فرآیند انتقال حرارت میان دو یا چند جریان با دماهای متفاوت صورت می پذیرد که کاربرد های گوناگون صنعتی ، تجاری و خانگی دارد و معمولا برای این کار از یک مبدل حرارتی استفاده می کنند .
مجموعه ای متنوع از مبدل های حرارتی از نظر شکل ، اندازه ، مکانیزم انتقال حرارت و سایر ویژگی ها را در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت و گاز ، برق و قدرت ، حمل و نقل ، تهویه مطبوع ، تبرید و سرماسازی و بیولوژی می توان مشاهده نمود .
مبدل ها را می توان بر اساس موارد زیر دسته بندی نمود :
1 – آرایش جریان
2 – نوع ساختمان و نحوه عملکرد
3 – پیوستگی یا تناوب جریان
4 – فرآیند انتقال
5 – فشردگی جریان
6 – درجه حرارت کارکرد
7 – تعداد سیال
» که در این جا به توضیح برخی از موارد اساسی می پردازیم
1 انواع مبدل های حرارتی بر اساس آرایش جریان
الف ) مبدل های حرارتی جریان موازی
در این نوع از مبدل ها ، دو سیال از یک جهت و همسو با یکدیگر وارد مبدل شده و در موازات هم مسیر خود را ادامه داده و از جهت دیگر مبدل خارج میشوند. در این روش ، اختلاف دمای دو سیال در طول مبدل افت میکند .
این اختلاف دما ، نیروی محرکه انتقال حرارت است و هرچه بیشتر باشد انتقال حرارت بهتری صورت گرفته است .در این حالت میزان انتقال حرارت در ابتدای مبدل که دو سیال در حال وارد شدن به آن هستند بیشتر از قسمت انتهایی آن میباشد و دمای خروجی سیالی که در حال گرم شدن است هرگز از دمای خروجی سیال گرم کننده بیشتر نمی شود .
ب ) مبدل های حرارتی جریان مخالف
در این نوع از مبدل ها ، دو سیال در خلاف جهت یکدیگر وارد مبدل می شوند . در این روش اختلاف دمای دو سیال در طول مبدل تقریبا ثابت می ماند و می توان دمای خروجی سیال در حال گرم شدن را به دمایی بالاتر از دمای خروجی سیال گرم کننده رساند .
2 انواع مبدل بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد
الف ) مبدل های حرارتی لوله ای
مبدل های حرارتی لوله ای خود به چند زیر مجموعه تقسیم میشوند که هر یک را به اختصار توضیح میدهیم :
- مبدل های حرارتی دو لوله ای
ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود ، مبدل حرارتی دو لوله ای می باشد که به آن مبدل سنجاق سری هم گفته می شود که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع از مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریان های سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشار های زیاد اشاره نمود .
- مبدل های حرارتی لوله مارپیچ
این نوع از مبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا و انتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن و یا فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل می باشد .
مبدل های حرارتی مارپیچی می توان گفت بعد از مبدل های دولوله ای ساده ترین ساختار را دارد . این مبدل ها توانایی انتقال حرارت در فشار ها و دماها ی بالا را همانند مبدل های پوسته و لوله ای به خوبی دارا میباشند و در برابر شوک های حرارتی و فشاری مقاومت زیادی دارند .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم می باشد .
- مبدل های حرارتی لوله و پوسته ای
یکی از متداول ترین و پر کاربرد ترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد ، مبدل های حرارتی لوله و پوسته ای می باشد که برای کاربرد های متنوع در ابعاد و اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شوند .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس (میعان) کردن یک بخار ویا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می گردد .
اجزاء تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله و پوسته عبارتند از : لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، صفحات نگهدارنده ، سر جلو و سر عقب . این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگری در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشند . در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .
دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد .
برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار میگیرند.هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی. با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .
ب ) مبدل های حرارتی صفحه ای
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و به سه دسته ی زیر تقسیم میشوند :
- صفحه و شاسی
- حلزونی
- صفحه و کویل
- مبدل حرارتی صفحه و شاسی
این نوع از مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار میگیرند و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور می کنند .
بدلیل محدودیت دما و فشار ، برای دما و فشارهای بالا که عمل انتقال حرارت صورت می گیرد ، نمی توان از این مبدل ها استفاده نمود . از این مبدلها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده می شود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . معمولا از این نوع مبدلها در صنایع غذایی استفاده می شود.
- مبدل حرارتی صفحه ای حلزونی
مبدل حرارتی حلزونی یا همان مبدل حرارتی اسپیرال از دو صفحه مسطح که به صورت حلزونی (اسپیرال) و در کنار هم رول شده اند، تشکیل می شود که دو کانال عبور سیال را به موازات هم بوجود می آورند. یک جریان سیال از مرکز حلزونی وارد و از محیط آن خارج می شود. سیال دیگر در جهت مخالف از محیط حلزونی وارد و از مرکز خارج می شود و بدین ترتیب دو سیال در طول حرکت خود از ابتدا تا انتهای اسپیرال با یکدیگر تبادل حرارتی انجام می دهند .
مبدل های حرارتی حلزونی اغلب برای گرمایش سیالاتی که حاوی مواد جامد هستند و تمایل به رسوب در سطح مبدل در آنها زیاد است، استفاده می شوند. همین افت فشار اندک که در مبدل های حرارتی حلزونی به وجود می آید، خود عاملی است که از رسوب ذرات و مواد جامد بر سطح مبدل جلوگیری می کند. بدین ترتیب که اگر قسمتی از سطح رسوب بگیرد، موجب افزایش سرعت سیال در آن قسمت شده و سیال با سرعت بیشتر، به جدا شدن رسوب از سطح کمک می کند و در واقع مبدلی است که خاصیت ضد رسوب دارد. همچنین این مبدل ها به راحتی قابلیت پاکسازی دوره ای را دارند زیرا می توان با فشار سیال شستشو دهنده، رسوب را از سطح آن پاکسازی نمود.
سلماز