مبدل حرارتی (هیت اکسچنجر)

مبدل حرارتی (هیت اکسچنجر) چیست؟

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) یکی از پرکاربردترین تجهیزات مکانیکی موتورخانه می باشد که برای تبادل حرارت بین دو یا چند سیال استفاده می شود. معمولا در این شرایط سیالات دارای دمایی متفاوت نسبت به یکدیگر هستند. در مبدل ها می تواند هر دو سیال مایع باشد یا مایع با سیال دیگری تبادل دمایی داشته باشد.

برای مثال در سیستم های چیلر از دو مبدل حرارتی به صورت همزمان استفاده می شود که یکی برای کاهش دمای گاز مبرد بکار می رود و کندانسور نام دارد و دیگری برای کاهش دمای آب در گردش در فن کویل ها مورد استفاده قرار می گیرد که اواپراتور نام دارد. در مبدل های حرارتی هم می توان بین دو سیال، جداره ای وجود داشته باشد و هم می تواند همانند تبادل حرارت آب در برج های خنک کننده با هوای محیط به صورت مستقیم در تماس باشد. مبدل های حرارتی مورد استفاده در موتورخانه ها، سیستم های برودتی، تهویه مطبوع، گرمایشی، صنایع غذایی، استخر های سونا و جکوزی و غیره عمدتا در مدل های پوسته و لوله، صفحه ای و دو لوله ای و هوا خنک طراحی و ساخته می شوند. این مبدل ها معمولا دارای دو ورودی و دو خروجی می باشند که می توانند با توجه به دبی ورودی و خروجی هم سایز و یا متناسب با دبی ورودی و خروجی هر سیال، دارای سایزهای متفاوتی باشند.

کاتالوگ معرفی مبدل حرارتی

در صنعت، تولید گرما برابر است با هزینه. به منظور کم کردن هزینه ها و استفاده از انرژی گرمایی تولید شده در مراحل قبلی فرایندهای تولیدی به منظور از دست دادن گرما یا گرم شدن سیال، می توان از انواع مبدل های حرارتی استفاده کرد. انواع مبدل حرارتی مورد استفاده در صنعت به شرح ذیل است:

• پوسته و لوله
• هواخنک کننده
• قاب جوشی
• قاب صفحه ای
• هیتر کوره ها
• مبدل حرارتی دو لوله ای
• کویل های حرارتی
• مبدل حرارتی حلزونی
• مبدل حرارتی لوله ای فین دار
• مبدل حرارتی تولید بخار
• مبدل های حمام آب

انواع مبدل حرارتی یا هیت اکسچنجر

مبدل حرارتی دو لوله ای (Double Pipe Heat Exchanger)

این مبدل ها از دو لوله هم مرکز با مقطع دایره که درون هم قرار گرفته اند، ساخته شده است. در مبدل های دو لوله ای یکی از سیالات در لوله خارجی و سیال دیگر در لوله داخلی جریان دارد. پارامتر های مهم در این مبدل ها شامل طول، قطر و جنس لوله ها می باشد که قابل تغییر است. در ظرفیت های زیاد مبدل های دو لوله ای می توانند به صورت موازی یا سری بسته شوند تا به افت فشار یا دمای مورد نیاز برسند. عمدتا از این مبدل ها در مواردی که سطح تبادل حرارتی کمی نیاز باشد استفاده می شود و از مزایای آنها قیمت مناسب و کاهش ریسک گرفتگی در مبدل می باشد. در این مبدل ها برای دستیابی به سطح تبادل بیشتر، کاهش سرعت جریان و در نتیجه افزایش راندمان، سطح لوله داخلی را به صورت آجدار ساخته می شود. معمولا در مبدل های دو لوله ای جهت جریان دو سیال خلاف جهت یکدیگر می باشد که در شکل نشان داده شده است.

مبدل حرارتی دو لوله، ساده ترین و درعین حال کاربردی ترین و ارزان ترین مبدل برای تبادل حرارتی می باشد. نحوه کار این مبدل ها به این صورت است که دارای دو لوله و چهار خروجی می باشند که در درون یک لوله، سیال گرم و در درون لوله دیگر سیالی با دمای کمتر وجود دارد. در مسیر رفت برگشت سیال ها و در مجاورت یکدیگر، تبادل دمایی صورت می پذیرد و دمای خروجی سیال اصلی و مد نظر ما شکل می گیرد.

معمولا لوله های داخلی قطر کمتری دارند و توسط لوله های بزرگ در بر گرفته شده اند. لوله های داخلی می تواند به صورت تکی یا تعدادی لوله با قطر کوچک باشند. این مبدل برای سیال های که دارای گرانروی بالا یا سیالیت کم هستند و یا دارای ذراتی اضافه در داخل سیال هستند که ممکن است در لوله گیر کنند، مناسب نیستند.

