در بسیاری از فرایندها و سیستم‌ها نیاز به تبادل حرارت بین دو ماده وجود دارد. برای آنکه حرارت منتقل شود کافی است دو جسم در مجاورت یکدیگر قرار گیرند. این کار برای جامدات معمولاً بدون مشکل انجام می‌شود، اما اگر دو سیال (گاز یا مایع)، در مجاورت یکدیگر قرار گیرند با هم ترکیب شده و یا حتی با هم واکنش شیمیایی خواهند داد و جدا سازی آن دو سیال اگر غیرممکن نباشد، بسیار دشوار خواهد بود. لذا باید راهی پیدا کرد که دو سیال بتوانند بدون آنکه با هم تماس فیزیکی داشته باشند، تبادل حرارت انجام دهند. راه حل آن استفاده از مبدل حرارتی است، که در این مقاله با انواع و روش کار آنها آشنا خواهیم شد.
فهرست مطالب
مبدل حرارتی
مبدل حرارتی دستگاهی است که در آن دو سیال بدون آنکه با هم ترکیب شوند، مبادله حرارت انجام می‌دهند. از آنجایی که عمل انتقال حرارت معمولاً با سرعت زیادی انجام نمی‌شود، طراحی مبدلهای حرارتی باید طوری باشد که در حداقل فضا، حداکثر نرخ انتقال حرارت امکان‌پذیر باشد. مبدلهای حرارتی در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع و تبرید، نفت و گاز، انواع نیروگاه، صنایع فرآیندی و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ساده‌ترین مثالی که برای مبدلهای حرارتی می‌توان ذکر کرد، رادیاتور خودرو و یا کندانسور پشت یخچال هستند.
مبدلهای حرارتی را می‌توان به چند روش دسته‌بندی کرد:
- بر حسب سطح تماس دو سیال
- بر حسب جهت جریان دو سیال
- بر حسب ساختمان مکانیکی و ساختار مبدل
انواع مبدلهای حرارتی بر حسب سطح تماس دو سیال
مبدلهای حرارتی Recuperative
در این نوع مبدل، سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا تفکیک شده و انتقال از طریق آن سطح انجام می‌گیرد. اکثر مبدلهای حرارتی موجود در صنعت از این نوع‌اند.
مبدل حرارتی نوع Regenerative
در این نوع مبدل، سطح سیال سرد و گرم ثابت نمی‌باشد و متناوباً قسمت‌هایی از سطح تفکیک‌کننده در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می‌گیرد. این نوع مبدل حرارتی بیشتر در آزمایشگاه‌ها و موارد تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مبدلهای حرارتی تماس مستقیم
در این نوع مبدل حرارتی، استثناً سیال سرد و گرم به‌طور مستقیم در تماس با یکدیگر هستند و هیچ تفکیک‌کننده‌ای بین جریان‌های سرد و گرم وجود ندارد. در مبدلهای حرارتی تماس مستقیم، دو سیال حتماً باید غیرقابل ترکیب یا واکنش باشند، در غیر این صورت مشکلاتی که در ابتدا بیان شد پیش خواهد آمد. این مبدل‌ها معمولاً از راندمان حرارتی بالایی برخوردارن و برای مواردی استفاده می‌شود که در آن یک سیال در حالت گازی و دیگری مایع است
برج‌های خنک کن، کولرهای آبی و گرم کن‌های Open Feed Water Heater که در نیروگاه‌های بخار وجود دارند، نمونه‌ای از این مبدل‌ها هستند.
انواع مبدلهای حرارتی بر اساس جهت جریان دو سیال
مبدلهای جریان مخالف
در این مبدل‌ها جهت جریان گرم مخالف جهت جریان سرد است. این مبدل‌ها در شرایط کاری یکسان از سطح انتقال حرارت کوچکتری نسبت به مبدلهای جریان موازی برخوردار هستند.
