مبدل حرارتی یا مبادله کن گرمایی وسیله ای است که در آن تبادل حرارت بین دو سیال یا منبع سرد و گرم صورت می گیرد و هدف از بکارگیری این تکنولوژی خنک کردن یا گرم کردن یک سیال به کمک سیال دیگر، دفع حرارت به محیط و یا خنک کردن و گرم کردن یک فضاست.
مبدل های گرمایی بخش مهمی از اغلب سیستم ها و تاسیسات حرارتی، برودتی، انررژی و حمل و نقل هستند.
معمولاً در مبدل های گرمایی محیط سرد و گرم در تماس مستقیم با یکدیگر نیستند و توسط یک جدار جامد از هم جدا شده اند. در عین حال نوع دیگری از وسایل تبادل گرما هستند که بین دو محیط تماس مستقیم برقرار می شود (برجهای خنک کن تماس مستقیم)
هرچند که در اغلب مبدل های گرمایی بین دو محیط تبادل گرما انجام می شود ولی وسایلی نیز وجود دارند که در آن انتقال جرم نیز صورت می گیرد.
انواع مبدل های حرارتی موجود در بازار
انواع مبدل حرارتی از تجهیزات اساسی در انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر در فرایندهای مختلف است و انواع مختلفی از مبدلهای حرارتی وجود دارد که بر اساس طراحی و ساختار آنها متفاوت هستند.
هر یک از این انواع مبدل حرارتی برای شرایط و کاربردهای خاص مناسب هستند و انتخاب مبدل حرارتی مناسب باید بر اساس نیازها و شرایط مخصوص به هر فرایند صورت گیرد.
مبدل حرارتی صفحهای
این نوع مبدل حرارتی صفحه ای دارای صفحات فلزی باریک است که به هم فشرده شدهاند تا سطح انتقال حرارت بیشتری ایجاد کنند. مایع گرمایی و مایع خنککننده بهصورت موازی در بین صفحات عبور میکنند و حرارت بهسرعت انتقال مییابد. مبدل حرارتی صفحه ای از پرکاربردترین نوع مبدلهای حرارتی در بازار به شمار میآید که در صنایع غذایی، تأسیسات گرمایشی، تهویهمطبوع و صنایع پردازشی مورداستفاده قرار میگیرد.
مبدلهای حرارتی صفحهای دوجداره:
این نوع مبدل حرارتی دارای دو لوله متمایز است که درون یکدیگر قرار گرفتهاند. یکی از لولهها مایع گرمایی را حمل میکند و دیگری مایع خنککننده است. این دو لوله بهصورت موازی یا معمولاً سیکلی با یکدیگر جریان دارند و حرارت از مایع گرمایی به مایع خنککننده منتقل میشود.
مبدلهای حرارتی صفحهای با شکاف عریض:
همینطور در این دستهبندی مبدل حرارتی، صفحات فلزی با شکافهای عریض و موازی با یکدیگر قرار دارند. این شکافها به افزایش سطح انتقال حرارت کمک میکنند و معمولاً در انتقال حرارت با فشارهای بالا و در صنایع پتروشیمی و گاز مورداستفاده قرار میگیرند.
مبدلهای حرارتی صفحهای جوشکاری شده:
این نوع مبدل حرارتی صفحهای از صفحات فلزی تشکیل شده است که به یکدیگر جوشکاری شدهاند. این جوشکاریها باعث محکمشدن صفحات و ایجاد مبدلهای حرارتی با ساختار محکم میشود.
مبدل حرارتی صفحهای نیمه جوشکاری شده:
نوع مبدل حرارتی نیمه جوش، برخی از صفحات جوشکاری شدهاند و برخی دیگر نیستند. این ساختار باعث جریان مایعات مختلف در اطراف صفحات جوشکاری شده و مایعات متفاوت را از یکدیگر جدا میکند.
مبدل حرارتی صفحهای لحیمکاری شده:
در این سری از مبدل حرارتی، صفحات فلزی با یکدیگر بهوسیله لحیمکاری اتصال داده شدهاند و این ساختار از مبدلهای حرارتی با کارایی بالا و ساختار محکمی برخوردار است.
مبدل حرارتی صفحهای واشر دار:
محصول مذکور دارای صفحات فلزی است که با واشرهای میانی جداگانه از یکدیگر نگهداری میشوند. این واشرها به امکان تعویض و تعمیر آسان اجزای مبدل حرارتی کمک میکنند.
مبدل حرارتی لولهای (دو لوله)
این نوع مبدل حرارتی از دو لوله متمایز تشکیل شده است، یک لوله داخلی که مایع گرمایی را حمل میکند و یک لوله خارجی که مایع خنککننده را در بر میگیرد. حرارت از مایع داغ به مایع خنککننده انتقال مییابد. این نوع مبدل حرارتی برای کاربردهای ساده و کم ترکیب مناسب است.
مبدل حرارتی مارپیچی
و بهعنوان یکی از گزینههای اصلی این نوع مبدل حرارتی دارای لولههایی است که بهصورت مارپیچ در دور از یک محور قرار گرفتهاند. این طراحی به توزیع یکنواخت حرارت کمک میکند و برای مواردی که نیاز به تغییرات دمایی زیاد دارند مناسب است.
