انواع مبدل حرارتی – نقش مبدل های حرارتی در سیستم سرمایشی

مبدل حرارتی یکی از تجهیزات مورد استفاده در صنایع، دستگاه ها و سیستم های مختلف است که به منظور تبادل حرارت بین دو (در موارد معدودی سه) سیال به کار می رود.

مبدل حرارتی در سیستم های سرمایشی

با توجه به ماهیت و هدف سیستم های سرمایشی یعنی انتقال حرارت از محیط سرد به محیط گرم، مبدل های حرارتی نقش مهمی در این سیستم ها ایفا می کنند. شکل زیر نمودار فشار-انتالپی یک سیکل تبرید تراکمی و چهار بخش اصلی این سیکل یعنی اواپراتور، کمپرسور، کندانسور و شیر انبساط را نشان می دهد.

در بین چهار بخش اصلی یک سیکل استاندارد تبرید، دو بخش اصلی یعنی اواپراتور و کندانسور، در واقع نوعی مبدل حرارتی هستند. در کندانسور، حرارت از مبرد به هوا یا آب و در اواپراتور، حرارت از هوا یا آب به مبرد منتقل می شود. استفاده از مبدل حرارتی در سیستم های تبرید، محدود به اواپراتور و کندانسور نیست و در موارد زیر نیز به کار برده می شود.

• به عنوان بازیاب (انتقال حرارت از مبرد مایع خروجی کندانسور به مبرد گازی خروجی اواپراتور) برای بهبود عملکرد سیستم سرمایشی
• برج های خنک کن: این تجهیزات از جمله مبدل های حرارتی هستند که در کنار کندانسورهای آبی برای انتقال حرارت از آب به هوای محیط به کار برده می شوند.
• فن کویل ها
• سیستم های فری کولینگ

بیشتر بخوانید:‌ قیمت برج خنک کننده

انواع مبدل حرارتی

مبدل حرارتی را می توان از جنبه های مختلفی دسته بندی کرد؛

• تماس بین دو سیال:از این نظر مبدل های حرارتی به دو دسته تماس مستقیم و تماس غیر مستقیم تقسیم می شوند. در مبدل های تماس مستقیم، تبادل حرارت بین دو سیال، با تماس مستقیم بین آن ها اتفاق می افتد، مانند برج های خنک کن مرطوب. در مبدل های تماس غیر مستقیم، دو سیال به وسیله دیواره های فلزی مبدل از یکدیگر جدا شده و هیچ تماسی با یکدیگر ندارند. در صنعت تبرید، مبدل های تماس غیر مستقیم بسیار پرکاربردتر از مبدل های تماس مستقیم هستند.

بیشتر بخوانید: مصرف آب برج خنک‌کننده چگونه محاسبه می‌شود؟

• مکانیزم انتقال حرارت:مکانیزم انتقال حرارت در مبدل های حرارتی ممکن است به صورت جا به جایی آزاد، جا به جایی اجباری، تابشی، تک فازی یا دو فازی باشد.
• جهت جریان:از نظر جهت کلی جریان دو سیال نسبت به یکدیگر، مبدل های حرارتی به سه گروه جریان همسو، جریان مخالف و جریان متقاطع دسته بندی می شوند.
• طراحی و ساختمان:مبدل های حرارتی معمولاً از نظر طراحی و ساختمان دسته بندی شده و نام گذاری آن ها نیز بر همین اساس انجام می گیرد. از این جنبه، مهم ترین انواع مبدل حرارتی عبارت اند از: پوسته و لوله، صفحه ای، دو لوله ای، کویل یا لوله ای پره دار و لوله ای ساده.

در ادامه توضیحات بیشتری در خصوص برخی از مبدل های حرارتی مورد استفاده در صنعت تبرید و تهویه مطبوع ارائه می شود؛

مبدل لوله ای ساده (Bare Tube)

مبدل های لوله ای ساده از چند ردیف لوله مسی یا آلومینیومی تشکیل شده اند. این لوله ها می توانند به صورت مستقیم و یا U شکل باشند. مبرد از یک سمت وارد مبدل شده و با عبور از لوله ها، با سیال اطراف تبادل حرارت می کند. انتقال گرما از/به سیال بیرونی، ممکن است به صورت جا به جایی اجباری یا آزاد باشد. جا به جایی اجباری، نرخ انتقال حرارت بیشتری خواهد دارد و در صورتی که سیال بیرونی لوله ها، هوا باشد، به یک فن برای دمیدن هوا بر کویل ها نیاز است.

مبدل های لوله ای ساده بازده انتقال حرارت کمی دارند، با این حال، سادگی طراحی آن ها منجر به هزینه اولیه کمتری خواهد شد، از طرفی تمیزکاری و برفک زدایی آن ها به آسانی انجام می شود. استفاده از این مبدل ها عموماً محدود به اواپراتور و کندانسور وسایل سرمایشی کوچک مانند یخچال ها و فریزرهای خانگی است.

