مبدلهای حرارتی دستگاههایی هستند که برای انتقال گرما بین دو یا چند مایعات (یعنی مایعات ، بخارها یا گازها) با دماهای مختلف طراحی شده اند. بسته به نوع مبدل حرارتی مورد استفاده ، فرایند انتقال حرارت می تواند از گاز به گاز ، مایع به گاز یا مایع به مایع باشد.و از طریق جداکننده جامد رخ می دهد ، که از مخلوط کردن مایعات یا تماس مستقیم مایعات جلوگیری می کند. سایر مشخصات طراحی از جمله مصالح ساختمانی و اجزای سازنده ، مکانیسم های انتقال حرارت و تنظیمات جریان نیز به طبقه بندی و طبقه بندی انواع مبدل حرارتی موجود کمک می کند. با استفاده از صنایع مختلف ، مجموعه متنوعی از این وسایل تبادل گرما برای استفاده در هر دو روش گرمایش و سرمایش طراحی و ساخته می شوند.

بهترین مواد برای ساخت مبدل حرارتی کدامند؟

ممکن است فکر کنید مبدل حرارتی همیشه باید از فلزات ساخته شوند ، که گرما به سرعت جذب و هدایت می شوند - و بسیاری از آنها. اما مبدل های حرارتی همچنین می توانند از سرامیک ، کامپوزیت (بر اساس فلز یا سرامیک) و حتی پلاستیک (پلیمر) ساخته شوند.

تمام این مواد مزایای خود را دارند. سرامیک برای نوع کاربردهای درجه حرارت بالا (بیش از 1000 درجه سانتیگراد یا 2000 درجه فارنهایت) که می تواند فلزات مانند مس ، آهن و فولاد را ذوب کند انتخابی مناسب است.، اگرچه آنها همچنین برای استفاده در مایعات خورنده و ساینده در دماهای بالا یا پایین محبوب هستند. پلاستیک ها به طور کلی وزن و هزینه کمتری نسبت به فلزات دارند ، در برابر خوردگی و رسوب مقاومت می کنند و می توانند برای داشتن هدایت حرارتی خوبی طراحی شوند ، گرچه تمایل دارند از نظر مکانیکی ضعیف باشند و با گذشت زمان ممکن است تخریب شوند. اگرچه به طور کلی برای برنامه های با درجه حرارت بالا مناسب نیست ، اما مبدل های پلاستیکی می توانند برای چیزی مانند استخر یا دوش ، که در هر روز و دمای اتاق کار می کند ، گزینه مناسبی باشند. مبدل های حرارتی کامپوزیت بهترین ویژگی های مواد اولیه والدین خود را ترکیب می کنند - به عنوان مثال ، هدایت حرارتی بالای فلز با کاهش وزن و مقاومت در برابر خوردگی بهتر یک پلاستیک.

در آینده ، به وضوح ممکن است که بتوانیم از مواد جالب تر در غرق کننده های گرما استفاده کنیم. به عنوان مثال ، نانولوله های کربنی (ورق های شش ضلعی نازک کربن که برای ساختن "لوله" پیچیده شده اند) دارای خاصیت رسانایی گرما هستند و در حال حاضر در غرق کننده های گرما (دستگاه های حذف گرما که عمدتا در الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند) استفاده می شوند. در حال حاضر تحقیقات زیادی انجام شده است تا ببینیم چگونه می توان آنها را در مبدل های حرارتی مستقر کرد.

انتخاب مبدل حرارتی

در حالی که تعداد زیادی از مبدل های حرارتی در دسترس هستند ، مناسب بودن هر نوع (و طراحی آن) در انتقال گرما بین مایعات بستگی به مشخصات و الزامات کاربرد دارد. این عوامل تا حد زیادی طراحی بهینه مبدل حرارتی مورد نظر را تعیین می کنند و بر رتبه و محاسبات اندازه مربوطه تأثیر می گذارند.

برخی از عواملی که متخصصان صنعت هنگام طراحی و انتخاب مبدل حرارتی باید در نظر داشته باشند عبارتند از:

• نوع مایعات ، جریان سیال و خواص آنها
• خروجی های حرارتی مورد نظر
• محدودیت اندازه
• هزینه ها

مبحث مبدل های حرارتی بسیار گسترده بوده ما در این مقاله به بخش مهمی از آن پرداختیم.

این مقاله از بخش مبدل حرارتی سایت پایا دما گردآوری شده است.

مبدل حرارتی یک سیستم فشار غیر مستقیم است که در آن دو محیط از کنار یکدیگر عبور می کنند و تا آنجا که ممکن است با یک دیواره نازک از هم جدا شده اند ، بنابراین اگر اختلاف دما وجود داشته باشد ، بدون مخلوط شدن فرآیند ، به طور متقابل تبادل گرما می کنند.

یک محیط از طریق محفظه پوسته و محیط دوم از طریق محفظه لوله عبور می کند. جریان از طریق محفظه پوسته توسط بافل کنترل می شود و اجازه می دهد تا حد امکان جریان عرضی به لوله ها برسد. شکل و فاصله بافل ها با برنامه سازگار است.

بسته به مصلحت ، سرعت و افت فشار ، جریان از طریق محفظه لوله توسط یک گذر یا چند پاس انجام می شود.

به استثنای تلفات تابشی ، مقدار گرمای ورودی همان مقدار گرمای خروجی است.

با این وجود، تبادل گرمای کارآمد تنها در صورت وجود اختلاف دما کافی امکان پذیر است. هرچه اختلاف دما بیشتر باشد ، سطح انتقال حرارت مورد نیاز نیز کوچکتر است. این امر باعث می شود طراحی دستگاه جمع و جور امکان پذیر باشد.

به زبان ساده مبدل حرارتی وسیله ای است که گرما را از یک رسانه به دیگری منتقل می کند.
 یک کولر روغن هیدرولیک یا نمونه آن گرما را از روغن داغ با استفاده از آب سرد یا هوا حذف می کند. روش دیگر مبدل حرارتی در استخر شنا برای گرم کردن آب استخر از آب گرم از دیگ بخار یا مدار آب گرم خورشیدی استفاده می کند. انتقال گرما توسط مواد تبادل کننده در حال حرکت بی آنکه اختلاط یا تماس مستقیمی بین آنها صورت گیرد انجام می شود.
مبدل حرارتی پوسته و لوله ، مایعات را از طریق لوله و لوله عبور می کند ، جایی که به عنوان مبدل حرارتی با هوا خنک می شود و هوا را از طریق هسته باله ها خنک می کند تا یک مایع خنک شود.

شما می توانید مبدلهای حرارتی را در انواع مکان ها مشاهده کنید ، معمولاً برای گرم کردن یا خنک کردن ساختمانها یا کمک به موتورها و ماشینها برای کارآمدتر کار کردن. یخچال و فریزر و دستگاه های تهویه مطبوع ، برای مثال، مبدل های استفاده از حرارت در راه مخالف از سیستم های حرارت مرکزی: آنها گرما را از یک محفظه و یا اتاق که در آن می خواست نه و پمپ آن دور در یک سیال به یک جای دیگر که در آن می توان آن را ریخته بیرون از راه مایع خنک کننده کاملاً درون شبکه ای از لوله ها بسته می شود ، بنابراین در واقع با هوا تماس نمی گیرد: انرژی گرما را از هوای داخل می گیرد و آن را در هوای بیرون رها می کند ، اما هرگز مستقیماً با آن هوا مخلوط نمی شود.

انواع مبدل حرارتی

مبدل حرارتی انواع مختلفی وجود دارد که با توجه به کاربرد آنها تقسیم بندی می شوند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله یا Shell و Tube

مبدل های حرارتی پوسته و لوله از تعداد زیادی لوله کوچک تشکیل شده است که درون یک پوسته استوانه ای قرار گرفته اند. لوله ها با استفاده از بسته نرم افزاری لوله یا "پشته لوله" درون سیلندر قرار می گیرند که می تواند دارای صفحات لوله ثابت (به طور دائم بر روی بدنه ثابت باشد) باشد ، یا در مورد Heat Exchange یک پشته لوله شناور که امکان گسترش بسته های لوله را دارد.
مبدل حرارتی پوسته و لوله ، مایعات را از طریق لوله و لوله عبور می کند ، جایی که به عنوان مبدل حرارتی با هوا خنک می شود و هوا را از طریق هسته باله ها خنک می کند تا یک مایع خنک شود.

مبدل حرارتی صفحه

مبدلهای حرارتی Plate همانند مبدلهای حرارتی یک پوسته و لوله کار می کنند و به جای لوله ها از یک سری صفحات پشته استفاده می کنند. مبدلهای حرارتی بشقاب معمولاً بسته به کاربرد و مایعات مورد استفاده ، باریک یا واشر هستند. ساخت و ساز فولاد ضد زنگ جمع و جور آنها را به یک انتخاب ایده آل برای استفاده با مبرد یا در فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی تبدیل کرده است.

مبدل حرارتی خنک کننده هوا

در انواع مبدلهای حرارتی خنک کننده هوا  لوله‎های عبوری سیالات وسط فین ‎های انتقال حرارت احاطه ‎شده‎اند که  معمولاً در رادیاتور ماشین، رادیاتور فن کویل‎ ها، کندان سور یخچال ‌‏ها و کویل‎ های حرارتی که منبع آب دائمی در دسترس نیست استفاده می شود. 

دمای ورودی و خروجی

عبور درجه حرارت اصطلاحی است که برای توصیف سناریو استفاده می شود که دمای هر دو مدار در مبدل حرارتی مایع سرد شده شروع به عبور از آن می کند. این می تواند یک عامل مهم در طراحی مبدل های حرارتی باشد زیرا با عبور درجه حرارت، بازده یک کولر به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. در بسیاری موارد مبدل حرارتی صفحه بهترین گزینه برای برنامه هایی است که نمی توان از عبور درجه حرارت جلوگیری کرد.

جدول فوق نشان می دهد که دمای خروجی آب خنک کننده کمی بالاتر از دمای خروجی روغن است. یکی از راه های ساده برای مقابله با این و افزایش راندمان کولر روغن ، افزایش سرعت جریان مایع خنک کننده است. در این مثال خاص افزایش سرعت جریان آب به 25 لیتر در دقیقه باعث می شود دمای خروجی آب به 43 درجه سانتیگراد کاهش یابد.

مبدل حرارتی پوسته و لوله(به انگلیسی: Shell and tube heat exchanger) نوعی مبدل حرارتی است که کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحدهای تقطیر نفت خام دارد.

همان‌طور که از نام آن پیداست این مبدل از یک مخزن استوانه‌ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. مایع در داخل لوله‌ها حرکت کرده و بخار داغ بر روی لوله‌ها و درون پوسته جریان پیدا می کند.

تعداد زیاد این لوله‌ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می‌کند، موجب انتقال حرارت بخار به مایع داخل لوله شده و مایع را به جوش می‌آورد.

انواع مبدل‌ها

مبدل‌های حرارتی بر اساس شکل، کابرد، محل نصب و بسیاری پارامترهای دیگر طراحی می‌شوند. در نتیجه می‌توان آن‌ها را بر اساس این ویژگی‌ها در دسته‌بندی‌های مختلف قرار داد. در نمودارهای زیر دسته‌بندی انواع مبدل‌ها بر اساس آرایش جریان در داخل مبدل و ساختار کلی مبدل و جایگاه مبدل پوسته و لوله در هر دسته‌بندی قابل مشاهده است:

بر اساس ساختار

• Tubular 

1. پوسته و لوله
2. double-pipe
3. spiral tube
4. pipecoils

• plate type

1. plate
2. spiral
3. lamella
4. platecoils

• extended-surface

1. plate-fin
2. tube-fin    

• regenerative

1. rotary
2. fixed-matrix

در مبدل های پوسته و لوله، تعداد یک یا دسته ای از لوله های فلزی (تیوب) در داخل یک لوله ی بزرگتر (شل یا پوسته)قرار می گیرند، تیوب ها یا از یک طرف پوسته و یا از دو سر آن توسط صفحه ای گرد و حفره دار جمع آوری می شوند که این صفحه در حقیقت عمل هدر یا جمع آوری سیال داخل تیوب ها را انجام میدهد که به آن تیوپ شیت نیز گفته میشود.

اگر شکل تیوب بصورت U باشد هر دو سر تیوب ها در یک طرف پوسته قرار گرفته و از یک صفحه ی جمع کننده استفاده میشود و اگر مستقیم باشد از یک طرف پوسته ورودی و از انتهای آن خروجی در نظر گرفته می شود.

پوسته مبدل حرارتی در واقع لوله ای است با طول مشخص که تیوب ها در آنجا داده می شود و خود نیز داری ورودی و خروجی بوده که معمولاً به صورت عرضی روی آن قرار دارد. بدین ترتیب دو سیال قرار گرفته در داخل مجموعه اختلاطی با هم ندارند و صرفا از طریق دیواره تیوب های فلزی (مس، آلومینیوم، استیل، تیتانیوم و …) تبادل حرارت میکنند.

مبدل پوسته لوله به شکل های گوناگون در صنعت تولید می شود که کلی ترین آنها در 3 شکل U تیوب، تیوب مستقیم و اسپیرال قرار می گیرد.

مبدل حرارتی مدل اسپیرال این تفاوت را دارد که تیوب های آن در داخل پوسته به شکل مارپیچی دور هم پیچیده شده و بدین ترتیب سطح تماس بیشتر و راندمان بالاتری نسبت به حالت معمول دارند.

منبع : مبدل حرارتی پوسته و لوله از سایت ویکی پدیا