مبدل حرارتی

مبدل حرارتی دستگاهی است که فرآیند تبادل گرما بین دو سیال با دماهای مختلف را که به وسیله یک جدا کننده صلب از هم جدا شده اند، انجام میدهد و در بسیاری از کاربردهای مهندسی استفاده می‌شود. شاید درست تر باشد به آن مبدل گرمایی گفته شود چرا که از این وسیله برای انتقال گرما از سیالی با دمای بالاتر به سیال با دمای پایین تر (هیچ‌وقت در یکدیگر مخلوط نمی‌شوند) مورد استفاده قرار می گیرد.

بیشترین استفاده مبدل‌های حرارتی در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، پالایشگاه‌ها، تصفیه گازهای طبیعی، نیروگاه‌ها، یخچال‌ها، سیستم های گرمایش ساختمان ها و تهویه مطبوع و همچنین بازیابی گرمای تلف شده در فرآیندهای شیمیایی است.

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی سیستمی است که برای انتقال حرارت بین سیال منبع و سیال فرآیندی بدون تماس با یکدیگر استفاده می شود. این تجهیزات در هر دو فرآیند سرمایش و گرمایش استفاده می شوند. پوسته و لوله، فین تیوب و صفحه ای سه مدل اصلی مبدل‌های گرمایی هستند. کارکرد مبدل‌‌های حرارتی بر اصل انتقال گرما به روشهای مختلف بین دو سیالی که در دو فضای مختلف نگهداری می شوند بنا نهاده شده است.

یک مثال ملموس از مبدل حرارتی، تشعشع حرارت در رادیات اتومبیل‌ها است که در آن گرما توسط سیال خنکی از منبع حرارت (که موتور ماشین می‌باشد) گرفته می‌شود. به طور کلی برای سرد یا گرم کردن یک سیال به وسیله سیالی دیگر بدون استفاده مستقیم از دستگاه‌های مولد سرما یا گرما و همینطور بازیابی گرما و یا سرما از سیالاتی که قبلا به طریقی به آن‌ها داده شده است، از مبدل‌های حرارتی استفاده می‌شود.

انتقال حرارت در هر مبدل گرمایی بنا بر درجه حرارت سیال ها به سه روش زیر صورت می‌پذیرد:

• هدایتی
• جابجایی
• و انتقال حرارت تشعشعی

کاربردهای مبدل حرارتی

برخی از کاربردهای متداول مبدل‌های حرارتی عبارتند از:

• سیستم های تبرید و تهویه مطبوع: مبدل حرارتی در سیستم های تبرید و تهویه مطبوع برای گرم کردن یا سرد کردن هوا یا سیال دیگر استفاده می‌شود. به عنوان مثال، کندانسور در سیستم های تبرید از همین سیستم‌ها برای انتقال گرما از بخار داغ به محیط استفاده می کند.
• نیروگاه‌ها: مبدل حرارتی در نیروگاه‌های حرارتی برای تولید بخار مورد استفاده قرار می گیرد. آب گرم در دیگ بخار به بخار داغ تبدیل می‌شود و سپس بخار داغ برای تولید برق در توربین استفاده می‌شود.
• صنعت نفت و گاز: مبدل گرمایی در صنعت نفت و گاز برای گرم کردن یا سرد کردن نفت خام، گاز طبیعی و سایر سیالات استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در پالایشگاه‌ها، مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن نفت خام برای جداسازی اجزای آن استفاده می‌شوند.
• صنایع شیمیایی: مبدل حرارتی در صنایع شیمیایی برای گرم کردن یا سرد کردن مواد شیمیایی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در کارخانه‌های تولید پلاستیک، مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن مواد اولیه برای تولید پلاستیک استفاده می‌شوند.
• صنایع غذایی: مبدل گرمایی در صنایع غذایی برای گرم کردن یا سرد کردن مواد غذایی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در کارخانه‌های تولید کنسرو، از این دستگاه برای خنک کردن کنسروها پس از تولید استفاده می‌شود.
• تقطیر حلال ها و مخلوط های چند ماده ای
• خنک کاری و گرمادهی راکتورها
• خنک کاری مدارات آب، بازیافت حرارت در فرآیندهای پتروشیمی مانند بازیافت حرارت بنزن، به عنوان کندانسور و اواپراتور
• گرمکن گاز طبیعی (قبل یا بعد از انبساط)
• گرم کردن سوخت ها برای کاهش ویسکوزیته آنها
• تولید آب داغ به عنوان گرمکن آب تغذیه بویلر
• گرم کننده نفت خام و گاز ترش
• پیش گرمکن آب
• خنک کاری محصول مایع در فرآیند تولید متانول
• خنک کاری سدیم هیدروکسید
• پیش گرمکن نفت در فرآیند تولید اتیلن و هر بخشی از صنعت پتروشیمی، نفت و گاز که به انتقال گرما در آن نیاز باشد.

یک مبدل حرارتی بر خلاف نام این دستگاه قابلیت خنک سازی انواع سیالات را نیز دارد. فرآیند خنک سازی یکی از مراحل مهم در صنعت نفت و پتروشیمی می‌باشد زیرا تعدادی از مایعات و گازها مانند اتیلن، پروپیلن، بنزن، اتان، پروپان، بوتان و… نیاز به خنک سازی دارند.

