بهترین مواد برای ساخت مبدل حرارتی

مبدل حرارتی چیست؟

فرض کنید شما یک کوره گرمایش مرکزی گاز (دیگ بخار) دارید که رادیاتورهای آب گرم را در اتاق های مختلف خانه شما گرم می کند. این کار با سوزاندن گاز طبیعی ، ایجاد یک خط یا شبکه از جت های گاز داغ که به سمت بالا جریان می یابند بر روی آب جریان یافته از طریق شبکه ای از لوله ها است. با پمپاژ آب از طریق لوله ها ، انرژی گرما را جذب کرده و گرم می شود. منظور از این چیدمان ، مبدل گرمایی است: جت های گاز خنک می شوند و آب گرم می شود.

مبدل حرارتی وسیله ای است که اجازه می دهد گرمای مایع (مایع یا گاز) به مایع دوم (مایع یا گاز دیگری) منتقل شود بدون اینکه دو مایع مجبور شوند با هم مخلوط شوند یا در تماس مستقیم قرار بگیرند. اگر این کاملاً روشن نیست ، این را در نظر بگیرید. از نظر تئوری ، ما می توانیم گرما را از جت های گاز فقط با انداختن آب سرد روی آنها بگیریم ، اما سپس شعله های آتش خاموش می شود! اصل اساسی مبدل حرارتی این است که گرما را منتقل می کند بدون انتقال سیالی که گرما را حمل می کند.

پلاستیک ها مواد کاملاً مناسبی برای مبدل های حرارتی در دمای پایین هستند.

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

همه این مواد مزایای خود را دارند. سرامیک ها به ویژه برای انواع کاربردهای دمای بالا بیش از 1000 درجه سانتیگراد یا 2000 درجه فارنهایت که فلزاتی مانند مس ، آهن و فولاد را ذوب می کنند ، انتخاب خوبی هستند ، اگرچه برای استفاده با مایعات خورنده و ساینده در یا دمای بالا یا پایین. پلاستیک ها به طور کلی از فلزات وزن و هزینه کمتری دارند ، در برابر خوردگی و رسوب مقاومت می کنند و می توان آنها را مهندسی کرد تا هدایت حرارتی خوبی داشته باشند ، گرچه از نظر مکانیکی ضعیف هستند و ممکن است با گذشت زمان تخریب شوند. اگرچه به طور کلی برای کاربردهای با درجه حرارت بالا مناسب نیست ، مبدل های پلاستیکی می توانند گزینه خوبی برای مواردی مانند استخر یا دوش باشند که در دمای روزمره و محیط کار می کنند. مبدل های حرارتی کامپوزیت بهترین ویژگی های مواد اصلی آنها را ترکیب می کند - مثلاً رسانایی گرمایی بالای فلز با وزن کم و مقاومت در برابر خوردگی بهتر پلاستیک.

بیشتر بخوانید : اسیدشویی مبدل حرارتی

در آینده ، به وضوح امکان پذیر است که از مواد جالب تری نیز در غرق گرما استفاده کنیم. به عنوان مثال نانولوله های کربنی (ورق های نازک شش ضلعی کربن که برای ساخت "لوله ها" دور آن پیچیده شده اند) ، خاصیت هدایت حرارتی شگفت انگیزی دارند و در حال حاضر در غرق گرما ها (دستگاه های حذف گرما که عمدتا در الکترونیک استفاده می شوند) استفاده می شود. در حال حاضر تحقیقات زیادی در حال انجام است تا ببینیم چگونه می توان آنها را در مبدل های حرارتی مستقر کرد.

اگر هنوز در مورد مبدل حرارتی گیج هستید ، فکر کردن در مورد دو نمونه از دستگاههای روزمره و حرارتی که گرما را حمل می کنند اما مبدل های حرارتی نیستند ، مفید خواهد بود.

پنکه مخصوص استخراج آشپزخانه یا حمام (سمت چپ) برای مکش هوای گرم و مرطوب از خانه شما و بیرون ریختن آن طراحی شده است. از آنجا که یک مایعات (هوای گرم خانه شما) را می گیرد و آن را با سیال دیگر (هوای سرد بیرون) مخلوط می کند ، مبدل حرارتی نیست. این فقط یک گرماگیر است.

