مبدل حرارتی چیست

سری مطالب مقالات

مبدل حرارتی، نوعی دستگاه صنعتی است که برای انتقال حرارت بین یک سیال داغ و یک سیال سرد استفاده می شود. در برخی از انواع مبدل های حرارتی، فرآیند انتقال گرما از طریق واسطه های فلزی صورت می گیرد، بدون اینکه دو سیال با یکدیگر تماس داشته باشند. در این مطلب قصد داریم تجزیه حرارتی مبدل های حرارتی را مورد بررسی قرار دهیم؛ طراحی یک مبدل ایده آل، به اطلاعاتی نظیر دینامیک سیال و آنالیز مکانیکی متریال و اجزای مبدل حرارتی نیاز دارد.
اگرچه حرارت بین دو سیال به روش هدایت گرمایی و از طریق دیواره های جدا کننده منتقل می شود، اما مدیریت فرآیند انتقال حرارت توسط مبدل های حرارتی انجام میشود . هدایت گرما در مبدل ها به دو شکل تک فاز یا دو فاز انجام می شود. لازم به تذکر است که دستگاه هایی که از یک جریان سیال تشکیل شده اند مانند رادیاتور فضاپیماها، هیتر الکتریکی زیردریایی یا لوله های تبادل گرما با محیط بیرونی، هرگز یک مبدل قلمداد نمی شوند.

مبدل حراراتی

مبدل حراراتی

آشنایی با انواع مبدل حرارتی در صنعت

رایج ترین انواع مبدل های حرارتی، مبدل حرارتی پوسته لوله و مبدل حرارتی صفحه ای هستند . اگر چه انواع دیگری از مبدل ها نیز در صنایع کاربرد دارند اما همه آن ها بر مبنای جریان سیال و انتقال حرارت میان آن دو عمل می کنند. بر همین اساس، انواع مبدل حرارتی به دسته های زیر تقسیم بندی می شوند:

مبدل حرارتی پوسته لوله (Shell and Tube Heat Exchanger) یا در اصطلاح، STHE، نوعی از مبدل حرارتی است که یک سیال از درون دسته ای از لوله ها عبور کرده و سیال دیگر در محفظه مبدل و به صورت عمود بر سیال اول، حرکت می کند. در این مبدل، لوله ها توسط یک پوسته پوشانده شده اند.

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger) یا در اصطلاح، PHE، نوعی مبدل حرارتی است که انتقال حرارت از طریق صفحات وسیع، میان دو سیال انجام می شود.

مبدل حرارتی جریان باز (Open-Flow Heat Exchanger)، نوعی از مبدل است که جریان یکی از سیال ها به داخل تجهیزات، محدود نمی شود؛ اساس کار این مبدل ها مانند نحوه عملکرد رادیاتور خودرو است؛ مبدل جریان باز از لوله های خنک کننده هوا تشکیل شده اند که گرما را با محیط مبادله می کنند. از این دستگاه در سیستم های تهویه مطبوع، سیستم سرمایش و گرمایش خانه ها استفاده می شود. برخی از آبگرمکن های خانگی نیز بر همین اساس طراحی شده اند.

مبدل حرارتی تماسی (Contact Heat Exchanger)، نوعی از مبدل های حرارتی است که در آن، دو سیال به طور مستقیم با یکدیگر در تماس هستند. در این مبدل ها انتقال حرارت و انتقال جرم به طور همزمان اتفاق می افتد. علاوه بر این، مبدل حرارتی تماسی، نظیر آنچه در برج های خنک کننده رخ می دهد موجب می شود دو سیال به واسطه اختلاف نیروی وزن از یکدیگر متمایز باشند و همین عامل می تواند زمینه را برای ورود جزء سوم به مبدل (به طور مثال، یک ماده جامد) فراهم سازد.

 

مبدل های حرارتی پوسته لوله

مبدل های حرارتی پوسته لوله

 

تقسیم بندی مبدل حرارتی بر اساس فاز انتقال حرارت علاوه بر شیوه فوق الذکر، می توان این تجهیزات را بر اساس نوع سیالات عبوری از درون آن ها طبقه بندی کرد.

به طور مثال، انواع مبدل حرارتی عبارتند از:

  • انتقال حرارت میان مایع – مایع (بر اساس سیال)

  • انتقال حرارت میان گاز – مایع (بر اساس سیال)

  • انتقال حرارت میان مایع – مایع (بر اساس سیال)

  • انتقال حرارت میان گاز – گاز (بر اساس سیال)

  • مبدل های تبخیر کننده (بر اساس تغییر فاز)

  • مبدل های تبرید کننده (بر اساس تغییر فاز)

  • مبدل های جریان باز (بر اساس تغییر فاز)

  • مبدل حرارتی جریان مستقیم (بر اساس مسیر جریان)

  • مبدل حرارتی جریان متقاطع (بر اساس مسیر جریان)

  • مبدل های حرارتی بر مبنای نسبت سطح به حجم انتقال (بر اساس چگالی)

 

مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار

مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار

 

مبدل های حرارتی به منظور ارتقای جریان انرژی در مراحل حد واسط در فرآیندهای مهندسی و یا با هدف آزاد کردن گرما به محیط استفاده می شوند. مبدل های پوسته لوله و مبدل حرارتی صفحه ای نمونه های از این موارد هستند. این نوع مبدل ها تجهیزات اصلی گرم کردن سیال و سپس خنک سازی آن به شمار می روند. به طور مثال در صنایع غذایی برای از بین بردن میکروارگانیسم های پاتوژن در مواد غذایی، فرآیند حرارت دهی و خنک سازی، قبل از بسته بندی محصول انجام می شود. استریلیزه کردن محصولات غذایی، نمونه ای از این فرآیندها است.