مبدل حرارتی حلزونی
مبدل حرارتی حلزونی یک نوع مبدل حرارتی است که برای انتقال حرارت از یک مایع گرمایی به مایع خنککننده دیگر استفاده میشود. این نوع مبدل حرارتی دارای یک لوله بیرونی حلزونی است که داخل آن مایع گرمایی جریان دارد و یک مایع خنککننده از بیرون از طریق حلقههای حلزونی به داخل مبدل حرارتی وارد میشود.
این دو مایع بهصورت موازی در اطراف هم جریان مییابند و حرارت از مایع گرمایی به مایع خنککننده منتقل میشود. مبدل حرارتی حلزونی به دلیل طراحی خاص حلزونیاش، دارای سطح انتقال حرارت بزرگی است که این امر باعث افزایش کارایی انتقال حرارت میشود.
مبدل حرارتی پوسته و لوله (شلاند تیوب)
مبدل حرارتی با فرم پوسته لولهای، دارای یک لوله داخلی که مایع گرمایی را حمل میکند و یک پوسته خارجی دارد که مایع خنککننده در آن جریان دارد. این نوع مبدل حرارتی برای فشارهای بالا و مایعات با دمای بالا مناسب است و در صنایع شیمیایی و پتروشیمی معمولاً مورداستفاده قرار میگیرد.
مبدل فین دار حرارتی
یکی دیگر از مدلهای محبوب است که در آن لولهها با فینهایی مجهز شدهاند تا سطح انتقال حرارت آنها افزایش یابد. در این نوع مبدل حرارتی، لولههای داخلی برای انتقال مایع گرمایی یا گاز داغ مورداستفاده قرار میگیرند و روی این لولهها فینهای فلزی نصب میشوند. فینها روی لولهها نصب میشوند که باعث افزایش منطقه تماس بین مایع گرمایی و مایع خنککننده میشود.
این تقویت در سطح انتقال حرارت باعث افزایش کارایی مبدل حرارتی میشود و امکان انتقال حرارت بیشتری را فراهم میکند. مبدل حرارتی لولهای فین دار معمولاً در کاربردهایی که نیاز به انتقال حرارت مؤثر و با سرعت بالا داریم مانند سیستمهای تبرید، تهویهمطبوع، تولید بخار و پردازش هوا و گازها به کار میرود.
همچنین در برخی موارد میتوان از انواع مختلف فینها با طرحهای متفاوت برای بهینهسازی انتقال حرارت در شرایط خاص استفاده کرد.
کاربردهای انواع مبدل حرارتی
انواع مبدلهای حرارتی به دلیل اهمیت حرارت و انتقال حرارت در صنایع مختلف، جزو تجهیزات بسیار حیاتی محسوب میشوند و افزایش کارایی و بهرهوری فرایندها و سیستمهای گرمایشی و برودتی را آسان میکنند.
عموماً مبدل حرارتی در انواع مختلف صنعتی و کاربردهای متعددی مورداستفاده قرار میگیرد. این دستگاهها برای انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر استفاده میشوند:
۱. صنعت نفت و گاز
مبدلهای حرارتی در این صنعت برای خنککردن نفت خام، گازهای طبیعی و دیگر مایعات مورداستفاده قرار میگیرند. همچنین، برای گرمکردن و تبدیل نفت خام به محصولات نفتی از جمله بنزین و دیزل مورداستفاده قرار میگیرند.
۲. صنعت شیمیایی
مبدلهای حرارتی در تولید مواد شیمیایی مانند اسیدها، قلیاییها، پلاستیک و رنگها برای خنککردن و گرمکردن مواد کاربرد دارند.
۳. تولید برق
در نیروگاهها، مبدلهای حرارتی برای تبدیل آب به بخار برای تولید برق استفاده میشوند. همچنین در نیروگاههای هستهای نیز از آنها برای خنککردن رآکتورهای هستهای یک انتخاب اصلی هستند.
۴. تولید خودرو و حملونقل
انواع مبدل حرارتی در صنعت خودروسازی برای خنککردن موتورها و انتقال حرارت از سیستمهای تبرید و گرمایش به کابین خودروها استفاده میشوند.
۵. صنایع غذایی
در صنعت غذایی، این تجهیزات برای پردازش حرارتی مواد غذایی مانند پاستوریزاسیون شیر، کنسروسازی و تولید بخار در فرایندهای پختوپز مورداستفاده قرار میگیرند.
۶. تهویهمطبوع و تبرید
انواع مبدلهای حرارتی در سیستمهای تهویهمطبوع و تبرید مورداستفاده قرار میگیرند تا هوای گرم را خنک کرده یا ترمواستاتها و کمپرسورها را خنک کنند.
۷. صنایع آب و فاضلاب
در تصفیه آب و فاضلاب نیز مبدلهای حرارتی بهمنظور انتقال حرارت و بهینهسازی فرایندها اصلیترین کاربرد را در ساختمانها دارند.
۸. صنعت فولاد:
ضمن آن در تولید فولاد و فرایندهای حرارتی مرتبط با آن، مبدلهای حرارتی بهمنظور خنککردن و گرمکردن مواد مورداستفاده قرار میگیرند.