رادیاتور آب گرم (سمت راست) مشکل تر است. آب گرم از طریق دیگ بخار گرمایش مرکزی از طریق آن لوله می شود و مقداری از گرمای خود را به هوا در فضای اتاق می دهد و برای بیشتر به دیگ بخار برمی گردد. این نوعی مبدل حرارتی است زیرا گرمای یک مایع (آب داغ لوله) به مایعات دیگر (هوای سرد اتاق) بدون مخلوط شدن دو مایعات منتقل می شود. برخی از افراد می گویند این مبدل حرارتی نیست زیرا مایع دوم (هوای سرد) موجود نیست و از طریق مایع اول به طور سیستماتیک کانال یا پمپ نمی شود. سپس دوباره ، هرچه به آن نگاه کنید ، گرما در حال تبادل است!

به هر حال زیاد درگیر کلمات نشوید. فقط به این فکر کنید که انرژی گرمایی به کجا می رود ، رفتار مایعات چگونه است ، کدام مواد داغتر یا سردتر می شوند و چرا ، و مسائل را از آنجا کشف کنید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و مشاهده اطلاعات فنی ، تصاویر و قیمت مبدل حرارتی در معتبرترین برندها و انواع مدل ها به سایت بامین تهویه مراجعه فرمایید. همچنین می توانید از مشاوره رایگان با کارشناسان بامین تهویه بهره مند شوید.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و لوله یک سایت مشترک در سراسر دنیای مهندسی هستند و یکی از دو نوع رایج مبدل های حرارتی هستند. نوع متداول دیگر، مبدل حرارتی صفحه ای است.

مبدل حرارتی پوسته و لوله دارای طراحی ساده ، ویژگی های قدرتمند و هزینه های خرید و نگهداری نسبتاً کمی هستند. این مبدل ها که دارای سرعت انتقال حرارت بسیار بالایی هستند ، فضای بیشتری نسبت به مبدل حرارتی صفحه ای با ظرفیت تبادل حرارتی مشابه نیاز دارند.

اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله از مجموعه ای از لوله ها تشکیل شده است که درون یک ظرف استوانه ای معروف به "پوسته" قرار دارند. تمامی لوله های داخل پوسته در مجموع "بسته لوله" یا "لانه لوله" نامیده می شوند). هر لوله از میان مجموعه ای از سرپیچ ها و ورق های لوله عبور می کند (همچنین به عنوان "پشته های لوله ای" شناخته می شود). یکی از صفحات لوله ثابت است و دیگری آزادانه قابل حرکت است ، این موضوع سبب می شود تا با گرم شدن مبدل حرارتی ، انبساط حرارتی ایجاد شود.

محیط جریان درون لوله ها به عنوان محیط "سمت لوله" شناخته می شود. محیط جریان یافته در خارج از لوله ها به عنوان محیط "طرف پوسته" شناخته می شود. هر محیط دارای یک ورودی و یک تخلیه است.

محیط کناری لوله معمولاً برای مایع فشار بالا انتخاب می شود زیرا هر لوله می تواند به عنوان یک مخزن فشار کوچک عمل کند. همچنین تولید لوله های دارای فشار بالا نسبت به تولید پوسته دارای فشار بالا مقرون به صرفه است.

مثال

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله از آب برای خنک سازی روغن استفاده می کند. روغن محیط طرف پوسته است در حالی که آب محیط طرف لوله است. روغن از قسمت ورودی بالا سمت چپ وارد شده و از مبدل حرارتی تا رسیدن به تخلیه پایین سمت راست عبور می کند. آب از لوله های ورودی از سمت راست به سمت تخلیه سمت چپ جریان دارد.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله چگونه کار می کنند؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله به دو سیستم اصلی تقسیم می شود که از آن به عنوان طرف پوسته و طرف لوله یاد می شود. هر سیستم دارای یک محیط جریان مرتبط است. در مثال ما ، تصور خواهیم کرد که طرف پوسته حاوی روغن معدنی داغ است که باید خنک شود ، در حالی که طرف لوله حاوی آب خنک کننده است.

آب خنک کننده وارد مبدل حرارتی شده و از طریق لوله ها جریان می یابد. روغن معدنی وارد مبدل حرارتی پوسته و لوله شده و در پوسته اطراف لوله ها جریان می یابد. این دو مایعات با هم مخلوط نمی شوند زیرا دیواره لوله ها از این امر جلوگیری می کند. از آنجا که مایعات مستقیماً با هم مخلوط نمی شوند ، خنک کننده غیرمستقیم اتفاق می افتد (نه خنک کننده مستقیم).