مبدلهای جریان موازی (هم‌جهت)
جهت جریانات سرد و گرم در این مبدل‌ها موازی است. این امر باعث می‌شود که دمای دو سیال هیچ‌گاه دقیقاً یکسان نشود. نزدیک‌تر شدن مقدار عددی دو دمای خروجی نیازمند بکارگیری سطح انتقال حرارت بسیار بزرگتری می‌باشد.
مبدلهای جریان متقاطع
در این نوع مبدل‌ها جهت جریان دو سیال عمود برهم می‌باشد. به عنوان نمونه رادیاتور خودرو یک نوع مبدل جریان متقاطع است.
انواع مبدلهای حرارتی بر حسب ساختار مکانیکی
مبدل های حرارتی صفحه ای
ساختار مبدل های حرارتی صفحه ای، متشکل است از صفحات بسیار نازک که کانال های جریان را تشکیل می‌دهد. جریان های سیال ، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موجدار هستند، از یکدیگر جدا می شوند. مبدلهای حرارتی صفحه‌ای خود دارای انواعی مختلفی است:
صفحه ای واشردار
مبدلهای صفحه‌ای واشردار شامل تعدادی از صفحات بسیار نازک با سطح چین دار یا موج دار هستند که دو سیال را از یکدیگر جدا می‌کنند. صفحات نازک دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی طراحی شده‌اند که دو سیالی که باید حرارت بین آنها مبادله شود، در میان فضای صفحات ، جریان یابند. طراحی واشربندی بسیار مهم است، چراکه امکان آن را ایجاد می‌کند که مجموعه ای از صفحات، به وسیله پیچ‌هایی، در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. واشرها نیز از نشتی سیالات به بیرون جلوگیری می‌کنند و جریان سیال‌ها را در صفحات، به شکل مورد نظر، هدایت می‌نمایند. این مبدل‌ها به راحتی تمیز می‌شوند، چون می توانند کاملاً از یکدیگر باز و جدا گردند، لذا استفاده زیادی در صنایع غذایی دارند.
مبدلهای حرارتی صفحه‌ای حلزونی
ساختمان مبدلهای صفحه‌ای حلزونی، 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 می‌شود. صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی ، با استفاده از پین‌های فاصله‌انداز که به ورق فلزی جوش می‌شوند، از یکدیگر فاصله می‌یابند. در هر یک از دو مسیر جریان حلزونی، یک جریان ثانویه ایجاد می‌شود که نرخ انتقال حرارت را افزایش داده و از تشکیل رسوب جلوگیری می‌کند. از آنجایی که ساختار منحصر به فرد آنها می باشد، این مبدل‌ها به طور کامل فشرده هستند، اما همچنان قیمت آنها نسبتاً بالا است. موارد کاربرد آنها برای سیالات لجن‌آلود، لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق مناسب می‌باشد.
مبدل های حرارتی لاملا
این نوع از مبدلهای حرارتی که با نام ریمن نیز شناخته می‌شوند، متشکل‌اند از محموعه کانال‌های ساخته شده از صفحات فلزی نازک، که به شکل موازی جوشکاری شده‌اند و یا به شکل لوله های تخت یا کانال‌های مستطیل شکل می‌باشند، که صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته‌اند. مبدلهای لاملا در حقیقت شکل اصلاح شده‌ای از مبدلهای حرارتی پوسته-لولهای با صفحه لوله شناور است. لوله‌های تخت شده موسوم به لاملا، از دو صفحه باریک که برش خورده و به یکدیگر جوش شده‌اند، ساخته شده است. شکل‌دهی خاص این صفحات باریک، فضای داخل لاملاها را ایجاد کرده و برجستگی هایی به سمت بیرون ایجاد می‌کند که به صورت فاصله دهنده بین لاملاها، برای ایجاد مقاطع جریان در سمت پوسته بکار می‌رود. با قرار دادن میله‌های فولادی در دو انتهای لاملاها، آنها به یکدیگر جوش می‌خورند.