انواع این مبدل ها بر اساس حرکت سیال به دو دسته همسو و ناهمسو تقسیم بندی می شوند:

همسو

در این مبدل جهت حرکت سیال گرم و سرد در یک جهت می باشد. در این نوع مبدل به علت هم جهت بودن و موازی بودن راندمان انتقال حرارت کمتری در مقایسه با مدل ناهمسو داریم.

ناهمسو

در این نوع مبرد جهت جریان حرکت سیال های داخل لوله در جهت مخالف هم هستند. این نوع مبدل دارای راندمان انتقال حرکت بالای است و مبدل ها به دلیل انتقال حرارت بیشتر بخصوص در سیال هایی که گرانروی بالا دارند، کاربرد بیشتری دارد.

مزایای مبدل حرارتی دو لوله

• هزینه طراحی و ساخت پایین
• هزینه تعمیر و نگه داری با حداقل هزینه
• سادگی عملکرد دستگاه و قابلیت کنترل دمایی
• به دلیل کوچک بودن فضای کمی اشغال می کنند.
• نصب و راه اندازی راحتی دارند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)

این مبدل ها از پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی می باشند و از دو قسمت اصلی پوسته و لوله های باریک با مقطع دایره ای تشکیل شده اند. پوسته از جنس آهن یا استیل و لوله ها یا همان تیوب ها از جنس مس ساخته می شوند. معمولا سیال با ویسکوزیته بالاتر یا حاوی مواد جامد در درون پوسته می باشد و سیالات رقیق تر درون لوله ها حرکت می کند. با توجه به تبادل حرارت در مبدل های پوسته و لوله و افزایش تشکیل رسوبات، استفاده از سیستم های کاهش سختی در ورودی ها توصیه می گردد.

اجزای تشکیل دهنده مبدل حرارتی پوسته لوله

• لوله های نازکی که به صورت دسته در داخل مبدل قرار دارند و به صورت تک پاس دو پاس 4 پاس می باشند منظور از پاس تعداد دفعات چرخش این لوله داخل مبدل است و هرچه تعداد دفعات چرخش بیشتر باشد راندمان حرارتی بهتری دارند و معمولا از جنس مس یا استیل ساخته می شوند.
• پوسته لوله که معمولا با توجه به نوع کاربری می تواند از جنس فولاد یا آلیاژهای تیتانیوم باشند. پوسته باعث ایجاد فضای برای حرکت سیال در اطراف لوله های نازک می شود.
• انتهای تیوب ها به منظور نگهداری و ثابت بودن تیوب ها از یک تیوب شیت استفاده می شود.
• به منظور جلوگیری از افت حرارتی و بالابردن راندمان از یک سری صفحات در بین لوله های داخلی استفاده می شود که به آنها بافل می گویند.

کاربرد مبدل های پوسته لوله

برخی از کاربردهای مبدل های پوسته و لوله شامل موارد زیر می باشد:

• کاهش دمای روغن
• مولدهای بخار در نیروگاه ها
• پیش گرمکن ها
• پالایشگاه ها
• مبدل ها در صنایع غذایی و نوشیدنی
• تبادل حرارت در سیستم های سرمایشی و گرمایشی
• موتور خانه استخرهای شنا و جکوزی

همانطور که می دانیم مبدل حرارتی یکی از تجهیزات مهم و اساسی در سیستم گرمایش آب استخر و جکوزی می باشد که وظیفه آن انتقال حرارت از یک واحد سیستم گرمایشی مثل دیگ آب گرم، پکیج گرمایشی و پنل های خورشیدی به آب استخر و جکوزی است. اما در بین انواع مبدل های حرارتی، مبدل های حرارتی پوسته و لوله در سیستم گرمایش استخر کاربرد بیشتری دارد.

آب استخر همواره حاوی مواد شیمیایی چون کلر، اسید و ازن می باشد به همین دلیل بدنه و کویل مبدل به صورت دائم در معرض خوردگی و زنگ زدگی ناشی از تماس با آب استخر است. به دلیل تجمع رسوبات در مبدل حرارتی، بدنه و کویل مبدل باید به طور مرتب اسید شویی شود تا افت فشار ایجاد شده راندمان مبدل را کاهش ندهد همچنین بدنه مبدل های حرارتی استخری باید در برابر تعییرات دمایی و فشار بسیار مقاوم بوده و کمترین میزان اتلاف حرارتی را داشته باشند.

با توجه به موارد بیان شده مبدل های حرارتی پوسته و لوله بهترین انتخاب برای سیستم گرمایش استخر می باشند. در بین انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله مبدل با بدنه استیل به دلیل اینکه خاصیت خورندگی و رسوب پذیری کمتری نسبت به مس داشته و در ظرفیت های مشابه حجم و وزن کمتری نسبت به مبدل های مسی دارند از پر طرفدارترین مبدل ها در گرمایش استخر به شمار می روند.