جهت کسب اطلاعات بیشتر و مشاهده اطلاعات فنی ، تصاویر و قیمت مبدل حرارتی در معتبرترین برندها و انواع مدل ها به سایت بامین تهویه مراجعه فرمایید. همچنین می توانید از مشاوره رایگان با کارشناسان بامین تهویه بهره مند شوید.

انواع مبدل حرارتی در سیستم های حرارتی و برودتی

همانطور که از نام مبدل حرارتی مشخص است، مبدل های حرارتی وظیفه تبادل حرارت بین دو سیال را بر عهده دارند. سیالات تبادل کننده حرارت می توانند آب، گاز، روغن، هوا و ... باشند.

مبدل حرارتی به انواع مختلفی تقسیم بندی می شود که هر کدام به انواع مبدل های حرارتی با جریان همسو، ناهمسو و منقطع تقسیم میشوند.

1. مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell & tube heat exchangers)
2. مبدل حرارتی صفحه ای (Plate heat Exchanger)
3. مبدل حرارتی هوا خنک یا پره ای (Fin Heat Exchanger)

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

مبدل حرارتی پوسته و لوله  کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحدهای تقطیر نفت خام دارد. این مبدل ها از یک مخزن استوانه‌ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده اند. سیال در داخل لوله‌ها حرکت می‌کند و بخار داغ بر روی لوله‌ها و درون پوسته جریان دارد. به علت تعداد زیاد این لوله‌ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می‌کند، حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و سبب به جوش آمدن مایع می شود.

مرسوم ترین مبدل های حرارتی ، مبدل های حرارتی پوسته لوله ای هستند که این مبدل ها بر حسب تعداد پاس های پوسته و لوله خود دارای انواع مختلفی می باشند و ساده ترین آنها، دارای یک پاس پوسته و یک پاس لوله است. در این مبدل ها معمولا دیواره هایی نصب می شوند تا با ایجاد تلاطم و ایجاد مؤلفه سرعت عرضی در جریان ، ضریب جابجایی سیال در قسمت پوسته افزایش یابد که به این دیواره ها بافل (Baffle) می گویند. مبدل های حرارتی دیواره دار(Baffle) معمولا با یک پاس پوسته و دو پاس لوله و یا با دو پاس پوسته و چهار پاس لوله تولید می شوند.

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.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار هستند، زیرا در این مبدل ها فقط به یک صفحه لوله نیاز است . سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند، نمی توانند با وسایل مکانیکی تمیز شوند.در این مبدل ها تعداد زوجی از گذر های لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.

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 کاری ، افت فشارکویل ، شیوه های ساخت و هزینه 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.

مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله

1. ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت در حجم کم
2. قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد
3. 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 های حرارتی صفحه ای واشری یا گسکتی عمدتا در صنایعی مانند صنایع غذایی ، صنایع پتروشیمی، رنگ صنایع خودروسازی ، صنایع نفت و... مورد استفاده قرار می گیرند، که بدلیل دارا بودن هزینه فریم نسبت به مبدلهای حرارتی جوشی، حتی در سایز و ظرفیت مشابه دارای قیمتهای بالاتری می باشند. البته مزیت مبدل های حرارتی صفحه ای واشری (Gasket) نسبت به جوشی قابلیت افزایش ظرفیت، تعمیر و سرویس و شستشوی راحت آنها می باشد.

مبدل حرارتی صفحه ای بدلیل دارا بودن ضریب کلی انتقال حرارت بسیار بالا،ابعاد بسیار کوچکترو راندمان بالاتر نسبت به مبدل های حرارتی رایج پوسته و لوله ( مانند منبع کویلی و دو جداره ) خصوصا" در صورت نصب سختی گیر در مسیر آب سرد ورودی آنها قادر هست به صورت لحظه ای آب گرم مصرفی مورد نیاز را بدون نیاز به ذخیره سازی ( مانند منابع کویلی و دو جداره ) ، بصورت کاملا" بهداشتی به مصرف کننده عرضه نمایند.

مبدل حرارتی جوشی عمدتا برای تامین آب گرم مصرفی در ساختمانها،گرمایش آب استخرها، سیستمهای گرمایش از کف ، خنک کاری روغن ، بعنوان اواپراتور و کندانسور در انواع چیلر ها و.... مورد استفاده قرار می گیرند، که بجز مورد آبگرم مصرفی باید در بقیه موارد بصورت موردی دقیقا محاسبه گردد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و مشاهده اطلاعات فنی ، تصاویر و قیمت مبدل حرارتی در معتبرترین برندها و انواع مدل ها به سایت بامین تهویه مراجعه فرمایید. همچنین می توانید از مشاوره رایگان با کارشناسان بامین تهویه بهره مند شوید.