مزایای مبدل‌های حرارتی

مبدل حرارتی مزایای زیادی دارد که آن را به یک عنصر ضروری در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و خانگی تبدیل می کند. برخی از مزایای اصلی مبدل‌های حرارتی عبارتند از:

• انتقال حرارت موثر: مبدل حرارتی می‌تواند به طور موثر گرما را بین دو یا چند سیال منتقل کند. این امر می‌تواند برای گرم کردن یا سرد کردن سیالات، تولید بخار یا جداسازی اجزای سیال مفید باشد.
• صرفه جویی در انرژی: مبدل حرارتی می‌تواند به صرفه جویی در انرژی کمک کند. به عنوان مثال، می‌توان از آنها برای بازیابی گرما از سیالات خروجی برای گرم کردن سیالات ورودی استفاده کرد. این امر می‌تواند به کاهش نیاز به انرژی برای گرم کردن یا سرد کردن سیالات کمک کند.
• قابلیت اطمینان: مبدل‌های حرارتی بهنگام استفاده در بخشهای مختلف بسیار قابل اعتماد بوده و با طراحی و ساخت مناسب، می‌توانند سالها بدون خرابی کار کنند.
• تنوع: مبدل حرارتی در انواع مختلفی موجود است که می‌تواند برای طیف گسترده ای از کاربردها استفاده شود. این امر می‌تواند به مهندسان کمک کند تا مبدل گرمایی مناسب برای نیازهای خاص خود را بیابند.

سایر مزایای مبدل‌های گرمایی ساخت شرکت ناب زیست عبارتند از:

1. 1. طراحی مطابق با استانداردهای روز
   2. تحلیل های حرارتی و سیالاتی با نرم افزارها و بررسی راهکارهای جریانات برای به حداکثر رساندن نرخ انتقال حرارت و راندمان
   3. استفاده از ستاره‌های پنج پر آلومینیومی در داخل لوله‌های مبدل پوسته و لوله
   4. استفاده از لوله‌های مسی با شیار داخلی
   5. استفاده از اتصالات محکم
   6. قابلیت دسترسی راحت به اجزای داخلی مبدل حرارتی
   7. استفاده از مواد اولیه بسیار مرغوب و با کیفیت
   8. قیمت مناسب و گارانتی

انواع مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی بر اساس پیوستگی یا تناوب جریان، فرآیند انتقال، نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن، درجه حرارت کارکرد، ساز و کار انتقال حرارت، تعداد سیال و آرایش جریان دسته‌بندی می‌شوند.

انواع بر مبنای پیوستگی یا تناوب جریان

جریان سیال در داخل مجاری مبدل گرمایی می تواند پیوسته یا متناوب است. در سیستم‌های با جریان پیوسته، مجاری سیال گرم و سرد از هم تفکیک شده‌اند به طوری که سیال گرم در مجاری مخصوص خود و سیال سرد نیز در مجاری مربوط به خود جریان دارند. دو مجرای جریان توسط یک جداره لوله یا یک ورق از هم جدا شده‌اند.

انواع بر مبنای پدیده انتقال

تبادل انرژی بین دو سیال به صورت تماس مستقیم یا غیر مستقیم صورت می‌گیرد:

• مبدل حرارتی تماس مستقیم: حرارت بین دو سیال که با هم تماس مستقیم دارند مبادله می‌شود. معمولا یکی از این دو سیال گاز و دیگری مایع است که با فشار خیلی پایین و پس از تبادل حرارت به سادگی قابل تفکیک هستند.
• مبدل گرمایی تماس غیر مستقیم: حرارت ابتدا به یک سطح جامد نفوذ ناپذیر منتقل می‌شود و سپس از آن به سیال سرد منتقل می‌گردد.

انواع مبدل حرارتی بر اساس نوع جریان

که شامل موارد زیر می‌شود:

1. جریان همسو
2. جریان ناهمسو
3. و مبدل جریان متقاطع

انواع بر مبنای ساختمان مبدل

مبدل‌های حرارتی بر مبنای ساختمان و نحوه عملکرد به انواع زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:

1. لوله مارپیچ
2. پوسته و لوله
3. مبدل حرارتی صفحه ای
4. فین تیوب
5. بازیاب حرارتی

که در ادامه به به بررسی تک تک آنها می‌پردازیم.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل‌های پوسته و لوله پُرکاربردترین و متنوع‌ترین نوع تجهیزات انتقال حرارت غیر آتش خوار در صنایع مختلف هستند. مبدل‌های حرارتی موجود در صنایع و کارخانه‌جات به ویژه صنعت پتروشیمی، معمولا از نوع پوسته و لوله می‌باشند. در این مبدل‌ها، لوله‌هایی با مقطع دایره‌ای در داخل پوسته‌ای استوانه‌ای نصب می‌شوند و یک سیال از داخل لوله‌ها و سیال دیگر از فضای بین لوله‌ها و پوسته، بصورت متقاطع با لوله‌ها یا در طول آن‌ها، جریان پیدا می‌کند.