همچنین بخوانید: مبدل حرارتی پوسته لوله، ویژگی و کاربردها

مبدل لوله ای پره دار (Finned Tube)

مبدل های لوله ای پره دار در واقع ارتقاء یافته مبدل های لوله ای ساده هستند. در این مبدل ها برای بهبود بازده و افزایش نرخ انتقال حرارت، از پره های فلزی (معمولاً آلومینیومی) نازکی استفاده می شود که عمود بر لوله ها قرار گرفته و به آن ها متصل هستند.

این پره ها سطح انتقال حرارت را افزایش داده و در نتیجه موجب افزایش نرخ انتقال حرارت می شوند. شکل شماتیک یک مبدل حرارتی پره دار ساده در شکل زیر نشان داده شده است.

مبدل های لوله ای پره دار خود به چهار دسته زیر قابل تقسیم هستند:

• تخت
• مورب: شکلی مشابه کویل های تخت دارند ولی به صورت مورب (غیر عمود) نسبت به جریان سیال قرار می گیرند.
• V یاA شکل: از دو کویل مورب تشکیل شده اند و کاربرد بسیار زیادی در صنعت دارند.
• N یاM شکل: این کویل ها که گاهی کویل Z نیز نامیده می شوند از سه یا چهار کویل مورب تشکیل شده اند.

انواع مبدل های لوله ای پره دار در شکل زیر نشان داده شده اند.

مبدل های لوله ای نسبت به مبدل های لوله ای ساده بازده بالاتری دارند با این حال، تمیزکاری و تعمیر و نگهداری آن ها دشوارتر است. در صنایع تبرید و تهویه از این مبدل ها برای ساخت اواپراتور، کندانسور و فن کویل استفاده می شود.

در صنایع تبرید و تهویه از این مبدل ها برای ساخت اواپراتور، کندانسور و فن کویل استفاده می شود.

بیشتر بخوانید:‌ راهنمای 0 تا 100 نصب و راه اندازی انواع فن کویل

مبدل های پوسته و لوله (Shell and Tube)

مبدل های پوسته و لوله دارای انواع مختلفی هستند ولی به طور کلی از یک پوسته استوانه ای و چندین لوله که درون این پوسته قرار گرفته اند، تشکیل می شوند. یک سیال از داخل پوسته و روی سطح خارجی لوله ها عبور کرده و سیال دیگر درون لوله ها جریان دارد.

یکی از معیارهای دسته بندی مبدل های پوسته و لوله، تعداد دفعاتی است که سیال درون لوله ها، طول مبدل را طی کرده و با سیال سمت پوسته تبادل حرارت می کند که اصطلاحاً تعداد پاس مبدل نامیده می شود. معمولاً مبدل های پوسته و لوله مورد استفاده در صنعت تبرید از نوع تک پاس یا دو پاس هستند.

شکل شماتیک یک نوع مبدل پوسته و لوله تک پاس در شکل زیر نشان داده شده است.

این مبدل ها به عنوان اواپراتور در چیلرها و در برخی موارد به عنوان کندانسورهای آبی، برای انتقال حرارت بین مبرد و آب مورد استفاده قرار می گیرند. در هر دو حالت اواپراتور و کندانسور، معمولاً آب از درون لوله ها و مبرد از سمت پوسته، جریان می یابد.

بیشتر بخوانید: تفاوت اواپراتور و کندانسور

بازده زیاد، بالا بودن نسبت سطح انتقال حرارت به حجم مبدل، استحکام بالای بدنه و قابلیت طراحی و ساخت در انواع مختلف، از جمله مزایای مبدل های پوسته و لوله به شمار می رود.

مبدل های صفحه ای (Brazed Plate)

این مبدل ها شامل چند صفحه فلزی هستند که در کنار یکدیگر قرار می گیرند. صفحات دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هایی هستند که موجب می شود بین هر دو صفحه مجاور، مجراهایی برای عبور مبرد و سیال دیگر، ایجاد شود. بدین ترتیب با عبور مبرد و سیال دوم از این مجراها، تبادل حرارت بین آن ها صورت می گیرد. شکل زیر یک مبدل حرارتی صفحه ای و شکل شماتیک نحوه عبور دو سیال در آن را نشان می دهد.

از این مبدل ها به عنوان اواپراتور در چیلرها و به عنوان کندانسور آبی در سیستم های سرمایشی استفاده می شود. مبدل حرارتی صفحه ای عموماً نسبت به سایر مبدل های حرارتی، بازده بالاتر و ساختمان بسیار فشرده ای دارد ولی قیمت آن  بیشتر بوده، تحمل فشار کمتری نسبت به مبدل های پوسته و لوله دارد و معمولاً برای ظرفیت های سرمایشی بسیار بزرگ قابل استفاده نیست.

