مبدل حرارتی چیست؟ انواع آن، کاربردها، سفارش طراحی و ساخت

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) دستگاهی است که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال (مایع یا گاز) استفاده می‌شود. به عبارت ساده‌تر، مبدل حرارتی وسیله‌ای است که به سیال گرم اجازه می‌دهد حرارت خود را به سیال سرد منتقل کند. این انتقال حرارت می‌تواند به روش‌های مختلفی انجام شود و در صنایع و کاربردهای بسیار متنوعی مورد استفاده قرار گیرد.

چرا به مبدل حرارتی نیاز داریم؟

• سرد کردن: در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، نیاز به سرد کردن سیالات وجود دارد. برای مثال، در نیروگاه‌ها برای سرد کردن بخار آب از مبدل حرارتی استفاده می‌شود.
• گرم کردن: برای گرم کردن سیالات نیز می‌توان از مبدل حرارتی استفاده کرد. برای مثال، در سیستم‌های گرمایشی ساختمان‌ها از مبدل حرارتی برای انتقال حرارت از منبع گرمایی به محیط داخلی استفاده می‌شود.
• بازیابی حرارت: در بسیاری از فرآیندها، حرارت به عنوان یک محصول جانبی تولید می‌شود. مبدل حرارتی می‌تواند این حرارت را بازیابی کرده و برای گرم کردن سیالات دیگر استفاده کند.

اهمیت مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف:

مبدل‌های حرارتی به عنوان قلب تپنده بسیاری از فرآیندهای صنعتی شناخته می‌شوند. این دستگاه‌ها نقش بسیار مهمی در انتقال حرارت بین سیالات مختلف ایفا می‌کنند و به همین دلیل، در صنایع گوناگون کاربردهای گسترده‌ای دارند.

کاربردهای مهم مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف:

• کاربرد در صنعت نفت و گاز: در پالایشگاه‌ها، مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن و خنک کردن هیدروکربن‌ها، جداسازی اجزای مختلف نفت و گاز و تولید محصولات پتروشیمی استفاده می‌شوند.
• صنعت نیروگاهی: در نیروگاه‌ها، مبدل‌های حرارتی برای تولید بخار، گرم کردن آب تغذیه دیگ بخار و خنک کردن توربین‌ها به کار می‌روند.
• مبدل حرارتی و صنعت خودرو: در خودروها، مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن موتور، خنک کردن روغن موتور و گرم کردن هوای داخل کابین استفاده می‌شوند.
• صنعت شیمیایی: در صنایع شیمیایی، مبدل‌های حرارتی برای انجام واکنش‌های شیمیایی، تبخیر، تقطیر و کریستالیزاسیون استفاده می‌شوند.
• صنعت غذایی: در صنایع غذایی، مبدل‌های حرارتی برای پاستوریزاسیون، استریلیزاسیون، تبخیر و تغلیظ مواد غذایی استفاده می‌شوند.
• بکارگیری مبدل حرارتی در صنعت تهویه مطبوع: در سیستم‌های تهویه مطبوع، مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن یا خنک کردن هوا استفاده می‌شوند.

اصول کارکرد مبدل حرارتی و انتقال حرارت:

اصول کارکرد مبدل های حرارتی بر مبنای قوانین انتقال حرارت شامل رسانش (انتقال حرارت در یک ماده جامد یا بین مواد در تماس)، همرفت (انتقال حرارت به‌واسطه حرکت سیال)، و در برخی موارد تابش حرارتی است.

• رسانش (Conduction)

  رسانش انتقال حرارت از طریق ارتعاشات اتمی در یک ماده جامد است. زمانی که یک سمت جسم گرم شود، ارتعاشات اتمی در آن سمت افزایش می‌یابد و این ارتعاشات به تدریج به سمت قسمت‌های سردتر جسم منتقل می‌شود.

  در مبدل‌های حرارتی، دیواره جداکننده دو سیال (که معمولاً از جنس فلز است) نقش مهمی در انتقال حرارت به روش رسانش دارد.

• همرفت (Convection)

  همرفت انتقال حرارت از طریق حرکت یک سیال است. زمانی که یک سیال گرم می‌شود، چگالی آن کاهش می‌یابد و به سمت بالا حرکت می‌کند. سیال سردتر جایگزین آن می‌شود و به همین ترتیب، یک جریان همرفتی ایجاد می‌شود.