کاربرد مبدل حرارتی در سیستم های تهویه و تبرید

امروزه در اغلب هتل ها ،‌ساختمان های اداری ، صنعتی ، بیمارستان ها و مراکز ورزشی سیستم تهویه مطبوع وجود دارند .درحقیقت استفاده از این سیستم ها برای کنترل دما در اغلب فرایند های تولید ی و صنعتی رواج یافته است.

تهویه مطبوع با استفاده از مبدل حرارتی

بخش سرد کننده یا چیلر اصلی یک واحد سیکل تبرید بخار متراکم است که در آن بخار مبرد متراکم از درون کندانسور (تقطیرکننده)جریان می یابد و سپس مبرد مایع موجود از طریق شیر انبساط پخش می شود.

 مبرد مایع کم فشار در اوپراتور (تبخیر کننده)جریان می یابد و بخار خروجی در نهایت مجددآ وارد کمپرسور می شود تا چرخه تکمیل شود.

 واحد های مبدل حرارتی ثانویه که هم در اوپراتور و هم در کندانسور هستند معمولا از محلول های آب  یا آب سرد گلیکول به عنوان سیالات کاری استفاده می کنند.

راهکار های انتقال حرارت بوسیله مبدل حرارتی در سیستم های تهویه 

1. استفاده از یک سیستم هوا خنک شو
2. سیستم برج خنک کن مدار بسته
3. آب سرد شده و یک سیستم برج خنک کن باز
4. آب سرد شده با منابع خنک کننده (آزاد )مثلا آب دریا یا رودخانه.

خنک کننده های هوایی و برج خنک کننده مدار بسته ،‌ بزرگ و گران قیمت هستند. هزینه برج خنک کن باز کم است اما به آب ورودی پیوسته نیاز دارد و مستعد جرم گیری هستند  و در صورت عدم دسترسی به آب خاموش می شوند.

بنابر این غالبا لازم است که از خنک کن های مدار بسته یا خنک کن های هوایی استفاده شود.

اما استفاده از یک سیستم غیر مستقیم همراه با یک مدار مبدل حرارتی ثانویه که میان این دو سیستم همانند یک (محرک)یا (فیلتر)عمل می کند بسیار مناسب و بجاست.

 این کار  سبب رفع بسیاری از مشکلات سیستم های خنک کننده  غیر مستقیم می شود. مبدل حرارتی صفحه ای غالبا بهترین گزینه برای مبدل های ثانویه هستند. 

مزایای سیستم های خنک کننده با استفاده از مبدل حرارتی

1.  هزینه پایین سیستم با زمان برگشت سرمایه نسبتا کم
2. صرفه جویی در مصرف مواد در کندانسور ، چرا که از مواد ارزان تری استفاده می شود.
3. به نگهداری کمتر نیاز دارد.
4. چیلر ها نیز همانند سیستم های خنک کننده با استفاده از مبدل حرارتی میانی می توانند دردماهای بهینه کار کنند.
5. استفاده از یک مبدل حرارتی میانی سبب حداقل شدن استفاده از آب می شود
6.  واحد چیلری اصلی بخار تراکمی از آلودگی های آب خام جدا است.
7. بازیابی حرارتی میانی سبب کاهش آلودگی حرارتی زیست محیطی می شود.

استفاده از مبدل حرارتی به عنوان فشار شکن

به علاوه مدار های ثانویه با استفاده از مبدل حرارتی محافظ سیستم در برابر فشار های بالا هستند و سبب حداقل استفاده از سیستم های ذخیره انرژی گران قیمت می شوند که به لحاظ حرارتی ناکارآمد هستندو خطر آسیب های ناشی از نشتی حداقل می گردد و ماده خنک کننده بهتر کنترل می شودو لوله کشی آن در ساختمان نیز بهتر انجام می شود.

استفاده از مبدل حرارتی به عنوان اواپراتور و کندانسور

طرح مبدل حرارتی ثانویه می تواند در سمت اوپراتور نیز استفاده شود. همچنین استفاده از یک مبدل حرارتی صفحه ای برای جداکردن دو مدار سرد سبب ایجاد بازدهی حرارتی بالا با اختلاف دمای اپروچ بسیار کم (تقریبا تا 0.5 C)می شود.

