مبدل حرارتی

مبدل دو لوله‌ای

در این نوع مبدل یک لوله در مرکز لوله بزرگ‌تر قرار گرفته و با اتصالاتی به آن وصل شده است می‌تواند اختلاف دمای مورد نظر و افت فشار را ایجاد کند. در مبدل‌های لوله‌ای میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی کم است. این نوع مبدل‌ها در صنایع فرآیندی بیشتر کاربرد دارند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

در این مبدل لوله‌ها با سطح مقطع دایره در داخل پوسته‌های استوانه‌ای شکل قرار دارند و در آنها محور پوسته با محور لوله موازی است. از این نوع مبدل‌ها در صنایع شیمیایی و فرآیندی، در نیروگاه‌های هسته‌ای مانند مولدهای بخار نیروگاه‌ها مانند خنک‌کن روغن کاربرد دارند. ساختار و شکل مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله با توجه به نوع کاربرد آنها متفاوت است. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله به صورت لوله‌های ثابت، لوله u شکل و بافل دار هستند و هر کدام ساختار و کاربرد خاص خود را دارند. با توجه به افت فشار، ظرفیت گرمایی، شیوه ساخت، تشکیل رسوب، سطح فشار و… آرایش‌های متفاوتی از جریان در سمت پوسته و لوله می‌تواند وجود داشته باشد.

مبدل حرارتی لوله‌ای حلزونی

در این مبدل‌ها کویل‌هایی به صورت حلزونی پیچیده شده و در یک پوست جای گرفته است. همچنین ممکن است به صورت چگالنده و تبخیر کننده هم مرکز بوده که در سیستم تبرید استفاده می‌شود. در مبدل حرارتی لوله حلزونی ضریب انتقال گرما بیشتر است.

مبدل حرارتی صفحه‌ای

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای از صفحات نازک تشکیل شده‌اند. این صفحات به صورت مسطح یا موج دار بوده و ایجاد کانال‌هایی برای عبور سیال می‌کند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای شامل مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار، مبدل حرارتی صفحه‌ای حلزونی و مبدل حرارتی لاملا هستند.

در مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار صفحاتی با سطح موج دار وجود دارد که با واشربندی در کنار هم قرار گرفته‌اند و سیال سرد و گرم را از هم جدا نگه می‌دارند. در مبدل حرارتی صفحه‌ای حلزونی دو صفحه موازی را به شکل حلزون در آورده و به یک میله اصلی جوش می‌دهند و یک کانال ایجاد می‌کنند. این مبدل‌ها به علت نوع ساختی که دارند، گران‌تر هستند. در این مبدل‌ها از سیال‌های لزج و دارای ذرات معلق جامد و در فاز مایع- جامد استفاده می‌شود. در مبدل حرارتی لاملا از صفحات نازک استفاده شده است که به صورت موازی و طولی به هم جوش خورده و در یک پوسته قرار گرفته‌اند. در حقیقت می‌توان گفت این مبدل‌ها شکل تکمیل شده مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله هستند.

مبدل حرارتی با سطوح پره‌دار

در این مبدل‌ها برای افزایش سطح انتقال گرما، پره‌هایی در سطح یا صفحه اصلی قرار داده شده است. این سطوح پره‌دار بیشتر در سمت فاز گازی هستند تا اینکه ضریب انتقال گرما را افزایش دهند. از این مبدل‌ها در فاز مایع- گاز و یا گاز- گاز استفاده می‌شود. انواع رایج مبدل حرارتی با سطوح پره‌دار شامل مبدل صفحه‌ای پره‌دار و مبدل لوله‌ای پره‌دار است.

مبدل حرارتی صفحه‌ای پره‌دار برای فاز گاز- گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع مبدل‌های حرارتی که به صورت فشرده هستند در هواپیماها، اتومبیل‌ها، صنایع فرآیندی، سیستم‌های تهویه و تبرید، بازیابی انرژی و… کاربرد دارند. در این مبدل‌ها به علت آن که دارای کانال‌های جریان کوچک هستند احتمال تشکیل رسوب زیاد است و به همین علت باید از سیال‌های تمیز در آن‌ها استفاده شود. این مبدل‌ها در نیروگاه‌های معمولی و هسته‌ای و توربین‌های گازی و صنایع شیمیایی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مبدل‌های لوله‌ای پره‎دار دارای لوله‌هایی با سطح مقطع گرد یا بیضی شکل هستند و در سطح بیرونی آن‌ها پره‌ها قرارگرفته‌اند. از این مبدل‌ها در سیستم تهویه، تبرید، گرمایش و… استفاده می‌شود. همچنین در این مبدل‌ها پره‌ها به صورت عمودی یا مارپیچ و یا طولی نسبت به محور لوله‌ها قرار دارند.