  در مبدل‌های حرارتی، همرفت در هر دو سیال گرم و سرد رخ می‌دهد و باعث افزایش سرعت انتقال حرارت می‌شود.

• تابش (Radiation)

  تابش انتقال حرارت از طریق امواج الکترومغناطیسی است. هر جسمی با دمای بالاتر از صفر مطلق، انرژی تابشی ساطع می‌کند. این انرژی می‌تواند در فضا منتشر شود و به اجسام دیگر برخورد کند و جذب شود.

  در مبدل‌های حرارتی، تابش معمولاً نقش کمتری نسبت به رسانش و همرفت دارد، اما در مواردی که دمای سیالات بسیار بالا باشد، تابش می‌تواند نقش مهمی ایفا کند.انواع مبدل‌های حرارتی و دسته بندی آن‌ها

انواع مبدل‌های حرارتی و دسته بندی آن‌ها:

مبدل‌های حرارتی را می‌توان بر اساس معیارهای مختلفی طبقه بندی کرد. یکی از رایج‌ترین روش‌های طبقه بندی، بر اساس ساختار فیزیکی آن‌ها است. در این روش، مبدل‌ها به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

1. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchangers)

این نوع مبدل حرارتی از یک پوسته استوانه‌ای تشکیل شده است که در داخل آن تعدادی لوله قرار دارد. سیال گرم در داخل لوله‌ها و سیال سرد در اطراف لوله‌ها جریان می‌یابد.

• مزایا: ساختار ساده، قابلیت تحمل فشار بالا، تنوع در طراحی و کاربرد گسترده در صنایع مختلف.
• معایب: هزینه ساخت بالا، امکان تشکیل رسوب در لوله‌ها، پیچیدگی در تمیز کردن.

2. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchangers)

این نوع مبدل حرارتی از صفحات موازی تشکیل شده است که سیال گرم و سرد به صورت متناوب بین آن‌ها جریان می‌یابد.

• مزایا: سطح تماس بالا، ضریب انتقال حرارت بالا، امکان تمیز کردن آسان، وزن کم و حجم کم.
• معایب: محدودیت در فشار کاری، حساسیت به خوردگی، امکان نشتی در واشرها.

3. مبدل‌های حرارتی هواخنک (Air Cooled Heat Exchangers)

این نوع مبدل حرارتی برای خنک کردن سیالات با استفاده از هوای محیط استفاده می‌شود. معمولاً از لوله‌های فین‌دار برای افزایش سطح تماس هوا با سیال گرم استفاده می‌شود.

• مزایا: هزینه ساخت پایین، عدم نیاز به آب خنک‌کننده، قابلیت اطمینان بالا.
• معایب: تحت تأثیر شرایط محیطی مانند دما و رطوبت قرار می‌گیرد، نیاز به فضای بیشتر.

4. مبدل‌های حرارتی حلزونی یا مارپیچی (Spiral Heat Exchangers)

در این نوع مبدل حرارتی، دو کانال مارپیچی به دور هم پیچیده شده‌اند که سیال گرم و سرد در آن‌ها جریان می‌یابد.

• مزایا: سطح تماس بالا، مناسب برای سیالات با ویسکوزیته بالا، امکان خود تمیز شوندگی.
• معایب: محدودیت در فشار کاری، پیچیدگی در ساخت.

5. مبدل‌های حرارتی صفحه و فین (Plate and Fin Heat Exchangers)

این نوع مبدل حرارتی ترکیبی از صفحات و فین‌ها است و برای افزایش سطح تماس بین سیالات استفاده می‌شود.

• مزایا: سطح تماس بالا، وزن کم، مناسب برای کاربردهای با محدودیت فضایی.
• معایب: حساسیت به انسداد کانال‌ها.

سایر انواع مبدل‌های حرارتی

علاوه بر انواع ذکر شده، مبدل‌های حرارتی دیگری نیز وجود دارند مانند مبدل‌های حرارتی لوله دوبل، مبدل‌های حرارتی فشرده و مبدل‌های حرارتی بازیاب.

تقسیم بندی انواع مبدل حرارتی بر اساس خصوصیات سیال ها

این تقسیم بندی بر اساس خصوصیات سیال هایی که در مبدل جریان دارد شکل گرفته است.البته تفاوت بین ضرایب انتقال حرارت گازها و مایعات در تعیین شکل انواع مبدل های حرارتی نقش موثری دارد.