اواپراتور صفحه ای با گاز های مبرد متفاوت در سیستم های تبرید ظرفیت های حرارتی متفاوتی را بدست میدهد.

مبدل حرارتی صفحه ای (به ویژه انواع جوشکاری شده و لحیم شده کاری شده آن ها )از دیرباز به عنوان کندانسور یا اوپراتور مستقیما در واحد های چیلر استفاده می شده اند چرا که نسبت به مبدل های لوله و پره معمولی کارایی بالایی دارند.

اطلاعات فنی و تخصصی و قیمت مبدل های حرارتی در انواع مدل ها و ظرفیت های گوناگون را در سایت بامین تهویه مشاهده نمایید.

روش های افزایش بازدهی مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی یا مبدل گرمایی به دستگاه انتقال حرارتی گفته میشود که در آن انتقال جرم صورت نمیگیرد. مبدل های حرارتی معمولا از فلزات با رسانایی بالا مانند تیتانیوم، آلومینیوم، استنلس استیل، فولاد، مس و... تولید می شوند که در سه نوع مایع ، مایع -گاز،مایع - گاز-گاز تولید می شوند.

مبدل های حرارتی مایع، مایع در کاربری تولید آبگرم مصرفی ،اویل کولر، هیت ریکاوری، تنظیم کننده فشار در زون بندی طبقات ، ذوب یخ، گرمایش کف، گرمایش استخر و ... استفاده می شوند.

مبدل های حرارتی گاز، مایع در کاربرد اواپراتور و کندانسور، درایر های صنعتی، رادیاتور اتومبیل، یونیت هیتر آبگرم و بخار  ، انواع فن کویل و ... استفاده می شوند.

مبدل های حرارتی گاز به گاز در سیستم های هیت ریکاوری و هواساز ها و کوره های هوای گرم و... کاربرد دارند.

راندمان مبدل حرارتی

راندمان مبدل حرارتی می تواند ازجنبه های مختلفی مورد بررسی قرار گیرد ، از نظر عملکرد حرارتی چندین فاکتور مهم وجود دارد که باید در نظر گرفته شود.

دیفرانسیل دما

تفاوت بین مایع داغ و مایع خنک کننده در نکات استاندارد  طراحی مبدل حرارتی بسیار حائز اهمیت است. خنک کننده همیشه نیاز به دمای پایین تر از مایع گرم دارد. دمای خنک کننده پایین تر گرمای بیشتری را از مایعات داغ از دمای خنک کننده گرم تر می کند. به عنوان مثال اگر یک لیوان آب آشامیدنی در دمای اتاق داشتید ، خنک کردن آن با استفاده از یخ بسیار مؤثر است و نه فقط آب خنک ، همین اصل برای مبدل های حرارتی نیز صدق می کند.

سرعت جریان

یکی دیگر از عوامل مهم ، جریان مایعات در دو طرف اصلی و فرعی مبدل حرارتی است. سرعت بیشتر جریان مبدل توانایی مبدل را برای انتقال گرما افزایش می دهد ، اما سرعت بیشتر جریان نیز به معنای جرم بیشتر است و همین امر باعث می شود با حذف انرژی و همچنین افزایش سرعت و از دست دادن فشار ، دشوارتر شود.

نصب

مبدل های حرارتی همیشه باید براساس دستورالعمل های شرکت سازنده نصب شود.

به طور کلی کارآمدترین روش برای نصب مبدل حرارتی با مایعاتی است که در یک حالت ضد جریان جریان می یابند (بنابراین اگر مایع خنک کننده به سمت چپ به راست حرکت می کند ، مایع گرم به راست به چپ حرکت می کند) و برای مبدل های حرارتی پوسته و لوله مبدل می شود. باید در پایین ترین حالت ورودی (همانطور که در نمودارهای فوق نشان داده شده است) وارد کنید تا اطمینان حاصل شود که مبدل حرارتی همیشه پر از آب است. برای مبدلهای حرارتی خنک شده هوا باید در هنگام نصب کولر جریان هوا را در نظر بگیرید ، هر بخشی از هسته که مسدود شده باشد ، قابلیت خنک کننده را به خطر می اندازد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و مشاهده اطلاعات فنی ، تصاویر و قیمت مبدل حرارتی موتورخانه  در معتبرترین برندها و انواع مدل ها به سایت بامین تهویه مراجعه فرمایید. همچنین می توانید از مشاوره رایگان با کارشناسان بامین تهویه بهره مند شوید.