ای پره دار یک نوع مبدل حرارتی هستند که جریان های دو سیال با صفحات تختی که بین آن ها پره های موج دار تعبیه شده است، از هم تفکیک می شوند. پره های موج داری که بین صفحات تخت قرار داده شده اند، باعث ایجاد سطح انتقال گرمای بزرگتری شده و هم چنین تکیه گاهی برای صفحات تخت ایجاد می کنند. مورد کاربرد این مبدل های جایی است که کاهش حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد، مثل ماشین های حمل بار و هواپیما ها. این پره ها را به منظور افزایش سطح در مبدل استفاده می کنند، این کار به دلیل افزایش سطح و به دنبال آن افزایش انتقال گرما انجام می دهند و در جاهایی این پره ها را به مبدل اضافه می کنند که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کم شود.

مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار

مبدل حرارتی یک مدلی دارد که صفحه ای واشردار شامل تعدادی از صفحات بسیار نازک با سطح چین دار یا موج دار هستند که دو سیال را از یکدیگر جدا می کنند. صفحات نازک دارای قطعاتی در گوشه ها هستند و به نحوی طراحی شده اند که دو سیالی که باید حرارت بین آن ها مبادله شود، در میان فضای صفحات، جریان یابند. طراحی واشربندی بسیار مهم است، چراکه امکان آن را ایجاد می کند که مجموعه ای از صفحات، به وسیله پیچ هایی، در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. واشرها نیز از نشتی سیالات به بیرون جلوگیری می کنند و جریان سیال ها را در صفحات، به شکل مورد نظر، هدایت می نمایند. این مبدل ها به راحتی تمیز می شوند، چون می توانند کاملاً از یکدیگر باز و جدا گردند، لذا استفاده زیادی در صنایع غذایی دارند.

مبدل حرارتی صفحه ای جوشکاری شده

نوع دیگری از مبدل حرارتی وجود دارد: صفحه ای که در آن، تمامی صفحات فلزی در یک بلوک کنار هم جوشکاری می شوند. بنابراین نمی توان به مانند مبدل های واشردار، صفحات فلزی را از فریم مبدل جدا نمود. به همین علت ظرفیت سرمایشی / گرمایشی مبدل (مانند مبدل های لحیم کاری شده) ثابت می ماند. اما استفاده از این مبدل ها امکان انتقال حرارت بین سیال هایی با فشار و دمای خیلی زیاد را فراهم می کند؛ لذا، مبدل های صفحه ای جوشکاری شده (WPHE) عمدتاً در صنایع بزرگ بکار گرفته می شوند.

مبدل حرارتی لاملا

این نوع از مبدل حرارتی که با نام ریمن نیز شناخته می شوند، متشکل اند از مجموعه کانال های ساخته شده از صفحات فلزی نازک، که به شکل موازی جوشکاری شده اند و یا به شکل لوله های تخت یا کانال های مستطیل شکل می باشند، که صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند. مبدل های لاملا در حقیقت شکل اصلاح شده ای از مبدل های حرارتی پوسته‌ لوله ای با صفحه لوله شناور هستند. لوله های تخت شده موسوم به لاملا، از دو صفحه باریک که برش خورده و به یکدیگر جوش شده اند، ساخته شده است. شکل دهی خاص این صفحات باریک، فضای داخل لاملاها را ایجاد کرده و برجستگی هایی به سمت بیرون ایجاد می کند که به صورت فاصله دهنده بین لاملا ها، برای ایجاد مقاطع جریان در سمت پوسته بکار می رود. لاملاها در دو انتها با قرار گرفتن میله های از جنس فولاد در بین آن ها به یکدیگر جوش می شوند.