مبدلهای حرارتی لولهای
در این نوع از مبدل‌ها از لوله‌هایی جهت حرکت یک سیال استفاده می‌شود و سیال دیگر در خارج از لوله‌ها جریان دارد. مبدلهای لولهای خود دارای انواع مختلفی هستند:
مبدلهای حرارتی دو لولهای
مبدلهای حرارتی دو لولهای شامل یک لوله در دل یک لوله بزرگتر است که مقطع آنها هم مرکز می‌باشد. یک جریان در داخل لوله کوچکتر و جریان دیگر در داخل لوله بزرگتر جریان می‌یابند. ایراد اصلی وارد به این نوع مبدل‌ها ضریب اتقال حرارت کم آن‌هاست.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله
یک پوسته استوانه ای بزرگ، در دل خود لوله‌هایی را جهت عبور یک جریان جایی داده است. این تصویری از مبدلهای حرارتی پوسته لولهای است. یک جریان از پوسته، و جریان دیگر از لوله‌های داخلی عبور می‌کنند. برای آنکه سرعت حرکت سیال داخل پوسته کاهش یابد از صفحات فلزی با نام بافل استفاده می‌شود.
مبدلهای حرارتی لولهای حلزونی
این مبدل شامل کویل‌هایی است که به صورت حلزونی پیچیده شده و در یک پوسته قرار گرفته‌اند. در لوله حلزونی، ضریب انتقال حرارت بیشتری نسبت به لوله مستقیم وجود دارد. مبدلهای حلزونی برای سیالاتی مناسب است که تمیز باشند، زیرا تمیز کردن لوله‌ها عملاً غیرممکن است.
مبدلهای حرارتی با سطوح پره‌دار
در مبدلهای با سطوح پره‌دار، از پره‌ها یا ضمایمی در سطح اصلی انتقال حرارت، به منظور افزایش سطح و در نتیجه افزایش نرخ انتقال گرما استفاده می‌شود. پره‌ها در مبدلهای حرارتی با دو سیال گازی ویا گاز-مایع، در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کم باشد استفاده می‌گردند.
مبدل های حرارتی پره‌دار می‌توانند صفحه‌ای یا لولهای باشند.
مبدلهای صفحه‌ای پره‌دار
در مبدلهای صفحه‌ای پره‌دار، جریان‌های دو سیال با صفحات تختی که بین آنها پره‌های موج دار تعبیه شده‌است، از هم تفکیک می‌شوند. پره‌های موج‌داری که بین صفحات تخت قرار داده شده‌اند ، باعث ایجاد سطح انتقال گرمای بزرگتری شده و هم‌چنین تکیه‌گاهی برای صفحات تخت ایجاد می‌کنند. مورد کاربرد این مبدلهای جایی است که کاهش حجم مبدل از اهمیت ویژه‌ای برخوردار باشد، مثل ماشین‌های حمل بار و هواپیماها.
مبدلهای لولهای پره‌دار
مبدلهای لولهای پره‌دار، متشکل‌اند از لوله‌هایی که در قسمت بیرونی آنها پره‌هایی نصب شده است. این پره‌ها ممکن است عمود بر محور لوله‌ها، مارپیچ نسبت به محور و یا در امتداد محور لوله‌ها باشند. کندانسورهای هواخنک و دیگ بخار بازیاب حرارتی از انواع مبدلهای لولهای پره‌دار هستند.
جمع بندی
در این مقاله با مبدلهای حرارتی آشنا شدیم و دیدم که وظیفه اصلی در سیکل‌های مختلف مورد استفاده در صنایع چیست و وجود آنها چه اهمیت دارد. در ادامه به بررسی انواع مختلف مبدلهای حرارتی پرداختیم و مورد استفاده آنها را دیدم. امیدواریم از این مقاله لذت برده باشید.