شکل اغلب استوانه‌ای این گونه از مبدل‌ها باعث می‌شود تا در برابر فشارهای مختلف کاربرد داشته باشند. همچنین مبدل های پوسته و لوله به لحاظ شکل، متنوع بوده و قابلیت طراحی های مختلف به منظور کاربردهای متنوع را دارا می‌باشند بجز موارد خاص کاربردی در مبدل‌های گرمایی فین تیوب.

از مزایای این مبدل‌ها می‌توان به سطح تماس زیاد در حجم کم، طرح مکانیکی خوب، توزیع یکنواخت فشار، هزینه کم در روش ساخت و تولید و راحتی تمیز کردن آن‌ها اشاره کرد.

می‌توان گفت که ساختمان مبدل گرمایی پوسته و لوله شامل تعدادی لوله است که در داخل یک استوانه قرار می‌گیرند و دو سیال مورد نظر که یکی سرد و دیگری گرم است، بدون اینکه بطور مستقیم بایکدیگر برخورد کنند از طریق دیواره فلزی لوله‌ها با یکدیگر تبادل حرارت خواهند کرد. به عبارت دیگر یکی از این دو سیال در لوله‌ها و دیگری در اطراف لوله‌ها و در درون پوسته جریان خواهد داشت.

لوله‌ها ممکن است به صورت مستقیم و یا U شکل باشند. لوله‌های مستقیم احتیاج به دو صفحه لوله دارند ولی لوله‌های U شکل فقط یک صفحه لوله به کار می‌رود.

مزایای مبدل‌های پوسته و لوله عبارتند از:

• قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از کاربردها را دارند و بازده بسیار مناسبی را در مقابل طیف وسیعی از سیالات نشان می دهند.
• به راحتی تمیز می‌شوند.
• عملکرد مناسب در فشار های بالا
• قیمت نسبتا مناسب نسبت به سای مبدل‌های گرمایی

 اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله

اجزای یک مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

• لوله‌ها

جنس، تعداد، قطر، طول و ضخامت لوله‌ها به طبیعت سیال (خورنده یا بی‌اثر، تمیز یا کثیف و …) مقدار جریان سیال، فشار و درجه حرارت سیال و همچنین بار حرارتی مبدل بستگی دارد. لوله‌ها ممکن است به صورت مستقیم یا راست (دو سر باز) و یا به شکل U بر روی صفحه‌ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند. جنس لوله‌ها معمولا از فولاد، استنلس استیل، مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون است.

• پوسته

جنس، قطر، ضخامت و حجم پوسته به نوع سیال، دبی سیال، فشار، درجه حرارت سیال و مشخصات دسته لوله از نظر قطر و طول آن بستگی دارد. نوع کاربری نیز تعیین‌کننده است. بطور مثال پوسته مبدل حرارتی نوع تبخیرکننده و همینطور جوشاننده، دارای فضای تبخیر می‌باشد.

• صفحه لوله

صفحه ای دایره ای شکل که سر لوله‌ها بر روی آن قرار می‌گیرد. جنس، ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله‌ها، تعداد لوله‌ها و نوع مبدل حرارتی بستگی دارد. لوله‌ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلنج به آن متصل شوند. لوله‌ها عموما با آرایش مربعی و مثلثی بر روی Tube Sheet نصب می‌شوند. در آرایش مربعی کمترین مقاومت در مقابل جریان و در نتیجه حداقل افت فشار به وجود می‌آید.

یکی از معایب آرایش مربعی قرار گرفتن تعداد کمتر لوله در یک سطح معین می‌باشد. اما وقتی آرایش مثلثی باشد، افت فشار جریان پوسته بیشتر از وقتی است که آرایش مربعی می‌باشد، لذا میزان انتقال حرارت در آرایش مثلثی بیشتر است.

• کانال

جریان سیال به داخل لوله‌ها از طریق کانال صورت می‌گیرد. تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل موجود است. در مبدل‌های چند گذره از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می‌شود تا کانال به دو یا چند قسمت تقسیم شود.

• تیغه

تیغه‌ها به شکل دایره‌ای برش خورده و یا بصورت دیسک و حلقه ساخته می‌شوند. برای افزایش زمان تبادل حرارتی بین لوله‌ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می‌شود. تیغه‌ها در داخل پوسته قرار گرفته و لوله‌ها از میان سوراخ‌های آن‌ها که به تعداد لوله‌ها است، عبور می‌کنند.

تیغه‌ها درون مبدل حرارتی دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند. اول اینکه با ایجاد جریان‌های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله‌ها را از بین برده و ضریب انتقال حرارت را افزایش می‌دهند. همچنین لوله‌ها را نگهداشته و از خم شدن و ارتعاش آن‌ها جلوگیری می‌کنند. در برخی طراحی‌ها از تیغه‌های طولی برای تقسیم کردن جریان پوسته به دو یا سه گذر استفاده می‌کنند.