مبدل حرارتی صفحه ای حلزونی یا اسپیرال

به این نوع مبدل حرارتی مبدل ها اسپیرال نیز گفته می شود. اما در بیشتر فروشگاه ها و سایت ها آن را با نام حلزونی نیز می گویند. ساختمان مبدل های صفحه ای حلزونی یا اسپیرال، با پیچیده شدن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی به نام مندرل و جوش دادن لبه های صفحات کناری به شکلی که یک کانال را تشکیل دهند، ساخته می شود. صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی، با استفاده از پین های فاصله انداز که به ورق فلزی جوش می شوند، از یکدیگر فاصله می یابند. در هر یک از دو مسیر جریان حلزونی، یک جریان ثانویه ایجاد می شود که نرخ انتقال حرارت را افزایش داده و از تشکیل رسوب جلوگیری می کند. این مبدل ها کاملاً فشرده هستند، ولی به دلیل ساختار منحصر به فردشان، نسبتاً گران قیمت می باشند. موارد کاربرد آن ها برای سیالات لجن آلود، لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق مناسب می باشد.

مبدل حرارتی لوله ای

همان‌طور که از نام این مبدل حرارتی پیداست این مبدل از یک مخزن استوانه‌ای شکل بزرگ در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. مایع در داخل لوله ها حرکت می کند و بخار داغ بر روی لوله ها و درون پوسته جریان دارد. به علت تعداد زیاد این لوله ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می کند، حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می آورد.

مبدل حرارتی لوله ای حلزونی

مبدل حرارتی لوله ای حلزونی یا اسپیرال مانند همان نمونه های مبدل صفحه ای حلزونی است با این تفاوت که این مبدل‌ شامل کویل هایی است که به صورت حلزونی پیچیده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند. ضریب انتقال حرارت در لوله‌ حلزونی نسبت به لوله مستقیم بیشتر است. مبدل های حلزونی برای سیالاتی مناسب است که تمیز باشند، زیرا تمیز کردن لوله ها عملاً غیر ممکن است.

مبدل حرارتی لوله ای دوبل

ساده ترین مبدل هایی که در صنعت استفاده می شوند، مبدل های حرارتی لوله ای دوبل Double Pipe (دو لوله ای) می باشند که به اختصار آن ها را مبدل های لوله ای (Tubular) نیز می نامند. از یک سو، ارزان بودن این مبدل ها، چه در طراحی و چه از نظر تعمیر و نگهداری، آن ها را به انتخاب مناسبی برای صنایع کوچک تبدیل کرده است و از سوی دیگر، راندمان پایین آن ها و همچنین اشغال فضای زیاد در مقیاس های بزرگ، سبب شده است که در صنایع مدرن امروزی کمتر استفاده شوند و مبدل هایی با راندمان بیشتر نظیر مبدل های پوسته و لوله و مبدل های صفحه ای به کار گرفته شوند. ساختار یک مبدل حرارتی لوله ای، در ساده ترین شکل خود شامل دو لوله با قطر متفاوت می باشد که لوله کوچکتر به صورت هم مرکز درون لوله دیگر قرار می گیرد. چنانکه یکی از سیال ها درون لوله کوچکتر و سیال دیگر در فضای حلقوی بین دو لوله جریان می یابد. در واقع، این دیواره لوله داخلی است که سطح انتقال حرارت را تشکیل می دهد واغلب جهت دستیابی به سطح بیشتر، فین گذاری می شود. یک مدل لوله ای، معمولاً می تواند برای هر دو الگوی جریان مخالف (Counter Flow) و جریان موازی (Parallel Flow) طراحی شود، اما الگوی جریان متعامد (Cross Flow) در چنین مبدلی کارایی ندارد. یکی از مهمترین مزیت این نوع مبدل حرارتی، این است که الگویی که بیشترین راندمان را داشته و بالاترین ضریب انتقال حرارت (U Factor) را در طراحی مبدل های لوله ای به دنبال دارد.