اواپراتورهای صفحه ای سطحی (Plate Surface Evaporator)

این دسته از مبدل حرارتی که تنها به عنوان اواپراتور مورد استفاده قرار می گیرد از دو ورق فلزی ساخته شده که سطح آن ها به یکدیگر متصل است و بین دو ورق یک لوله یا مجرای مارپیچ وجود دارد.

مبرد در این لوله یا مجرا جریان پیدا می کند و با جذب حرارت از هوای اطراف تبخیر می شود. این اواپراتورها در وسایل سرمایشی کوچک مانند یخچال ها و فریزرهای خانگی به کار می روند.

مبدل های دو لوله ای (Double Pipe)

مبدل های دو لوله ای از دو لوله هم مرکز تشکیل شده اند. یک سیال از درون لوله مرکزی و سیال دیگر از مجرای بین دو لوله عبور می کند. لوله ها ممکن است به صورت صاف یا مارپیچ باشند.

مبدل های دو لوله ای دارای ساختمان ساده ای هستند و در نتیجه هزینه ساخت آن ها نسبتاً پایین است، اما سطح انتقال حرارت کوچک و در نتیجه بازده پایینی دارند. این مبدل ها در سیستم های سرمایشی، بیشتر برای بازیابی حرارت مورد استفاده قرار می گیرند، هر چند در موارد کمی به عنوان کندانسور آبی نیز به کار برده می شوند. در صورت استفاده به عنوان کندانسور، آب خنک از لوله میانی و مبرد از مجرای بین دو لوله عبور می کند. بدین ترتیب مبرد می تواند با هوای اطراف نیز تبادل حرارت داشته باشد.

کاربردهای صنعتی مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی در بسیار از فرایندهای تولید، نقش مهمی ایفا می کنند زیراقادرند تجهیزات را در پارامترهای دمایی مناسب نگه دارند. مبدل های حرارتی همچنین برای بسیاری از کاربردهای پردازش شیمیایی ضروری هستند زیرا می توان از آن ها برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد مواد فرار استفاده کرد.

موارد زیر از دیگر کاربردهای صنعتی مبدل های حرارتی است؛

• بازیافت گرمای تولید شده توسط عملیات خاص، استفاده مجدد از آن در جاهای دیگر و افزایش کارایی کلی
• سیستم های تبرید و تهویه مطبوع، خودروها، نیروگاه های حرارتی، صنایع شیمیایی، فراوری و نساجی
• سرمایش و گرمایش فضا
• کنترل هوا در فضاهای تجاری
• آبیاری گلخانه
• فراوری مواد غذایی
• پردازش شیمیایی
• سرمایش یا گرمایش هوای ورودی توربین گاز

همچنین بخوانید: سیکل تبرید چیست ؟

طراحی مبدل حرارتی برای کاهش افت فشار

افت فشار یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها در طراحی حرارتی مبدل‌های حرارتی است و باید به‌گونه‌ای مدیریت شود که به مقدار مجاز نزدیک باشد. طراحی حرارتی زمانی بهینه محسوب می‌شود که ضریب انتقال حرارت کلی و/یا اختلاف دمای متوسط مؤثر (EMTD) بیشینه شوند تا ناحیه انتقال حرارت کاهش یابد.

این بهینه‌سازی تحت محدودیت‌هایی مانند افت فشار، لرزش جریان و محدودیت‌های فضایی انجام می‌شود. افزایش سرعت جریان در سمت پوسته و لوله، ضریب انتقال حرارت را افزایش می‌دهد اما موجب افت فشار بیشتر می‌شود. همچنین بیشینه‌سازی EMTD با جریان کاملاً ضدجریان حاصل می‌شود.

کنترل افت فشار

در ادامه راهکارهای مختلفی به منظور کنترل افت فشار در مبدل های حرارتی پوسته و لوله بیان شده است. افت فشار را می توان به روش های زیر کاهش داد:

• تغییر نوع baffle از segmental به double segmental

این روش، سرعت جریان سمت پوسته را کاهش می دهد که در نتیجه آن، افت فشار سمت پوسته کاهش می یابد

• افزایش فاصله بین baffleها

این امر موجب افزایش سطح جریان متقاطع و در نتیجه کاهش سرعت جریان متقاطع و کاهش افت فشار می شود، با این حال این راهکار محدودیت دارد زیرا حداکثر دهانه لوله بدون support، باید به مقدار توصیه شده TEMA باشد

• افزایش baffle cut

افزایش baffle cut موجب افزایش سطح مقطع window flow و در نتیجه کاهش سرعت جریان می شود و این کاهش سرعت، افت فشار را کاهش خواهد داد. این روش تاثیر محدودی دارد زیرا تنها افت فشار window flow تحت تاثیر قرار می گیرد و سهم افت فشار window flow در افت فشار کلی ناچیز است علاوه بر آن تنها در یک بازه محدود قابل تغییر است و معمولا از 35% قطر داخلی پوسته تجاوز نمی کند