مبدل حرارتی چیست و چه کاربردی دارد؟

مبدل حرارتی باعث انتقال گرما بین دو یا چند سیال می‌شود. در حقیقت مبدل حرارتی، حرارت را بین سیال سرد و گرم انتقال می دهد. که ممکن است این حالت بین دو فاز (مایع-مایع) یا (گاز-مایع) و یا (گاز-گاز) صورت بگیرد. مبدل های حرارتی در صنعت کاربردهای بسیار زیادی دارند. این مبدل ها در پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها، صنایع داروسازی، صنایع غذایی، صنایع فرآیندی، صنایع شیمیایی، سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع، گرمایش و… مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین در دستگاه‌های دیگ بخار، کندانسور، تبخیرکننده‌ها و خنک‌کننده‌ها، رادیاتور و دستگاه‌هایی که باعث تغییر دما می‌شوند معمولاً از مبدل‌های حرارتی استفاده می‌کنند. مبدل‌های حرارتی دارای انواع مختلفی هستند که در ادامه به توضیح آن‌ها می‌پردازیم.

انواع مبدل حرارتی و کاربرد آن‌ها

مبدل حرارتی های به  چهار گروه تقسیم بندی می شوند.

اگر بررسی مبدل حرارتی براساس سطح تماس سیال گرم و سرد باشد، به سه دسته تقسیم می شود:


در مبدل حرارتی نوع  Regenerative قسمت هایی از سطح تماس سیال به صورت متناوب در مجاورت جریان سیال گرم و سرد که ثابت نیست قرار می‌گیرد. از این نوع مبدل در پروژه‌های تحقیقاتی و آزمایشگاهی استفاده می‌شود.


در مبدل حرارتی نوع Recuperative به کمک یک سطح جامد و ثابت، سیال گرم و سرد از یکدیگر جدا شده و انتقال دما از طریق سطح جامد انجام می‌شود. در صنعت اکثراً از این نوع مبدل حرارتی استفاده می‌شود.


در این نوع مبدل حرارتی هیچ سطحی تماس مستقیم برای جدا کردن سیال گرم و سرد وجود ندارد و سیال گرم و سرد مستقیماً با هم در ارتباط هستند. در این حالت باید از سیال‌هایی که در هم قابل انحلال و اختلاط نیستند و یا از دو فاز مختلف مثل (گاز- مایع) استفاده شود. این نوع مبدل‌ها در کولرهای آبی و گرم‌کن‌های نیروگاه‌های بخار کاربرد دارند.


اگر تقسیم بندی مبدل حرارتی بر مبنای جریان سیال گرم و سرد باشد به سه دسته تقسیم می شود:


مبدل حرارتی با جریان همسو: در این نوع مبدل‌ها دو سیال سرد و گرم از یک سمت مبدل وارد شده و به موازات یکدیگر از سمت دیگر مبدل خارج می‌شوند. در این حالت دمای سیال سرد هنگام خروج با دمای سیال گرم یکسان نیست. برای یکسان شدن دمای دو سیال باید سطح انتقال حرارت بسیار بزرگ باشد.


مبدل حرارتی ناهمسو: در این نوع مبدل‌ها سیال سرد از یک سمت مبدل و سیال گرم از سمت دیگر وارد شده و دو سیال گرم و سرد به موازات هم اما خلاف جهت یکدیگر جریان دارند. در این حالت دمای سیال سرد ممکن است نسبت به سیال گرم افزایش داشته باشد. سطح انتقال حرارت در مبدل حرارتی ناهمسو کمتر از مبدل حرارتی همسو است.


مبدل حرارتی عمود بر هم: در این نوع مبدل همانطور که از نامش پیدا است، سیال گرم و سرد به صورت عمود بر یکدیگر قرار می‌گیرند. مانند: رادیاتور خودرو. جریان عمود بر هم خود بر دو نوع مخلوط و غیر مخلوط است. سیال داخل لوله و سیال خارجی با لوله پره دار غیر مخلوط است چون نمی‌تواند در جهت عمودی حرکت کند بسیار خارجی با لوله بدون پره مخلوط است.


تقسیم بندی مبدل حرارتی بر اساس عملکرد انتقال گرما در سه گروه زیر جای خواهد گرفت:


انتقال یک باز در یک سمت، انتقال دو فاز در سمت دیگر


انتقال دو فاز در دو سمت


چنانچه تقسیم بندی مبدل حرارتی بر اساس ساختار و ساختمان مبدل باشد، سه گروه مبدل حرارتی لوله‌ای، صفحه‌ای و سطح پره‌دار قرار می‌گیرد که در ادامه مطلب هرکدام را توضیح خواهیم داد.

مبدل حرارتی لوله‌ای

این مبدل‌ها به صورت لوله‌هایی با سطح مقطع دایره‌ای هستند و یک سیال در داخل و سیال دیگر در خارج لوله در جریان است. مبدل حرارتی لوله‌ای شامل سه گروه زیر است: