مبدل حرارتی صفحه ای، مبدل حرارتی پوسته و لوله

همانطور که از نام مبدل حرارتی (heat exchanger) مشخص است، مبدل های حرارتی وظیفه تبادل حرارت بین دو سیال را به عهده دارند. سیالات تبادل کننده حرارت می توانند آب، گاز، روغن، هوا و …باشند.
انواع مرسوم مبدل های حرارتی ، مبدل های حرارتی پوسته – لوله ای و مبدل های حرارتی صفحه ای هستند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای بر حسب تعداد پاس های لوله خود دارای انواع مختلفی می باشند و ساده ترین آنها، دارای یک پاس پوسته و یک پاس لوله است که در شکل زیر نشان داده شده است. در این مبدل ها معمولا لبه هایی نصب می شوند تا با ایجاد تلاطم و ایجاد مؤلفه سرعت عرضی در جریان، ضریب جا به جایی سیال درون پوسته افزایش یابد که به این لبه ها یا دیوارک ها بافل (Baffle) می گویند. مبدل های حرارتی دیوارک دار (Baffle) معمولا با یک پاس پوسته و دو پاس لوله و یا با دو پاس پوسته و چهار پاس لوله تولید می شوند.

انواع مبدل های حرارتی در تاسیسات حرارت مرکزی و تهویه مطبوع

مبدل حرارتی پوسته و لوله ( shell & tube heat exchangers )

مبدل حرارتی صفحه ای ( Plate heat Exchanger)

مبدل حرارتی هوا خنک یا پره ای (Fin Heat Exchanger)

مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell & tube heat exchanger)

این مبدل ها کاربرد وسیعی در صنعت تاسیسات و تهویه مطبوع و استخر و حتی صنایع شیمیایی دارند. همان طور که از نام آن پیداست مبدل پوسته و لوله از یک مخزن استوانه‌ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. مایع در داخل لوله‌ها حرکت می‌کند و آبگرم، آب سرد یا بخار بر روی لوله‌ها و درون پوسته جریان دارد. به علت تعداد زیاد این لوله‌ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می‌کند، حرارت به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را گرم یا سرد می کند.
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای بافل (صفحات هدایت کننده جریان)، جریان سیال سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود.

لوله ها وظیفه تبادل حرارت را در مبدل حرارتی پوسته و لوله به عهده دارند، به گونه ای که در دو طرف جداره لوله در تماس با سیالات با دماهای متفاوت قرار دارند. در واقع لوله ها که سایز آن ها با هم متفاوت است، در مبدل پوسته و لوله نقش جدا کننده را بر عهده دارند. لوله ها معمولاً از جنس مس می باشند، البته بنا به کاربرد می توانند از فولاد ضد زنگ (استیل)، نیکل، آلومینیوم، برنج و تیتانیوم نیز باشند. اما با توجه به ضریب انتقال حرارت سیال درون یا بیرون لوله در هر سمت که این ضریب کم‌ تر باشد، می توان از لوله های پره دار از داخل یا پره دار از خارج استفاده نمود که به طبع هزینه ساخت آن بالاتر است.

پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله به همراه تیوپ شیت ها وظیفه نگهدارنده لوله‌ها و اتصال ورودی و خروجی ها را بر عهده دارد. البته عمل انتقال حرارت نیز داخل پوسته انجام می‌گیرد که ضخامت پوسته به فشار کار و قطر پوسته بستگی دارد.

در ساخت پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله معمولاً از فولاد یا فولاد ضد زنگ استفاده می‌گردد. چرا که باید انتقال حرارت آن در پایین ترین حد و تحمل فشار آن در بالا ترین حد ممکن باشد، روی پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله باید مسیر ورود و خروج آب – قلاب ‌آویز- اتصال تخلیه – محل نصب شیر اطمینان سنسور و… در نظر گرفته شود.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای آرایش های مختلف از نظر جریان سیال در سمت پوسته و سمت لوله می باشند و براساس سطح انتقال حرارت، فشار کار، افت فشارکویل، شیوه های ساخت ، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری، مورد انتخاب و استفاده قرار می گیرند. بافل ها در مبدل های پوسته و لوله برای افزایش ضریب انتقال گرما در سمت پوسته و همچنین برای مستقر نگه داشتن بهتر لوله ها استفاده می گردند.

 

نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله

عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger) اینگونه است که یک سیال درون لوله هایی که به صورت دسته ای کنار هم قرار گرفته اند جریان می یابد و در عین حال، سیال دیگر با دمای متفاوت بین پوسته و روی جداره بیرونی لوله ها جریان می یابد؛ عبور دو سیال با دماهای متفاوت از مبدل حرارتی پوسته و لوله در مجاورت یکدیگر و بدون تماس مستقیم صورت می گیرد که این امر موجب تبادل حرارت میان دو سیال می شود.
این انتقال حرارت از طریق جداره لوله‌ها صورت می‌گیرد. به منظور افزایش ضریب انتقال حرارت نیز، موانعی به نام بافل درون پوسته تعبیه گردیده که با مانع شدن از عبور سریع سیال درون پوسته موجب راندمان بهتر مبدل حرارتی پوسته و لوله می گردد.
طرفین مبدل حرارتی پوسته و لوله دارای دو اتصال است؛ اتصال لوله های مربوطه باید بگونه ای باشد که ورود یک سیال و خارج شدن سیال دیگر در یک سمت مبدل حرارتی صورت گیرد. تیوب شیت‌ها نیز در سروته لوله‌ها واقع شده و علاوه بر نگه‌داشتن لوله‌ها، به تفکیک مطمئن دو سیال از یکدیگر کمک می‌کنند تا هیچ تماس مستقیمی بین آنها نباشد.
این نوع مبدل حرارتی دارای ویژگی‌هایی مثل تحمل فشار و دمای بالا و طراحی ساده است که باعث کاربرد گسترده آن در صنایع مختلف شده است. به‌عبارت‌دیگر، مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل ساختار مطلوب و عملکرد مؤثر، به یکی از پرکاربردترین مبدل‌های حرارتی تبدیل شده و در بسیاری از صنایع از جمله نفت و گاز، پتروشیمی، سیستم‌های تبرید و خصوصا جهت تأمین آبگرم مورد نیاز استخرهای خصوصی و عمومی استفاده می‌شود.

مزایای مبدل های پوسته و لوله در صنعت تاسیسات

در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.

قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.

به راحتی تمیز می شوند.

مبدل حرارتی صفحه ای و انواع آن

مبدل حرارتی صفحه ای که بیش از صد سال است در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد، از نظر ساختار عمدتا شامل دو مدل واشری (Gasket) و جوشی (bruzzed) می باشد.

مبدل صفحه ای به دلیل دارا بودن ضریب کلی انتقال حرارت بسیار بالا، ابعاد بسیار کوچکتر و راندمان بالاتر نسبت به مبدل های حرارتی رایج پوسته و لوله مزیت دارند، به خصوص در صورت نصب سختی گیر در مسیر آب سرد ورودی آنها می توانند به صورت لحظه ای آب گرم مصرفی مورد نیاز را بدون نیاز به ذخیره سازی (مانند منابع کویلی و دو جداره)، به صورت کاملا بهداشتی به مصرف کننده عرضه نمایند.

مبدل های حرارتی صفحه ای واشری عمدتا در صنایعی مانند صنعت تاسیسات و تهویه مطبوع، صنایع غذایی، صنایع پتروشیمی، خط رنگ صنایع خودروسازی، صنایع نفت و… مورد استفاده قرار می گیرند، که به دلیل دارا بودن هزینه فریم نسبت به مبدل های حرارتی جوشی، حتی در سایز و ظرفیت مشابه دارای قیمت های بالاتری می باشند. البته مزیت مبدل های حرارتی صفحه ای واشری (Gasket) نسبت به جوشی قابلیت افزایش ظرفیت، تعمیر و سرویس و شستشوی راحت رسوبات در آنها می باشد.

مبدل حرارتی صفحه ای جوشی همراه با سختی گیر آب عمدتا برای تامین آب گرم مصرفی در ساختمان ها، گرمایش آب استخرها، سیستم های گرمایش از کف، خنک کاری روغن، به عنوان اواپراتور و کندانسور در چیلر و … مورد استفاده قرار می گیرند، که به جز مورد آبگرم مصرفی باید در بقیه موارد بصورت موردی دقیقا محاسبه گردد.

نحوه عملکرد مبدل حرارتی صفحه‌ای

طرز کار مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger) به این صورت است که تعدادی صفحه نازک (پلیت‌ها) پشت‌سرهم قرار داده می‌شوند که بین آنها لوله های جریان سیال سرد و گرم به صورت یکی در میان به صفحات متصل می شوند. در فضای خالی بین پلیت‌ها، سیال گرم و سیال سرد به‌صورت متناوب جریان دارند. این ساختار باعث بالا رفتن راندمان و تبادل حرارت مناسب دو سیال به واسطه انتقال حرارت بین جداره پلیت ها می گردد.

مبدل صفحه‌ای نسبت به مبدل‌های دیگر از نظر تحمل دما و فشار محدودتر است، اما به دلیل سطح انتقال حرارت بالا و ابعاد کوچک‌تر، در مکان‌هایی با محدودیت فضا یا در مواردی که نیاز به انتقال حرارت سریع داریم، بسیار مورداستفاده قرار می‌گیرد.
در کل، مبدل حرارتی صفحه‌ای با ساختار پلیت‌ها و جریان متناوب سیالات، عملکرد سریعتری در انتقال حرارت دارد و به دلیل کاربردهای گسترده‌ای که دارد، در صنایع مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد. اما ناگفته نماند که پیش نیاز ضروری استفاده از مبدل گرمایی و خصوصا مبدل صفحه ای، نصب و بهره برداری از سختی گیرهای مناسب جهت جلوگیری از رسوب گذاری و افت راندمان حرارتی در سطوح و جداره های انتقال حرارت در مبدل های حرارتی است.

 مبدل حرارتی هوا خنک یا پره ای

نوع مبدل های حرارتی پره دار عمدتا برای کاربرد های “گازـ گاز” یا ” مایع ـ گاز” استفاده می شود که به صورت وسیعی در صنایع مختلف از جمله در تبرید حتی با دمای خیلی کم مانند کندانسور و اواپراتور سیستم های تهویه مطبوع، کولر های گازی و اسپلیت، سردخانه، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، تبرید و دیگر سیستم های تهویه مطبوع مانند کویل آب سرد کاربرد وسیعی دارند.

این مبدلها همچنین جهت تبادل حرارت در کویل آبگرم هواسازها، فن کویل، کویل آب گرم یونیت هیترها  و … استفاده می گردند. مبدل های صفحه ای پره دار برای استفاده در توربین گازی، نیروگاه های هسته ای و مهندسی پیشرانه و تبرید و گرمایش و تهویه سیستم های بازیابی گرمای اضافه و صنایع شیمیایی و سرمایش کاربرد دارند.

هنگام طراحی و محاسبه سطوح انتقال حرارت و حجم و جریان سیالات گازی یا هوای عبوری از میان صفحات مبدل‌های حرارتی باید به موضوع مهم و تعیین کننده شرایط آب و هوایی و اقلیمی منطقه نیز توجه کرد. بعنوان مثال؛ محاسبات و کاربری مبدل‌های حرارتی هوا خنک در شرایط اقلیمی گرم و معتدل مانند شهرهای تهران، مشهد، اصفهان، شیراز، کرج،… با محاسبات و کاربری همین تجهیزات در شرایط اقلیمی گرم و شرجی مانند شهرهای اهواز، بندرعباس، بوشهر، چابهار… کاملاً متفاوت است.

با توجه به خاصیت رسوب گذاری آب در کلیه فرآیندهای تبادل حرارت که منجر به انباشت رسوب (املاح کلسیم و منیزیم و روی) روی سطوح تبادل حرارتی انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله و خصوصاً مبدل های حرارتی صفحه ای می گردد و تاثیر منفی این رسوبات در کاهش شدید تبادل حرارت، لازم است جهت حفظ کارایی انواع مبدل حرارتی، در مسیر آب ورودی آنها حتما از سختی گیر یا رسوب زدا استفاده نمائیم.

نحوه عملکرد مبدل حرارتی هوا خنک

مبدل حرارتی هوا خنک، مانند رادیاتور اتومبیل و یا کندانسور در کولرهای گازی اسپلیت یا چیلرهای هواخنک برای خنک‌کردن یک سیال (مانند آب یا حتی گاز) از جریان هوا بهره می گیرد. طرز کار این نوع مبدل به شرح زیر است:
درون مبدل حرارتی، سیال گرم (معمولاً آب یا گاز گرم) ازیک‌طرف وارد می‌شود. این سیال حاوی گرمایی است که باید از آن جدا شود.
لوله‌هایی که توسط فین ها احاطه شده اند در مبدل حرارتی وجود دارند. این فین‌ها سطح انتقال حرارت را افزایش داده و موجب بالاتر رفتن راندمان انتقال حرارت می شود. هوا با سرعت زیاد از اطراف لوله‌ها و فین‌ها عبور کرده و این جریان هوا به‌عنوان وسیله‌ای برای جذب گرمای سیال گرم و خنک‌کردن آن عمل می‌کند. هنگامی که هوا از لوله‌ها و فین‌ها عبور می‌کند، گرمای سیال گرم به هوا منتقل می‌شود. انتقال حرارت از سیال به هوای عبوری از روی کویل با استفاده از سطح افزوده شده فین‌ها به شکل بهتری صورت می‌گیرد.
همانطور که اشاره گردید به کمک فین‌ها سطح انتقال حرارت در مبدل گرمایی هوا خنک بسیار افزایش یافته و این امر به خنک‌کردن بهتر سیال گرم کمک می‌کند. این نوع مبدل حرارتی به‌عنوان یک جزء اساسی در خنک‌کردن موتورها و سیستم‌های تهویه مطبوع و همچنین در اتومبیل‌ها و بسیاری از دستگاه‌ها و صنایع دیگر مورد استفاده قرار می گیرد.
پس از انتقال گرما به هوای عبوری، سیال گرم خنک شده و از طرف دیگر مبدل حرارتی خارج می‌شود. برای خنک‌کردن سیستم‌های مختلف مورداستفاده قرارمی گیرد، به‌عنوان‌مثال، در موتورهای اتومبیل برای خنک‌کردن آب موتور.