• سر پوسته

معمولا به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پچ و مهره به پوسته وصل شده و در مواقع لزوم به منظور بازرسی لوله‌ها برداشته می‌شود

انواع جریان در لوله‌ها و پوسته

در مبدل گرمایی پوسته لوله یک گذر، سیال از یک انتهای مبدل وارد شده و از انتهای دیگر خارج می‌شود.

در یک مبدل حرارتی دو گذر لازم است که سیال از یک انتها وارد و از همان انتها خارج شود. در یک مبدل حرارتی که دارای دو گذر است، سیال در میان نیمی از لوله‌ها در یک جهت و در میان نیمی دیگر از لوله‌ها در جهت مخالف جریان می‌یابد. برای انجام این کار نیاز به یک صفحه تقسیم‌کننده در کانال ورودی داریم.

انتخاب ترتیب جریان در پوسته بستگی به مقدار سرد یا گرم کردن و نیز افت فشار مورد نیاز و نوع کار دارد. به عنوان مثال مبدل گرمایی جوشاننده نوع کتری برای جریان‌های تبخیر شونده در پوسته مناسب است. برای جریان در لوله‌ها از 1 تا 16 گذر ممکن است استفاده شود.

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله

در ادامه به بررسی انواع مبدل گرمایی پوسته و لوله پرداخته ایم.

مبدل حرارتی سر ثابت

در این مبدل‌ها، صفحه لوله‌ها به پوسته جوش خورده یا به وسیله پیچ و مهره محکم شده است، لذا با تغییرات درجه حرارت جایی برای انبساط لوله و پوسته (هر یک بطور جداگانه) وجود ندارد. انبساط یا انقباض هر یک از دو جزء فوق به تنهایی ممکن است موجب شکستن و یا خمیدگی لوله‌ها شود، لذا در مبدل گرمایی سر ثابت اختلاف درجه حرارت دو سیالی که با یکدیگر تبادل حرارت می‌کنند نباید زیاد باشد.

برای غلبه بر این مشکل معمولا از اتصالات انبساطی روی پوسته مبدل استفاده می‌شود. وقتی که پوسته و لوله سرد شوند، اتصال انبساطی و لوله‌ها منقبض می‌شوند و کشش وارده بر نقاط جوش خورده کاهش می‌یابد.

به دلیل مشکلاتی که در بازرسی و تمیز کردن مبدل حرارتی سرثابت وجود دارد عموما در جایی استفاده می‌شوند که احتمال کثیف شدن پوسته محدود باشد.

مبدل حرارتی سر شناور

در این نوع مبدل، یکی از صفحه لوله‌ها بین کانال و پوسته پیچ و مهره شده و در وضعیت ثابتی قرار می‌گیرد، اما صفحه لوله دیگر در داخل پوسته به صورت شناور درآمده، امکان انبساط یا انقباض برای هر یک از دو جز حامل سیال یعنی پوسته و لوله وجود دارد. از این رو اختلاف درجه حرارت دو سیالی که با هم تبادل حرارت می‌کنند هر میزان هم زیاد باشد اشکالی ایجاد نخواهد کرد.

بعد از باز کردن صفحه ثابت این نوع از مبدل‌های حرارتی، دسته لوله و سرشناور را می‌توان مانند یک واحد یکپارچه بیرون کشید. بدین طریق امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله‌ها میسر می‌شود.

ایراد این مبدل‌ها، فاصله نسبتا زیاد بین پوسته و لوله است. این فاصله برای تطبیق دادن صفحه شناور لوله‌ها با پوسته می‌باشد. چون در این فضا نمی‌توان لوله‌ای به کار برد، این فضا بلا استفاده می‌ماند و بازده این نوع مبدل کاهش می‌یابد.

مبدل گرمایی با لوله‌های U شکل

مبدل گرمایی پوسته و لوله با لوله‌های U شکل، فقط شامل یک کانال و یک صفحه لوله هستند. از این رو ورودی و خروجی لوله‌ها از طریق یک کانال که به دو قسمت تقسیم شده است، صورت می‌گیرد. همانطور که از نام این مبدل حرارتی پیدا است، لوله‌ها به شکل حرف لاتین U ساخته می‌شوند. با باز کردن پیچ و مهره‌ها کانال از پوسته جدا شده و صفحه لوله‌ها و دسته لوله‌ها را می‌توان از پوسته خارج نمود به طوری که امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت داخلی لوله‌ها فراهم می‌شود.

برای این مبدل‌ها نمی‌توان جریان‌های حاوی مواد جامد (کثیف) را به خاطر ایجاد سائیدگی در خم موجود در لوله‌ها استفاده کرد. این مبدل‌ها برای سیالاتی به کار می‌روند که اختلاف درجه حرارت زیادی داشته باشند، زیرا انتهای U شکل لوله‌ها، امکان انبساط و انقباض را تا حد زیادی به وجود می‌آورد. در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.

مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل گرمایی صفحه ای، نوعی از مبدل‌های حرارتی که از صفحات نازک و موجدار که به هم فشرده شده‌اند تشکیل می‌شود. در مبدل حرارتی صفحه ای جریان‌های سیال از بین این صفحات نازک و موجدار عبور می‌کند. در هر یک از این صفحات چهار روزنه وجود دارد که به عنوان ورودی و خروجی جریان عمل می‌کنند و عبور سیال‌ها از کانال‌های مختلف منجر به انتقال حرارت بین آن‌ها می‌شود.