• مبدل حرارتی مایع/ مایع :

در این نوع مبدل های حرارتی هر دو سیال مایع هستند و مکانیزم انتقال حرارت برای هر دو ، انتقال حرارت اجباری است. انتقال حرارت در این مبدل ها به علت بالا بودن ضریب انتقال حرارت مایعات بالاست.

• مبدل حرارتی گاز/ مایع :

در این مبدل ها یک سیال مایع و سیال دیگر گاز است. معمولاً برای خنک نمودن سیال گرم توسط هوا استفاده می شود. جریان مایع با سرعت کافی داخل لوله پمپ می شود که این موجب بالا بودن ضریب انتقال حرارت طرف لوله ها می شود. هوا به صورت متقاطع بر روی لوله ها جریان می یابد. جریان هوا می تواند به صورت جابجایی اجباری یا آزاد باشد.

• مبدل حرارتی گاز/گاز :

معمولاً کمتر اتفاق می افتد که در مبدل ها هر دو سیال گاز باشند مگر اینکه یکی از گازها در فشار بالا باشد .
گاز فشار بالا که دانسیته آن بیشتر است در داخل لوله ها جریان می یابد. البته ضریب انتقال حرارت در این موارد خیلی کوچک است و برای انتقال حرارت مناسب باید تدابیری اندیشید که در مباحث بعد در این مورد بحث می شود.

انواع مبدل بر اساس نوع جریان سیال ها

مبدل حرارتی دارای سه پیکربندی جریان اولیه هستند :

• جریان موازی:

دو سیال در یک انتهای مبدل حرارتی وارد می شوند و در یک جهت موازی با یکدیگر جریان می یابند. در این طرح، اختلاف دما در ورودی زیاد است، اما دمای سیال در خروجی ها به مقدار مشابهی نزدیک می شود.

• جریان مخالف:

دو سیال در انتهای مخالف مبدل حرارتی وارد می شوند و خلاف یکدیگر جریان می یابند. در این طرح، اختلاف دما در طول مبدل کمتر اما ثابت است. ممکن است سیالی که گرم می شود، مبدل را در دمایی بالاتر از دمای خروجی سیال گرمایشی ترک کند. این کارآمدترین طراحی به دلیل اختلاف دمای بالاتر در طول مبدل است.

• جریان متقاطع

دو سیال عمود بر یکدیگر جریان دارند. بیش از یک روش برای انتقال حرارت در مبدل حرارتی وجود دارد. انتقال حرارت با استفاده از یک یا چند حالت انتقال، رسانش، همرفت یا تابش انجام می شود.

اصول طراحی مبدل‌های حرارتی:

طراحی مبدل‌های حرارتی یک فرآیند پیچیده است که نیازمند در نظر گرفتن پارامترهای مختلفی است. هدف اصلی در طراحی مبدل، انتقال حداکثری حرارت بین دو سیال با حداقل افت فشار و هزینه است. در ادامه به برخی از اصول مهم در طراحی مبدل‌های حرارتی می‌پردازیم:

سطح انتقال حرارت (Heat Transfer Area)

• اهمیت: سطح انتقال حرارت یکی از مهم‌ترین پارامترها در طراحی مبدل است. هرچه سطح تماس بین دو سیال بیشتر باشد، انتقال حرارت سریع‌تر و موثرتر انجام می‌شود.
• روش‌های افزایش سطح:
  • استفاده از فین‌ها: فین‌ها سطح تماس را افزایش داده و ضریب انتقال حرارت را بهبود می‌بخشند.
  • استفاده از صفحات موازی: در مبدل‌های صفحه‌ای، صفحات موازی سطح تماس را افزایش می‌دهند.
  • استفاده از لوله‌های مارپیچ: در مبدل‌های مارپیچی، سطح تماس به دلیل شکل مارپیچی لوله‌ها افزایش می‌یابد.

افت فشار (Pressure Drop)

• اهمیت: افت فشار در مبدل‌ها باعث افزایش مصرف انرژی پمپ‌ها می‌شود. بنابراین، باید تلاش شود تا افت فشار در مبدل به حداقل برسد.
• عوامل موثر بر افت فشار:
  • سرعت سیال: افزایش سرعت سیال باعث افزایش افت فشار می‌شود.
  • طول مسیر سیال: افزایش طول مسیر سیال باعث افزایش افت فشار می‌شود.
  • زبری سطح داخلی لوله‌ها: زبری سطح باعث افزایش افت فشار می‌شود.

