انواع مبدل حرارتی – نقش مبدل های حرارتی در سیستم سرمایشی

مبدل حرارتی دسته ای از تجهیزات مورد استفاده در صنایع، دستگاه ها و سیستم های مختلف است که وظیفه آن تبادل حرارت بین دو (در موارد معدودی سه) سیال است.

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 مبدل های 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

انواع مبدل حرارتی

مبدل حرارتی را از جنبه های مختلفی می توان دسته بندی کرد. برای مثال:

• 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.
• مکانیزم انتقال حرارت: مکانیزم انتقال حرارت در مبدل های حرارت 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 متعامد 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. لذا 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 U شکل تشکیل می شوند. این لوله ها در کنار یکدیگر یک مسیر مارپیچ را تشکیل می دهند. مبرد از یک سمت وارد مبدل شده و با عبور از مسیر مارپیچ با هوای اطراف تبادل حرارت می کند. انتقال گرما از/به هوا ممکن است به صورت جا به جایی اجباری یا آزاد باشد. جا به جایی اجباری نرخ انتقال حرارت بیشتری خواهد داشت و به یک فن برای دمیدن هوا بر کویل ها نیاز دارد.

مبدل های لوله ای ساده بازده انتقال حرارت کمی دارند، ولی تمیزکاری و برفک زدایی از 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.

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 هوا قرار می گیرند.
• V یا A شکل: از دو کویل مورب تشکیل می شوند و کاربرد بسیار زیادی در صنعت دارند.
• N یا M شکل: این کویل ها که گاهی کویل Z نیز نامیده می شوند از سه یا چهار کویل مورب تشکیل می شوند.

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

مبدل های لوله ای پره دار که از آن ها تحت عنوان کویل های پره دار نیز نام برده می شود کاربرد بسیار زیادی در صنایع مختلف دارند. این مبدل ها بازده بالاتری نسبت به مبدل های لوله ای ساده دارند و لذا برای انتقال حرارت بین مبرد و هوا گزینه مناسبی هستند، ولی تمیز کردن آن ها مشکل است و احتمال تشکیل برفک بر روی کویل های آن ها وجود دارد. در صنایع تبرید و تهویه از این مبدل ها برای ساخت اواپراتور، کندانسور و فن کویل استفاده می شود.

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 داخل آن قرار می گیرند تشکیل می شوند. یک سیال از داخل پوسته و روی سطح خارجی لوله ها عبور کرده و سیال دیگر در داخل لوله ها جریان پیدا می کند. یکی از معیارهای دسته بندی مبدل های پوسته و لوله تعداد دفعاتی است که سیال داخل 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 همچنین در برخی موارد به عنوان کندانسورهای آبی، برای انتقال حرارت بین مبرد و آب مورد استفاده قرار می گیرند. هم در حالت اواپراتور، هم در حالت کندانسور، معمولاً آب از داخل لوله ها و مبرد از سمت پوسته عبور می کند. بازده زیاد، بالا بودن نسبت سطح انتقال حرارت به حجم مبدل، استحکام زیاد بدنه و قابلیت طراحی و ساخت در انواع مختلف از جمله مزایای مبدل های پوسته و لوله هستند.

مبدل های صفحه ای (Brazed Plate)

این مبدل ها از چند صفحه فلزی تشکیل می شوند که در کنار یکدیگر قرار می گیرند. صفحات دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هایی هستند که موجب می شوند بین هر دو صفحه مجاور، مجراهایی برای عبور مبرد و آب ایجاد شوند. بدین ترتیب با عبور مبرد و آب از این مجراها تبادل حرارت بین آن ها انجام 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 هم به عنوان اواپراتور در چیلرها، هم 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 ها نیز 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 می شود که سطح آن ها به یکدیگر متصل بوده 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 برده می شوند.

مبدل های دو لوله ای (Double Pipe)

مبدل های دو لوله ای از دو لوله هم مرکز تشکیل می شوند. یک سیال از داخل 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 نیز 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 از آن ها استفاده می شود. 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.

جمع بندی

مبدل حرارتی دسته ای از تجهیزات مورد استفاده در صنایع و سیستم های مختلف هستند 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.