مبدل‌های حرارتی صفحه ای در دهه 1930 برای استفاده در صنایع غذایی بویژه صنایع لبنی ابداع شدند. به تدریج با بهینه شددن اجزا، قطعات و روش‌های ساخت این نوع مبدل حرارتی، از دهه 1960 به بعد شرایط استفاده از آن‌ها در سایر صنایع مهیا شد. از مهم‌ترین عوامل گسترش کاربرد مبدل حرارتی صفحه ای در سایر صنایع، می‌توان به بهبود هندسه صفحات، توسعه مواد اولیه و طراحی کارامدتر آن‌ها اشاره کرد.

درون مبدل‌های حرارتی صفحه ای سیال گرم و سرد در میان صفحات شیاردار حرکت می‌کنند. در این حالت سطح نسبتا زیادی برای انتقال حرارت به وجود می‌آید و به همین علت راندمان مبدل حرارتی صفحه ای نسبت به پوسته و لوله بیشتر است.

می‌توانیم تا چند صد صفحه را به صورت پشت سر هم قرار بدهیم و بوسیله پیچ‌هایی که وجود دارد مجموعه این صفحات را تحت فشار قرار داده و در کنار هم نگه داریم.

همانطور که از نام این دستگاه مشخص است از چندین صفحه موازی کاملا یکسان و مشابه که توسط دستگاه‌ها و قالب‌های مخصوص پرس می‌شوند تشکیل شده‌اند. این صفحات معمولا از جنس استیل، فولاد ضد زنگ و تیتانیوم ساخته می‌شوند که مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند.

مهمترین بخش یک مبدل حرارتی صفحه ای از تعدادی ورق فلزی نازک با سطح موجدار تشکیل می‌شود. هر صفحه با استفاده از یک قطعه لاستیکی به نام واشر از صفحه بعدی جدا شده و نهایتا با قرار گرفتن مجموع صفحات و واشرها مابین دو صفحه ضخیم و فشرده شدن آنها به یکدیگر توسط تعدادی پیچ محکم کننده، مبدل حرارتی صفحه ای ساخته می‌شود.

واشرها نیز یکی از اجزای مهم مبدل حرارتی صفحه ای هستند. بسته به دما و نوع سیال‌ها جنس واشر تغییر می‌کند. معمولترین نوع واشرها، واشرهای از جنس NBR و EPDM هستند. برای کاربردهای مختلف انواع خاص واشرها مانند ویتون و سیلیکونی نیز قابل استفاده هستند.

یکی از وظایف مهم واشرها جلوگیری از ترکیب یا اختلاط دو سیال است. تنها یک سمت واشر با سیال در تماس بوده و سمت دیگر در معرض اتمسفر قرار دارد. بنابراین در شرایط بروز نشتی، سیال از میان صفحات مبدل به بیرون راه پیدا می‌کند و با سیال دیگر مخلوط نمی‌شود.

در جدول زیر حداکثر دمایی که واشرهای مختلف در آن دما می‌توانند کار کنند آمده است:

نقش ورق‌ها فلزی ایجاد سطوح تبادل دما و وظیفه واشرها، آببندی سطوح تبادل دما نسبت به یکدیگر و همچنین نسبت به محیط پیرامونی مبدل حرارتی صفحه‌ای است.

چیدمان خاص سطوح تبادل دما و واشرها، همراه با وجود محل عبور سیال‌ها در گوشه‌های صفحات، شرایطی را ایجاد می‌کند که حرکت سیال‌های گرم و سرد را از مجراهای ایجاد شده توسط صفحات، بصورت یک در میان و متناوب ممکن می‌سازد.

اجزای مبدل حرارتی صفحه ای

1. پلیت یا صفحات فلزی که وظیفه انتقال حرارت را بعهده دارند. قسمت اصلی مبدل‌های حرارتی صفحه ای همین صفحه‌هایی هستند که انواع مختلفی می‌توانند داشته باشند که دو مدل از معروف‌ترین آنها واشبرد و شِورون هستند. نوع شورن جدیدتر بوده و متداول‌تر است.
2. دو عدد فریم در دو طرف مبدل که پلیت‌ها در بین آنها فشرده می‌شوند.
3. واشرها که مابین صفحات قرار گرفته و آنها را آببندی می‌کنند.
4. نازل‌های ورودی و خروجی که برروی فریم‌ها قرار می‌گیرند.
5. میله‌های نگهدارنده و راهنما که برای فرم‌دهی، ترازی و استقامت مبدل استفاده می‌شوند.
6. پیچ و مهره‌ها نیز برای بستن و فیکس کردن کل اجزای مبدل حرارتی به کار می‌روند.