مواد سازنده

• اهمیت: انتخاب مواد سازنده مبدل بر اساس خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی سیالات، دما و فشار کاری، و همچنین هزینه انجام می‌شود.
• عوامل موثر در انتخاب مواد:
  • خوردگی: مواد باید در برابر سیالات خورنده مقاوم باشند.
  • دمای کاری: مواد باید در دمای کاری مورد نظر مقاوم باشند.
  • فشار کاری: مواد باید بتوانند فشار کاری را تحمل کنند.
  • هزینه: هزینه مواد نیز در انتخاب آن‌ها موثر است.

سایر پارامترهای طراحی

• ضریب انتقال حرارت کلی (Overall Heat Transfer Coefficient): این پارامتر نشان‌دهنده میزان انتقال حرارت در کل مبدل است و تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند جنس مواد، سرعت سیالات، ضخامت دیواره‌ها و نوع جریان سیال قرار دارد.
• دبی سیالات: دبی سیالات بر سرعت انتقال حرارت و افت فشار تأثیر می‌گذارد.
• ویسکوزیته سیالات: ویسکوزیته سیالات بر ضریب انتقال حرارت و افت فشار تأثیر می‌گذارد.
• دمای سیالات: اختلاف دمای سیالات بر نیروی محرکه انتقال حرارت تأثیر می‌گذارد.

روش‌های محاسباتی در طراحی مبدل‌های حرارتی:

برای طراحی دقیق و تحلیل عملکرد مبدل‌های حرارتی، از روش‌های محاسباتی مختلفی استفاده می‌شود. دو روش متداول در این زمینه، روش NTU-ε و روش LMTD هستند.

روش NTU-ε

روش NTU-ε (Number of Transfer Units – Effectiveness) روشی جامع برای تحلیل مبدل‌های حرارتی است که در شرایطی که اطلاعات دقیقی از دمای خروجی سیالات در دسترس نباشد، به کار می‌رود.

• NTU (Number of Transfer Units): این پارامتر نشان‌دهنده اندازه مبدل حرارتی است و با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

  NTU = UA / Cmin
  

  که در آن:

  • U: ضریب انتقال حرارت کلی
  • A: سطح انتقال حرارت
  • Cmin: حداقل ظرفیت گرمایی سیالات

• ε (Effectiveness): این پارامتر نشان‌دهنده راندمان مبدل حرارتی است و به صورت نسبت حرارت منتقل شده واقعی به حداکثر حرارت منتقل شده ممکن تعریف می‌شود.

• مزایای روش NTU-ε:

  • برای انواع مختلف مبدل حرارتی قابل استفاده است.
  • نیاز به اطلاعات کمتری نسبت به روش LMTD دارد.
  • برای محاسبه دمای خروجی سیالات به کار می‌رود.

• معایب روش NTU-ε:

  • محاسبات پیچیده‌تری نسبت به روش LMTD دارد.
  • نیاز به استفاده از نمودارها یا جداول برای تعیین ε دارد.

روش LMTD (Log Mean Temperature Difference)

روش LMTD مبتنی بر استفاده از اختلاف دمای متوسط لگاریتمی بین دو سیال است. این روش برای محاسبه میزان انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی به کار می‌رود.

• LMTD: اختلاف دمای متوسط لگاریتمی به صورت زیر تعریف می‌شود:

  LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2)
  

  که در آن:

  • ΔT1: اختلاف دمای سیالات در ورودی مبدل
  • ΔT2: اختلاف دمای سیالات در خروجی مبدل

• مزایای روش LMTD:

  • محاسبات ساده‌تر نسبت به روش NTU-ε
  • برای مبدل‌های حرارتی با جریان موازی و مخالف قابل استفاده است.

• معایب روش LMTD:

  • نیاز به دانستن دمای خروجی سیالات دارد.
  • برای برخی از انواع مبدل‌های حرارتی پیچیده، استفاده از این روش ممکن است دشوار باشد.

چالش‌ها و نوآوری‌ها در مبدل‌های حرارتی:

مبدل‌های حرارتی به عنوان قلب تپنده بسیاری از فرآیندهای صنعتی، نقش بسیار مهمی در انتقال حرارت ایفا می‌کنند. با این حال، این دستگاه‌ها نیز مانند هر دستگاه دیگری با چالش‌هایی روبرو هستند که عملکرد آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند. در ادامه به برخی از مشکلات رایج در مبدل‌ها و راهکارهای نوآورانه برای رفع آن‌ها می‌پردازیم.