علاوه بر این ها مبدل های حرارتی لوله ای در صنایع غذایی و همچنین تهویه مطبوع ( به عنوان بویلر، اواپراتور و یا کندانسور ) بیشترین کاربرد را دارند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

نام دیگر این قطعه پوسته و لوله، شل اند تیوب (Shell And Tube) است. این مبدل حرارتی از تعدادی لوله و یک پوسته بزرگ که لوله‌ها را احاطه کرده تشکیل ‌شده است. جنس این لوله‌ها عموماً از مس، و در برخی از موارد، با توجه به نوع کاربری‌شان، از جنس نیکل، برنج، آلومینیوم و یا استیل است. معمولاً از درون لوله‌ها یک سیال مایع، با دمای کم، و در اطراف آن‌ها یک سیال گازی شکل با دمای بالا در جریان است. لازم به ذکر است که نوع و حالت سیال ها در کاربری‌های مختلف، متفاوت است. در مبدل حرارتی شل اند تیوب، به دلیل وجود تعداد زیادی لوله، تبادل حرارتی زیادی صورت می‌گیرد که این مبدل را به پر‌کاربرد‌ترین نوع مبدل در صنعت بدل کرده است. مبدل پوسته و لوله، به لحاظ ساختار و نوع طراحی، به چند دسته تقسیم می‌شود:

مبدل حرارتی هوا خنک

مبدل حرارتی هوا خنک (Air-Cooled Heat exchanger ) یا کولرهای هوایی، مبادله کننده‏‏ های حرارتی هستند که در آن ها سیال فرآیندی با جریان هوا خنک می شود. در این مبدل ها بخارات گرم درون مجموعه ای از لوله ها که به صورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود. جداره خارجی لوله ها به پره مجهز شده است تا سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک افزایش یابد.

مبدل حرارتی لوله ای با سطوح پرده دار

مبدل های لوله ای پره دار، یکی از مبدل حرارتی هستند که متشکل اند از لوله هایی که در قسمت بیرونی آن ها پره هایی نصب شده است. این پره ها ممکن است عمود بر محور لوله ها، مارپیچ نسبت به محور و یا در امتداد محور لوله ها باشند. کندانسور های هوا خنک و دیگ‌ بخار بازیاب حرارتی از انواع مبدل های لوله ای پره دار هستند.

اجزای اصلی مبدل حرارتی کدامند

با اینکه خود مبدل های حرارتی خود یک قطعه برای سیستم های سرمایش و گرمایشی محسوب می شوند، خودشان نیز از قطعاتی مهم ساخته شده اند، با یک نظم خاص و هماهنگ با هم کار می کنند؛ برخی از این اجزا در هر دو مشترک هستند و برخی از آن ها مختص مبدل حرارتی لوله ای است و برخی نیز در مبدل های صفحه ای استفاده می شوند. در ادامه این اجزا را معرفی می کنیم.

لوله ها Tubes

جنس، تعداد، قطر، طول و ضخامت لوله ها به طبیعت سیال ( خورنده یا بی اثر، تمیز یا کثیف و … ) مقدار جریان سیال، فشار و درجه حرارت سیال و بار حرارتی مبدل حرارتی بستگی دارد. لوله ممکن است به صورت راست ( دو سر باز ) یا به شکل U روی صفحه ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند. لوله ها معمولا به قطر خارجی 1 اینچ و از جنس فولاد یا مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون ساخته می شوند.

صفحه ها plate

اصلی ترین عضو مبدل حرارتی صفحه ای، صفحات حرارتی فرم گرفته می باشند که تعداد، جنس و نوع آن ها با توجه به نیاز فرآیند مورد نظر مشخص می گردد.

پوسته Shell

جنس، قطر، ضخامت و حجم پوسته به طبیعت سیال، مقدار جریان سیال، فشار و درجه حرارت سیال و مشخصات دسته لوله (Tube Bundle) از نظر قطر و طول آن بستگی دارد. نوع کاربرد نیز تعیین کننده خواهد بود. از جمله پوسته مبدل های از نوع تبخیر کننده و همینطور جوشاننده دارای فضای مبدل حرارتی تبخیر می باشند.

صفحه لوله Tube Sheet

صفحه ای دایره ای شکل که سر لوله ها روی آن قرار می گیرد، جنس و ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله ها، تعداد لوله ها و نوع مبدل حرارتی بستگی دارد . لوله ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلانج به آن متصل باشد.