انواع مبدل حرارتی صفحه ای

1. واشر دار: در این مبدل‌ها از واشرهای پلیمری برای آب‌بندی صفحات استفاده می‌شود. مجموعه این صفحات به وسیله پیچ و مهره میان دو قاب فولادی محکم شده‌اند و به همین دلیل به آن مبدل حرارتی صفحه‌ای قابدار نیز می‌گویند.
2. لحیم‌کاری شده: در این نوع به جای واشر از لحیم‌کاری برای آب‌بندی صفحات استفاده می‌شود. البته معمولا به جای لحیم از مس استفاده می‌شود. مزیت بزرگ این مبدل این است که با حذف واشر و قاب، احتمال بروز نشتی از بین می‌رود.
3. جوشی: در این حالت از جوشکاری برای وصل کردن صفحات استفاده می‌شود. این کار باعث افزایش تحمل فشار تا 60 بار و دما تا 350 درجه می‌شود.
4. مبدل حرارتی صفحه ای چند پاس: مبدل‌های حرارتی صفحه ای بر حسب نوع سیال، فشار کار و به ویژه دمای طراحی می‌تواند بصورت چند پاس طراحی و ساخته شود. بعنوان مثال هنگامی که اختلاف دمای ورودی و خروجی یکی از سیالات زیاد باشد، بجای آنکه مبدل تک پاس طراحی شود، بصورت چند پاس محاسبه می‌شود. اینکار باعث کم شدن تعداد پلیت‌ها، کوچکتر شدن مبدل و در نتیجه کاهش هزینه ساخت خواهد شد.

در مبدل حرارتی صفحه ای یک پاس (تصویر بالا)، سیال آبی بعد از ورود در کلکتور پایین بصورت مساوی بین تمام صفحات تقسیم شده و از روی صفحات به بالا حرکت می‌کند و دوباره با هم در کلکتور مقابل تلاقی می‌کنند و از همان فریمی که وارد شده بود خارج می‌شود. سیال قرمز نیز به همین صورت اما از پشت صفحات و بصورت غیر همسو با سیال آبی جریان می‌یابد تا بیشترین انتقال حرارت در مبدل صورت بگیرد.

اما در مبدل حرارتی صفحه ای دوپاس (تصویر پایین)، سیال آبی تا میانه مبدل در بین صفحات تقسیم شده و بعد از پایین رفتن از روی صفحات و رسیدن به کلکتور پایینی، دوباره در بین نصف صفحات باقی‌مانده تقسیم شده و رو به بالا حرکت می‌کند. سیال قرمز نیز در خلاف این جهت، حرکت می‌کند.

مزایای مبدل حرارتی صفحه ای

• قابلیت اسیدشویی.
• اضافه کردن ظرفیت مبدل حرارتی از طریق اضافه کردن تعداد صفحات (قابلیت کم و زیاد کردن صفحات جهت تغییر دبی یا ظرفیت حرارتی).
• بالا بودن ضریب انتقال حرارت بخاطر نازک بودن صفحات و در نتیجه بالا رفتن راندمان.
• دارای ابعاد کوچکتر
• مناسب برای انتقال حرارت دو سیال با دمای اَپروچ (نزدیکی) کمتر از 5 درجه سلسیوس.
• مناسب برای سیالات با ضریب رسوب بالا بخاطر شیارهای روی صفحات و ایجاد جریان توربولانسی.
• اختلاف کم وزن پر و خالی آن بخاطر کم بودن میزان سیال جاری درون مبدل.
• قابل تعویض بودن صفحات و واشرها در مبدل حرارتی صفحه‌ای گَسکِتی.
• نصب راحت بخاطر وزن کم.
• خاصیت ضد اسیدی صفحات و در نتیجه بالا بودن عمر آنها
• پایین بودن امکان نشتی بخاطر دوبله بودن واشرها در قسمت ورودی و خروجی سیال.
• در صورت نشتی واشرها، سیال به بیرون نشت کرده و دو سیال باهم تلفیق نمی‌شوند.
• برحسب ویسکوزیته سیال به راحتی می‌توان صفحه مخصوص به آن را انتخاب نمود.
• صفحات با شیارهای کم عمق برای سیالات با ویسکوزیته کم و صفحات با شیارهای عمیق برای سیالات با ویسکوزیته بالا کاربرد دارند.

محدودیت‌ها:

از جمله محدودیت‌هایی برای مبدل‌های صفحه‌ای واشر دار حداکثر فشار قابل تحمل 30 بار و حداکثر دما 200 درجه سانتیگراد است. علت این محدودیت دما و فشار جنس واشرهایی است که در بین صفحات استفاده می‌شود.

مقایسه مبدل حرارتی صفحه ای با پوسته و لوله

مزیت استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای نسبت به پوسته و لوله، این است که با توجه به موجدار بودن صفحات که جریان گردابی سیال را افزایش می دهد. در نتیجه عدد رینولدز کمتری سبب می‌شود و اینکه جریان سیال در خلاف جهت است، راندمان انتقال حرارت همیشه 3 تا 5 برابر بیشتر از مبدل حرارتی پوسته و لوله می‌باشد. همچنین با افزایش تعداد صفحات می‌توان ظرفیت را افزایش داد. این تنوع تولید باعث شده تقاضا برای خرید مبدل حرارتی صفحه ای بیشتر باشد.

