مبدل حرارتی

مبدل ها وسایلی هستند که در صنعت برای انتقال حرارت بین دو سیال به کار می روند. در ابتدا سعی می شود تا آنجا که ممکن است برای گرم کردن و سرد کردن جریان ها از خود سیال های موجود در فرآیند استفاده شود. بعد از حداکثر کردن میزان بازیافت حرارت در شبکه مبدل حرارتی بارهای گرمایشی و سرمایشی که از طریق بازیافت حرارت تامین نشده اند باید توسط سرویس های جانبی تهیه شوند. مکانیزم انتقال حرارت بصورت جابجایی و هدایت می باشد.

انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی به نام مبدل حرارتی(Heat exchanger) صورت ‏ میگیرد.

در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال برقرار شود. معمولاً مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود. مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق، پالایشگاه ها، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز، سرمایش ساختمان ها و غیره به صورت گسترده به کار می روند.
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار، مولد بخار، کندانسور، اواپراتور، تبخیر کننده ها، برج خنک کن، پیش گرمکن فن کویل، خنک کن و گرمکن روغن، رادیاتورها، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارند.
تاثیر همزمان عواملی چون انتقال گرما و تحلیل افت فشار، برآورد ابعاد و کارایی و جنبه های اقتصادی، طراحی مبدل های حرارتی را تا اندازه ای پیچیده می‌کند.

هر کدام از مبدل های حرارتی فوق، خود به انواع ذیل تقسیم بندی می شوند:

مبدل حرارتی با جریان همسو (co-current): دو  سیال از  یک طرف مبدل وارد شده و هر دو از طرف دیگر خارج میشوند. بعضی از مبدل ها  هر دو در یک سو حرکت می‌کنند.

مبدل حرارتی با جریان ناهمسو (counter-current) : هر کدام از سیال ها از جهات مخالف وارد و خارج میشوند( یکی از سیالها از یک جهت و سیال دیگر از جهت دیگر وارد می شود) ودو سیال در مبدل به‌صورت ناهمسو جریان دارد .

مبدل حرارتی با جریان متقاطع (cross-flow): یکی از  سیال ها از یک جهت و سیال دیگر در جهت عمود بر آن جریان دارد. مشخص ترین نمونه آن رادیاتور ماشین که جریان آب از بالا به پایین در لوله ها و جریان هوا عمود بر آن می باشد.

مبدل حرارتی باجریان چند گذر (multi pass): که در آنها جریان های دو سیال  به صورت چند تایی در مبدل چیده شده اند.

تقسیم بندی مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی را می توان از جهات گوناگون تقسیم بندی کرد. ابتدا عناوین این تقسیم بندی ذکر می گردد و سپس در مورد هرکدام توضیحاتی ارائه می شود.
تقسیم بندی بر اساس خصوصیات سیال هایی که در مبدل ها جریان دارد.این تقسیم بندی بر اساس سیال فرآیندی مبدل شکل گرفته است. البته تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت گازها و مایعات در تعیین شکل مبدل نقش موثری دارد.

مایع/ مایع
در این نوع مبدل های حرارتی که هر دو سیال مایع هستند و مکانیسم انتقال حرارت برای هر دو، انتقال حرارت اجباری است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

گاز/ مایع
در این مبدل ها یک سیال مایع سیال دیگر گاز است. معمولاً برای خنک نمودن سیال گرم توسط هوا استفاده می‌شود. جریان مایع با سرعت کافی داخل لوله پمپ می شود که این موجب بالا بودن ضریب انتقال حرارت طرف لوله ها می شود. هوا به صورت متقاطع بر روی لوله ها جریان می یابد. جریان هوا می تواند به سرعت جابجایی اجباری یا آزاد باشد.

گاز/ گاز
معمولاً کمتر اتفاق می افتد که در مبدل ها هر دو سیال گاز باشند مگر اینکه یکی از گازها در فشار بالا باشد گاز فشار بالا که دانسیته آن بیشتر است در داخل لوله ها جریان می یابد. البته ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی کوچک است و برای انتقال حرارت مناسب باید تدابیری اندیشیده شود.

کندانسورها
در این مبدل های حرارتی جریان بخار یک سیال توسط مایع(آب) و یا در جریان گاز ( هوا) خنک و کندانس می شود .گاهی اوقات بخار خارج لوله است مثل کندانسورهای نیروگاه‌های حرارتی و گاهی اوقات بخار داخل لوله مثل کندانسورهای فرئون.

تاریخچه مبدل حرارتی:
مبدل حرارتی اساساً با توجه به سادگی و با توجه به نیازهای صنایع غذایی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشر های مورد استفاده در این نوع مبدل ها کارآمد تر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد. بدلیل تنوع بسیار زیاد محدوده‌های طراحی مبدل ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکت های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمی‌کنند .