• افزایش قطر پوسته و در نتیجه کاهش طول لوله

این روش موجب افزایش سطح جریان، کاهش سرعت جریان و در نتیجه کاهش افت فشار می شود. با این حال به دلیل سرعت پایین جریان در سمت لوله، ضریب انتقال حرارت سمت لوله را نیز کاهش خواهد داد. علاوه بر آن مقدار قطر پوسته بیشتر، به معنای ضخامت پوسته بیشتر و تعداد لوله های بیشتر است بنابراین هزینه مواد مورد استفاده افزایش خواهد یافت. در نتیجه این راهکار، افت فشار سمت پوسته و نیز سمت لوله، کاهش خواهد یافت

• افزایش قطر لوله

افزایش قطر لوله باعث کاهش سرعت جریان لوله و در نتیجه کاهش افت فشار می شود. علاوه بر آن قطر بیرونی لوله بیش از 1 اینچ معمولا مطلوب نیست زیرا قطر لوله بیشتر به معنای قطر پوسته بالاتر برای تطبیق تعداد لوله های مورد نیاز به دلیل افزایش گام لوله است که به نوبه خود به معنای هزینه بالاتر خواهد بود

• استفاده از no-tube-in-window (NTIW) baffles

با استفاده از این نوع baffle، می توان با ارائه تعداد کافی صفحات support میانی، فاصله baffle را به میزانی که مورد نیاز است، افزایش داد به این ترتیب دهانه لوله بدون support، در محدوده مورد نیاز TEMA باقی خواهد ماند. از طرفی، با به کار بردن این نوع baffle، حجم زیادی از پوسته، خالی می ماند که منجر به نسبت انتقال حرارت به حجم، کمتر و در نتیجه افزایش هزینه خواهد شد

• تغییر نوع پوسته

بر اساس TEMA، با تغییر نوع پوسته از TEMA J به TEMA E، در حالی که سایر جنبه های مبدل ثابت باقی می مانند، افت فشار کمتری ایجاد خواهد شد زیرا جریان سمت پوسته، تقسیم شده و سرعت جریان به نصف می رسد. کاهش بیشتر افت فشار را می توان با استفاده از پوسته TEMA H به دست آورد زیرا دارای تقسیم جریان مضاعف و سرعت کاهش یافته است. افت فشار در پوسته TEMA X کمترین مقدار است زیرا دارای جریان متقاطع، بزرگترین سطح مقطع جریان و کمترین سرعت جریان است که نسبت گام لوله را افزایش می دهد. افزایش نسبت گام لوله، سرعت جریان متقاطع را کاهش می دهد و به این ترتیب، افت فشار کاهش خواهد یافت. با این حال نسبت گام لوله معمولا 1.25، 1.33 یا 1.50 است بنابراین تنها می توان به صورت محدود آن را تغییر داد

• افزایش اندازه نازل

اگر قطر نازل ها خیلی کوچک باشد و نیز افت فشار در سراسر نازل ها نسبت به افت فشار کل، بیش از اندازه باشد، می توان اندازه نازل را در حد معقولی افزایش داد تا افت فشار کاهش یابد

• استفاده از پوسته ها به صورت موازی

پوسته های متعدد را می توان به صورت موازی استفاده کرد تا جریان کل سمت پوسته تقسیم شود و سرعت جریان کاهش یابد که در نتیجه آن افت فشار کاهش خواهد یافت با این حال به دلیل افزایش تعداد پوسته ها، صفحات لوله، کانال­­ ها، کلاهک ها، نازل ها، فلنج ها و … هزینه ساخت افزایش می یابد.

جمع بندی

مبدل حرارتی دسته ای از تجهیزات مورد استفاده در صنایع و سیستم های مختلف است که برای تبادل حرارت بین دو سیال مورد استفاده قرار می گیرد. این تجهیزات در صنعت تبرید و تهویه مطبوع نیز کاربرد بسیار زیادی دارند. دو فرآیند اصلی یک سیکل تبرید تراکمی در اواپراتور و کندانسور اتفاق می افتند که در زمره مبدل های حرارتی هستند.

علاوه بر این، برج های خنک کن نیز نوعی مبدل حرارتی بوده و در فن کویل ها، بازیابی حرارت و سیستم های فری کولینگ نیز از مبدل حرارتی استفاده می شود. برخی از انواع مبدل حرارتی مورد استفاده در سیستم های سرمایشی عبارت اند از لوله ای ساده، لوله ای پره دار، پوسته و لوله، صفحه ای، دو لوله ای و اواپراتورهای صفحه ای سطحی.