کانال Channel

جریان سیال به داخل لوله ها از طریق کانال صورت می کسرد. تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل حرارتی موجود است. در مبدل های حرارتی چند گذره (Multipass) از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می شود تا کانال به دو یا چند قسمت تقسیم شود.

واشر های لاستیکی

واشرهای لاستیکی بین صفحات حرارتی در مبدل حرارتی صفحه ای، قرار گرفته و وظیفه آببندی کانال ها و هدایت سیال به درون کانال های مبدل را برعهده دارند. این واشرها دارای جنس های متفاوتی می باشند از جمله NBR, EPDM, HNBR, Viton,… که با توجه به نوع سیال و فشار و دمای کاری انتخاب می شوند.

تیغه Baffle

تیغه ها به شکل دایره برش خورده یا دیسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته می شوند. برای افزایش زمان تبادل حرارتی بین لوله ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می شود. تیغه ها در داخل پوسته قرار گرفته و لوله ها از میان سوراخ های آن ها که به تعداد لوله ها می باشند عبور می کنند. این صفحات دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند. با ایجاد جریان های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله ها را از بین برده و ضریب انتقال حرارت در مبدل حرارتی را بالا می برند. همینطور لوله ها را نگه داشته و از خم شدن آن ها جلوگیری می کنند.

سر پوسته Shell Head

معمولا به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می شود و در مواقع لزوم برای بازرسی لوله ها برداشته می شود.

نکات مهم نصب و نگهداری مبدل حرارتی

نحوه ی نصب مبدل حرارتی تخصص ویژه ای می خواهد و کار هر کسی نیست؛ از این رو بهتر است این کار را به عهده ی شخص کار بلدی بسپارید تا هم بازدهی و کارایی مبدل ها بالا رود در ادامه چند نکته از نکات مهم که برای نصب و راه اندازی و همچنین نگه داری مبدل ها ضروری است، بازگو می کنند.

• مبدل هاي سبک و با ابعاد كوچك را مي توان به صورت خود ایستا و يا با استفاده از قرارهای ساده فلزي نصب نمود.
• مبدل حرارتي صفحه اي از نوع زردجوش (brazed) را هم به شكل عمودي و هم به صورت افقي مي توان نصب كرد.
• در صورت نصب مبدل به پشت و بر روي سطح افقي، احتمال جمع شدن رسوب افزايش مي يابد.
• مسير آب گرم شونده و گرم كننده بايستی در خلاف جهت هم باشد.
• براي نصب مبدل هاي بزرگتر و سنگين تر بايد از پايه هاي مناسب استفاده كرد.
• براي از میان بردن لرزش و ارتعاش مبدل حرارتی، مي توان از لرزه گيرهايی متناسب با وزن و اندازه مبدل استفاده نمود.
• از سفت کردن بیش از اندازه پيچ ها باید خودداری شود، تا خطر پيچيدگي و تمركز تنش در صفحات مبدل حرارتی بوجود نيايد.
• مبدل را نبایستی به پايه و محل نصب آن جوش داد.
• با تعبيه شير اطمينان در هر دو مسير آب گرم شونده و گرم كننده، باید در برابر افزایش بيش از اندازه فشار سيستم محافظت کرد.

حرف آخر

در این مقاله درباره ی انواع مبدل حرارتی صحبت کردیم، و متوجه شدیم مبدل ها در هر نوع و با هر مکانیزیمی که باشند یک قطعه ی مهم برای سیستم های سرمایشی و گرمایشی در سطح کوچک خانه ها گرفته تا سطح های وسیع صنعتی، هستند. همچنین شما عزیزان اگر به دنبال مبدل با کیفیت و کار آمدی برای یکی از تجهیزات و تاسیسات ساختمانی و صنعتی خود نیاز داشتید، قطعا با توجه به دستگاه خود احتیاج به مشاوره خواهید داشت؛ مشاوران تاسیسات بانک اینجا هستند تا شما را در این زمینه راهنمایی کنند، با ما تماس بگیرید و قبل از خرید با یک مشاوره رایگان، خریدی حرفه ای تر به قیمت و کارآمدی داشته باشید.