مبدل حرارتی یا scalded که به طور کلی به عنوان مبدل گرمایشی شناخته می‌شود، دستگاهی است که برای انتقال حرارت از یک ماده به دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. مبدل‌های حرارتی در انواع و شکل‌های مختلفی و در برخی از محیط‌های خاص به کار گرفته می‌شوند. اجزای سازنده این مبدل‌ها می‌توانند از جنس فلزات، پلاستیک، سیمان، آلیاژها و … ساخته شوند. در این مقاله علاوه بر آشنایی با مبدل حرارتی به عنوان یکی از کارآمدترین تجهیزات صنعتی، به معرفی انواع این مبدل‌ها پرداخته، سازوکار آنها را توضیح داده و ویژگی‌های این نوع دستگاه‌ها را بیان می‌کنیم.
هر آنچه که باید از مبدل حرارتی بدانید
مبدل‌های حرارتی ارتباط گرمایشی میان دو منبع حرارتی خاص را برقرار می‌کنند. این منابع حرارتی می‌توانند از انواع مختلف گاز، بخار، روغن، آب و … باشند. مبدل های گرمایشی باعث انتقال حرارت از یک منبع حرارتی به منبع حرارتی دیگر می‌شوند؛ به طوری که حرارت از یک جسم به جسم دیگر انتقال مییابد.
این انتقال حرارت می‌تواند به صورت تابش (از طریق امواج الکترو مغناطیسی)، هدایت (از طریق انتقال مستقیم حرارت در تماس مستقیم) و کانکشن (از طریق جابجایی جریان مایع یا گاز) انجام شود. به عبارت دیگر، مبدل حرارتی جزء تجهیزات کارآمدی است که از طریق انتقال حرارت، گرما را از یک ماده به ماده دیگر منتقل می‌کند. این دستگاه می تواند در صنعت و در بسیاری از زمینه‌های دیگر مورد استفاده قرار گیرد و نقشی مهم در کنترل دما و انتقال حرارت داشته باشد.
اجزای سازنده مبدل حرارتی
اجزای سازنده دستگاه در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و به تشکیل مبدل حرارتی برای انتقال حرارت بین دو سیال مختلف عمل می‌کنند. در ادامه با برخی از اجزای سازنده مبدل‌های حرارتی آشنا می‌شویم.
- لوله‌ها: لوله‌ها درون مبدل حرارتی برای جابجایی سیال حرارتی استفاده می‌شوند. طراحی لوله‌ها می‌تواند به صورت لوله‌های سرویس سرد و گرم، لوله‌های صنعتی، لوله‌های پر شده با عایق حرارتی و … باشد.
- غلاف: غلاف مبدل حرارتی برای نگهداری و حفاظت لوله‌ها استفاده می‌شود. انواع مختلف غلاف‌ها مانند غلاف فلزی، غلاف برجسته، غلاف مونتاژی و غلاف نیروگاهی در مبدل‌های حرارتی مختلف وجود دارند.
- پروانه‌ها: از پروانه‌ها برای تسهیل جریان سیال حرارتی درون مبدل حرارتی استفاده می‌شود. طراحی و شکل پروانه‌ها در توزیع همگن حرارت و بهره وری مبدل حرارتی تاثیر بسزایی دارد.
- برجستگی‌ها: برجستگی‌های خاصی بر روی غلاف مبدل حرارتی قرار می‌گیرند و برای افزایش سطح انتقال حرارت استفاده می‌شوند. انواع مختلف برجستگی‌ها شامل برجستگی‌های لوله‌ای، توربوهای پر شده با عایق، برجستگی‌های خوابیده و … هستند.
- سیال حرارتی: سیال حرارتی که درون مبدل حرارتی جریان دارد می‌تواند آب، هوا، روغن و… باشد. انتخاب سیال حرارتی مناسب بر اساس نیاز و کاربرد مبدل حرارتی انجام می‌شود.
- سیستم راه اندازی: این سیستم شامل شیرها، فن‌ها و سایر تجهیزات لازم برای جریان دهی به سیال حرارتی درون مبدل حرارتی است.
- جعبه تقویت کننده: این بخش در مبدل‌های حرارتی برای تقویت جریان سیال حرارتی استفاده می‌شود.
نکته: در مبدل حرارتی فلت سیال حرارتی به صورت انتقال حرارت به ازای تماس و با فاصله کمتر از یک میکرو متر به سطح یک جامد عمل می‌کند. در این مدل، استفاده از اجزای سازنده معمول در دستگاه حرارتی صورت نمی‌گیرد.
طرز کار مبدل حرارتی چگونه است؟
مبدل حرارتی یا همان گرم کن حرارتی دارای سازوکاری ویژه برای انتقال حرارت و گرما در فضاهای مختلف است. این عملیات به طور ویژه به منظور ایجاد حرارت با درجه دمایی خاص در یک محیط است و از یک محیط به محیط دیگر انتقال مییابد. هدف از استفاده از مبدل حرارتی در بسیاری از موارد، متعادل کردن دما در دو محیط، یا تغییر دما است. ممکن است این تولید حرارت برای تولید برق یا تأمین گرمای مورد نیاز در صنایع و ساختمان‌ها انجام شود. به طور کلی طرز کار مبدل حرارتی بسته به نوع و کاربرد این دستگاه‌ها متفاوت است. به عبارت دیگر، طرز کار دقیق هر نوع مبدل حرارتی بستگی به طراحی و ساخت مبدل دارد و ممکن است با توجه به عوامل مختلفی نظیر جریان سیال، دمای اولیه و نهایی و مقدار حرارت مورد نظر، متفاوت باشد.