از آنجا که کانال های جریان کاملا کوچک هستند جریان قوی گردابه ای موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می‌گردد. به علاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می‌شود. واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می نمایند.

مبدل حرارتی فین تیوب

مبدل حرارتی فین تیوب شامل تعداد مشخصی لوله موازی و پره‌هایی در محیط جانبی این لوله‌هاست که به صورت اسپیرال یا اکسترود تعبیه شده اند. این پره ها باعث تغییر رفتار جریان هوا در نتیجه افزایش راندمان و میزان انتقال حرارت می باشند.

در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل حرارتی کم و در عین حال بازده بالا باشد از مبدل‌های فیت تیوب استفاده میشود. مبدل حرارتی پره دار عمدتا برای کاربردهای “گازـ گاز” یا ” مایع ـ گاز” استفاده می‌شود که بصورت وسیعی در صنایع مختلف از جمله در تبرید با دمای خیلی کم مانند کندانسور و اواپراتور سیستم های سردخانه، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی همچون اسپری درایرها، تبرید و سیستم های تهویه مطبوع مانند برج خنک کننده، کویل آب سرد و گرم هواساز، فن کویل ها، کویل آب گرم یونیت هیترها و… استفاده می‌گردند.

همچنین مبدل‌های صفحه ای فین تیوب برای استفاده در توربین گازی، نیروگاه‌های هسته ای و مهندسی پیشرانه و تبرید و گرمایش و تهویه سیستم های بازیابی گرمای اضافه و صنایع شیمیایی و سرمایش کاربرد دارند.

مبدل‌های حرارتی فین تیوب از نظر شکل جریان، از نوع متقاطع بوده و جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله‌ها به وسیله یک فن تأمین می‌شود. اگر این فن بالای لوله‌ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله‌ها قرار گیرد به آن دمشی می گویند.

ساختمان مبدل گرمایی فین تیوب

• شاسی اصلی که نگهدارنده لوله‌ها میباشد.
• پایه نگهدارنده لوله‌ها که وظیفه توزیع سیال (آب داغ یا بخار) درون لوله‌ها را برعهده دارد.
• منبع تغذیه گرما (دیگ بخار یا کوره)
• پروانه‌ها یا پره‌ها
• فضایی که گردش هوا بارها درون آن اتفاق می افتد.

کاربردی ترین نرم افزارها برای مدل سازی و آنالیز مبدل حرارتی فین تیوب HTRI , HTFS , B-Jac می‌باشند که عموما از استاندارد API 661 مربوط به “انیستیتو نفت آمریکا” برای طراحی و تولید مبدل حرارتی پره ای استفاده میگردد.

مبدل‌ حرارتی دو لوله ای

این مبدل حرارتی از دو لوله هم مرکز ساخته شده که یکی کوچکتر از دیگری است. یکی از جریان‌ها از داخل لوله کوچکتر و دیگری از فضای بین دو لوله عبور می‌کند. گاهی اوقات برای ازدیاد سطح تماس و تبادل حرارتی بهتر، سطح خارجی لوله داخلی با پره‌های (Fins) طولی پوشیده می‌شود. این مبدل‌های حرارتی برای بارهای حرارتی بالا مناسب نیستند.

این مبدل‌ها برای آرایش‌های مختلف سری و موازی می‌توانند مرتب شوند تا افت فشار و اختلاف دمای موردنظر را ایجاد کنند.

• کاربردها: این مبدل‌ها برای جاهایی که به سطوح انتقال حرارت کوچکی نیاز داریم و یا فشار هر کدام از سیال‌های گرم و سرد زیاد باشد مناسب است.
• معایب: عیب اصلی مبدل گرمایی دو لوله‌ای این است که میزان انتقال گرما در واحد سطح‌شان کم است و برای یک ظرفیت گرمایی بزرگ، ابعاد بزرگ و همچنین قیمت بالایی خواهند داشت.

در مبدل‌های حرارتی دو لوله ای اگر در انتهای آن‌ها یک خَم را داشته باشیم (مانند شکل زیر) نمایی شبیه سنجاق سَر و یا دو شاخه پیدا می‌کنند و به همین نام هم معروف هستند و به آنها مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای سنجاقی هم گفته می‌شود.

مبدل گرمایی لوله مارپیچ

این نوع از مبدل‌های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده‌اند که ابتدا و انتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می‌شود و محفظه‌ای اطراف آن را می‌پوشاند.

معمولا جنس لوله‌های مارپیچ از فولاد کربن‌دار یا مس و آلیاژهای آن و یا استنلس استیل و آلیاژهای نیکل می‌باشد. معمولا ابعاد این دسته از مبدل‌ها در مقایسه با سایر مبدل‌های لوله‌ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیرهای منحنی و پیچ‌دار بیشتر از مسیر مستقیم است.