مشکلات رایج در مبدل‌ها

گرفتگی (Fouling):

• علت: تجمع رسوبات، ذرات جامد و مواد آلی روی سطوح داخلی مبدل.
• اثرات: کاهش ضریب انتقال حرارت، افزایش افت فشار، افزایش مصرف انرژی و کاهش عمر مفید مبدل.
• راهکارها:
  • انتخاب مواد مناسب برای ساخت مبدل
  • استفاده از فیلترها برای حذف ذرات جامد
  • شستشوی دوره‌ای مبدل
  • استفاده از مواد شیمیایی ضد رسوب

خوردگی (Corrosion):

• علت: واکنش شیمیایی بین سیال و مواد سازنده مبدل.
• اثرات: کاهش ضخامت دیواره‌ها، ایجاد سوراخ و نشت، کاهش عمر مفید مبدل.
• راهکارها:
  • انتخاب مواد مقاوم در برابر خوردگی
  • استفاده از پوشش‌های محافظ
  • کنترل pH و دمای سیال

نشتی (Leakage):

• علت: خرابی واشرها، خوردگی، ارتعاشات و فشار بیش از حد.
• اثرات: آلودگی سیالات، کاهش راندمان، افزایش هزینه‌های تعمیرات.
• راهکارها:
  • استفاده از واشرهای با کیفیت بالا
  • کنترل فشار کاری
  • بازرسی دوره‌ای مبدل

افت فشار (Pressure Drop):

• علت: گرفتگی، زبری سطح داخلی، تغییر در هندسه کانال‌ها.
• اثرات: افزایش مصرف انرژی پمپ‌ها، کاهش دبی سیال.
• راهکارها:
  • تمیز کردن دوره‌ای مبدل
  • استفاده از مواد با سطح صاف
  • بهینه سازی طراحی کانال‌ها

لرزش و ارتعاش (Vibration):

• علت: عدم تعادل، عدم تراز بودن، جریان آشفته سیال.
• اثرات: ایجاد صدا، آسیب به اتصالات، کاهش عمر مفید مبدل.
• راهکارها:
  • تعادل دینامیکی مبدل
  • نصب پایه‌های ارتعاشی
  • کاهش ناهمواری‌های لوله‌ها

نوآوری‌ها در طراحی و ساخت مبدل‌ها:

برای مقابله با چالش‌های فوق، نوآوری‌های مختلفی در طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی صورت گرفته است:

• استفاده از مواد جدید: مواد کامپوزیتی، سرامیکی و پلیمری با خواص ضد خوردگی و مقاوم در برابر حرارت بالا.
• طراحی‌های نوآورانه: استفاده از هندسه‌های پیچیده برای افزایش سطح تماس و کاهش افت فشار.
• پوشش‌های محافظ: استفاده از پوشش‌های نانو و پوشش‌های آلی برای محافظت از سطوح داخلی مبدل.
• تکنولوژی‌های تمیز کردن: استفاده از روش‌های تمیز کردن اولتراسونیک، شیمیایی و مکانیکی برای حذف رسوبات.
• سیستم‌های نظارت و کنترل هوشمند: استفاده از سنسورها و نرم‌افزارهای هوشمند برای نظارت بر عملکرد مبدل و تشخیص زودهنگام مشکلات.

آینده مبدل‌های حرارتی

با پیشرفت تکنولوژی و افزایش نیاز به بهره‌وری انرژی، انتظار می‌رود شاهد نوآوری‌های بیشتری در زمینه طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی باشیم. برخی از این نوآوری‌ها عبارتند از:

• مبدل‌های حرارتی نانویی: استفاده از نانوذرات برای افزایش سطح تماس و بهبود عملکرد مبدل.
• مبدل‌های حرارتی چاپ سه بعدی: ساخت مبدل‌های حرارتی با هندسه‌های پیچیده و سفارشی.
• استفاده از هوش مصنوعی: استفاده از هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی طراحی و کنترل مبدل‌های حرارتی.

با توجه به اهمیت مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف، تحقیقات و توسعه در این زمینه همچنان ادامه دارد و انتظار می‌رود در آینده شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در این حوزه باشیم.