محل قرار گیری مبدل حرارتی استخری بعد از فیلتر شنی و قبل از تجهیزات گند زدایی آب استخر و جکوزی می باشد. همواره یک مسیر بای پس باید برای مبدل حرارتی در سیستم موتور خانه استخر تعبیه شود تا در زمان تعمیرات و شستشوی مبدل حرارتی اختلالی در سیستم فیلتراسیون استخر به وجود نیاید.

جهت محاسبه ظرفیت حرارتی مبدل استخرهای شنا و جکوزی، باید ظرفیت حرارتی گرمایش آب و اتلاف حرارتی ناشی از تبخیر سطحی آب را محاسبه کنیم سپس با مراجعه به کاتالوگ مبدل حرارتی نزدیک ترین مبدل به ظرفیت حرارتی انتخاب گردد.

مزایای مبدل های پوسته لوله

• به دلیل سطح تماس بالای سیال ها با یکدگر راندمان حرارتی بالایی دارند.
• به دلیل تعداد بالای لوله ها و مجزا بودن آنها امکان تشخیص لوله های دارای نشت وجود دارد.
• قابلیت ساخت و طراحی پیچیده و دارای اعوجاج
• هزیه کمتر به نسبت مبدل های صفحه ای
• قابلیت تعمیر و قابلیت از بین بردن رسوب و هزینه تعمیر و نگهدرای پایین

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)

مبدل های صفحه ای دارای تعدادی پلیت می باشند که بهم متصل شده اند. این مبدل ها در دو نوع جوشی و واشردار طراحی و ساخته می شوند. از مبدل های صفحه ای جوشی معمولا در ظرفیت های پایین و از مبدل های صفحه ای واشردار در ظرفیت های بالا استفاده می شود. پلیت ها در این مبدل ها معمولا از جنس استنلس استیل کی باشند که دارای کانال هایی برای عبور سیال هستند. از مزایای استفاده از متریال استیل می توان به قابلیت تبادل حرارتی خوب و مقاومت بالا در مقابل خورندگی و رسوب پذیری پایین اشاره کرد.

در مبدل های صفحه ای واشردار بین پلیت ها، واشرهایی از جنس لاستیک طبیعی یا EPDM قرار دارد که عملیات آببندی توسط آنها صورت می گیرد. اتصالات ورودی و خروجی مبدل های صفحه ای می تواند از نوع فلنجی، رزوه ای یا جوشی باشد. معمولا سایز ورودی و خروجی سیال گرم تر به دلیل انبساط از سایز ورودی و خروجی سیال سردتر بزرگ تر است. از مبدل های صفحه ای برای تبادل حرارت بین سیالات به صورت مایع، گاز یا دو فازی استفاده می شود. طراحی مبدل های صفحه ای به گونه ای است که سیال گرم و سرد در صفحات به صورت یک در میان حرکت می کنند.

اجزاء مبدل صفحه ای

اجزای مبدل های صفحه ای به همراه مسیر حرکت سیال در تصویر نمایش داده شده است.

1. صفحه انتهایی
2. میله راهنمای پایینی
3. مهره
4. واشر
5. فاصله انداز
6. پیچ ها
7. صفحه ها
8. بلبرینگ
9. میله راهنمای بالایی
10. بوش گلویی
11. صفحه ابتدایی

مبدل حرارتی حلزونی

در این نوع مبدل جهت جریال حرکت سیال ها به صورت حلزونی و چرخشی می باشد. نحوه عملکرد این مبدل به این صورت است که صفحات مدور به دور هم تشکیل شده اند که این امر باعث می شود راندمان حرارتی بالا و افت انرژی کمتری داشته باشیم. در سیال های که دارای گرانروی بالای هستند و سیالیت خوبی ندارند یا ذراتی داخل سیال وجود دارد از این نوع مبدل ها استفاده می شود.

کاربرد مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی در زمینه های مختلف دارای کاربردهای فراوانی هستند که برخی از آنها به شرح زیر می باشند:

1. تولید برق در نیروگاه ها
2. صنایع غذایی و کارخانه های تولید نوشیدنی
3. پالایشگاه های نفت و گاز و پتروشیمی ها
4. صنایع داروسازی و پزشکی
5. تاسیسات گرمایشی، تهویه مطبوع و سردخانه
6. استخرهای شنا، سونا و جکوزی

مبدل های حرارتی یکی از پر کاربردترین تجهیزات تبدیلی در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی می باشد به طوری که 30 درصد تجهیزات این صنعت وابسته به انواع مبدل حرارتی می باشد. همچنین در صنایع سنگین ذوب فلزات و ریخته گری ازانواع مبدل ها استفاده می شود. همچنین در صنایع مختلف مانند گرمایش و تبرید، سیستم های تهویه مطبوع، دارویی، کاغذ سازی، نیروگاهی، سرامیک و غیره از انواع مبدل های حرارتی استفاده می شود.