از مزایا و معایب این نوع از مبدل‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا:

1. راندمان بالا
2. مونتاژ آسان
3. مقاومت مکانیکی بالا در مقابل انبساط و انقباض
4. مناسب برای دبی‌های کم و بارهای حرارتی پایین

معایب:

1. به دلیل کوچک بودن لوله مارپیچ تعمیر و جوشکاری آن‌ها مشکل و زمان‌بر است.
2. به دلیل مارپیچ بودن لوله‌ها تمیز کردن آن‌ها عملا مشکل است.

مبدل حرارتی استخر

جهت گرمایش آب استخر از مبدل‌های حرارتی استخر دارای دو مدار گردش استفاده می‌گردد که در یک سمت آب گرم دیگ بخار و در سمت دیگر آب استخر در حال گردش می‌باشد. شرکت ناب زیست با تولید و فروش هر دو محصول، تجهیزات موردنیاز استخرها را فراهم می نماید. انتخاب مبدل حرارتی مناسب استخر باید با توجه به نوع استخر روباز یا سر پوشیده عمومی یا خصوصی، میزان اختلاف دما جهت افزایش دمای آب استخر، تعداد مبدل مورد نیاز، مدت زمان مورد نیاز جهت گرمایش استخر صورت گیرد.

این مهم را باید در نظر داشت که استفاده از مبدل گرمایی صفحه ای برای گرمایش استخر توصیه نمیشود. مبدل‌هایی که امروزه در بازار تاسیسات جهت گرمایش استخر عرضه می‌شوند به دو صورت مبدل حرارتی پوسته با لوله تمام استیل یا لوله مسی می‌باشد.

با وجود اینکه سرعت گرم کردن هر دو نوع یکسان است اما مبدل حرارتی تمام استیل بسیار گران تر از نمونه مسی می‌باشند. مبدل تمام استیل صرفا از 18 فوت تا 72 فوت قابل عرضه می‌باشند ولی مدل مسی در هر فوت دلخواهی با توجه به حجم استخر طراحی میشوند.

در انتخاب مبدل حرارتی استخر مناسب، حجم آب درون استخر و دمای مدنظر دخیل می‌باشد. دقت شود در صورت استفاده مبدل حرارتی استخر برای جکوزی، دمای مدنظر باید با حساسیت بیشتری تعیین گردد.

قیمت مبدل حرارتی

عوامل مختلفی بر روی قیمت مبدل حرارتی تاثیر گذار است. این فاکتورها شامل موارد زیر میشود:

1. نوع مبدل حرارتی؛ که میتواند از نوع پوسته و لوله، هوا خنک، صفحه ای، کندانسور و اواپراتورها بوده و هر یک قیمت متفاوتی دارند.
2. جنس لوله‌ها و صفحات؛ که بر اساس نوع کاربری، دما، فشار و شرایط محیطی تعیین می‌شود. جنس لوله‌ها معمولا از آلومینیوم، مس، فولاد کربنی، برنج، آلیاژ نیکل، فولاد ضد زنگ است، بسیار طبیعی است که نوع فلزی که انتخاب می کنید تاثیر مستقیمی بر روی قیمت داشته باشد.
3. سومین عامل فشار کاری سیالاتی است که با هم تبادل حرارت انجام می دهند. هر چه فشار بیشتر باشد تجهیزات با دوام تری باید به کار گرفته شود که این نیز قیمت مبدل حرارتی را افزایش خواهد داد.

گروه صنعتی ناب زیست با توجه به وضعیت بازار و جهت رفاه حال خریداران محترم اقدام به واردات مبدل‌های حرارتی با برندهای هپاکو، کامر، آلفا لاوال و کائوری که از کیفیت و بازده قابل قبولی برخوردار هستند نموده است. لذا با توجه به تغییرات قیمت شدید در بازار، جهت استعلام قیمت مبدل حرارتی با کارشناسان ما تماس بگیرید.

خرید مبدل حرارتی

برای خرید مبدل حرارتی ابتدا باید بهترین مدل مرتبط با کار خود را بتوانید انتخاب کنید. انتخاب مبدل گرمایی مناسب با کاربری مورد نیاز یک مرحله بسیار مهم در خرید محسوب میشود. مواردی که باید برای انتخاب مبدل حرارتی مناسب بمنظور کارکرد با راندمان و ایمنی بالا مد نظر قرار گیرد عبارت است از:

• ویسکوزیته و خواص سیالی که قرار است خنک یا گرم شود.
• دما و فشار سیالات ورودی و خروجی به مبدل
• دبی جریان
• تغییر یا عدم تغییر فاز سیالات

در مواقعی که فشار و دمای سیالات بسیار زیاد باشد (دمای 600 درجه سانتیگراد یا فشار 350 بار) از نوع خاصی از مبدل حرارتی که از یک لوله بلند مارپیچ تشکیل شده است، استفاده می‌شود. در دماها و فشارهای کمتر از این مقدار از دسته ای از این تیوب ها که داخل پوسته جاسازی شده اند، استفاده می‌شود تا انتقال گرما بین دو سیال از طریق جداره لوله‌ها، انجام بگیرد.

در انتها با توجه به پرکاربرد بودن استفاده از مبدل‌های گرمایی در ساخت منبع کویل دار پیشنهاد می نمائیم سری هم به صفحه محصول پر فروش منبع کویلی بزنید.