کاربرد مبدل حرارتی
کاربرد مبدل‌های حرارتی بسیار گسترده است و در صنایع مختلفی مانند صنایع نفت و گاز، صنایع شیمیایی، صنایع برق و تولید بخار، صنایع غذایی و پزشکی استفاده می‌شود. در ادامه به معرفی مهم‌ترین کاربردهای مبدا حرارتی در صنایع مختلف می‌پردازیم:
صنعت نفت و گاز
یکی از کاربردهای اصلی مبدل حرارتی در صنایع نفت و گاز است که برای خنک کردن گازهایی که از چاه‌های نفتی بالا می‌آیند به کار گرفته می‌شود. به این شکل جریان‌های گازی در یک لوله داخلی از طریق یک سیال خنک کننده عبور می‌کنند و حرارت خود را به سیال خنک کننده انتقال می‌دهند. سپس سیال خنک‌‌کننده از یک لوله خارجی عبور می‌کند که توسط آب سرد شده است و حرارت به آب منتقل می‌شود.
صنایع شیمیایی
در صنایع شیمیایی نیز مبدل حرارتی برای انتقال حرارت بین محیط‌های مختلف استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در یک پالایشگاه نفت، به مبدل حرارتی برای خنک کردن نفت خام نیاز است. از طریق کارکرد مبدل حرارتی، حرارت نفت خام به یک سیال خنک کننده انتقال یافته و نفت خام خنک می‌شود تا در فرایند تغییر و بهینه سازی راحت‌تر مورد استفاده قرار گیرد.
صنایع برق و بخارات
در صنایع برق و تولید بخار، مبدل حرارتی برای تبدیل حرارت معادل‌های سوخت به بخار آب استفاده می‌شود. حرارت معادل‌های سوخت به وسیله مبدل حرارتی منتقل شده و بخار آب تشکیل می‌شود. این بخار سپس برای تولید برق در توربین‌ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
صنایع تولید مواد غذایی
در صنایع تولید مواد غذایی نقش مبدل حرارتی در پردازش و خنک کردن محصولات بسیار اساسی و کلیدی است. به عنوان مثال، در صنایع شیرینی پزی، مبدل حرارتی برای خنک کردن درجه حرارت محصولات بعد از پخت و پز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
علاوه بر موارد یاد شده، مبدل‌های گرمایشی در صنعت پزشکی نیز برای خنک کردن یا گرم کردن اجسام، جراحی پالس جت و ترموتراپی قابل استفاده هستند. این مبدل‌ها همچنین در صنعت و سیستم های تهویه مطبوع، خنک کننده های خودرو و … نیز مورد استفاده گسترده هستند.
انواع مبدل حرارتی کدامند؟
انواع مختلفی از مبدل‌های حرارتی با کاربردها و سازوکارهای محتلف وجود دارند و در شرایط گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرند. مبدل حرارتی های لوله‌ای، مبدل حرارتی صفحه‌ای، مبدل حرارتی بسته و ... انواعی از پرکاربردترین مبدل‌های گرمایشی به شمار می‌آیند. در ادامه شما را با انواع مبدل‌های حررتی آشنا می‌کنیم.
- مبدل حرارتی لوله به لوله یا لوله‌ای (Shell and Tube Heat Exchanger): این دستگاه شامل یک لوله داخلی و یک لوله خارجی است و حرارت بین این دو لوله منتقل می‌شود.
- مبدل حرارتی صفحه‌ای یا پره‌ای (Plate Heat Exchanger): این مبدل از تعدادی صفحه مسطح فلزی که بین آنها حجمی برای جریان سیال قرار دارد و حرارت از طریق این صفحات منتقل می‌شود، تشکیل شده است.
- مبدل حرارتی خنک کننده هوا (Air Cooler): این سیستم شامل لوله‌هایی است که سطح آنها توسط هوای اطراف خنک می‌شود.
- مبدل حرارتی تبادل گازی (Gas to Gas Heat Exchanger): این مبدل گرمایشی برای انتقال حرارت بین دو جریان گازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- مبدل حرارتی تبادل دو طرفه (Double Pipe Heat Exchanger): این دستگاه دتدای دو لوله موازی است و سیال حرارتی از داخل یک لوله به لوله دیگر انتقال مییابد.
- مبدل حرارتی جریان متقابل (Counterflow Heat Exchanger): در این مبدل گرمایشی مسیر جریان هوا و آب (یا سیال دیگر) به گونه‌ای است که در جریان متقابل با یکدیگر قرار گیرند و حرارت به بهترین شکل تبادل شود.
- مبدل حرارتی جریان موازی (Parallel Flow Heat Exchanger): در این نوع مبدل حرارتی، هوا و سیال گرم به طور موازی جریان می‌یابند.
- مبدل حرارتی بسته (Compact Heat Exchanger): این دستگاه شامل تعداد زیادی لوله کوچک با انتقال حرارت موثر است و در فضاهای محدود استفاده می‌شود.
- مبدل حرارتی انتقال وضعیت (Phase Change Heat Exchanger): از این سیستم برای انتقال حرارت بین مایع و گاز در فرایندهای تبخیر و تکثیر استفاده گسترده می‌شود.
نتیجه گیری
مبدل حرارتی از جمله مهم‌ترین سیستم‌های صنعتی است که انتقال گرما در محیط‌های مختلف را امکان پذیر گرده و به تعدیل گرما و دما کمک می‌کند. در این مقاله به مهم‌ترین نکات و مفاهیم مرتبط با مبدل حرارتی پرداخته و با سازوکار این سیستم آشنا شدیم. بدیهی است که جهت خرید و استفاده از مبدل حرارتی لازم است نوع مبدل را با توجه به کاربرد و موارد استفاده انتخاب کنید.