مبدل حرارتی دستگاهی است كه بطور خاص برای انتقال موثر گرما از یکسیال به سیال دیگر روی یکسطح جامد طراحی شده اند. این انتقال گرما می تواند به شکل جذب یا اتلاف گرما باشد. مبدل های حرارتی را می توان در تجهیزات روزمره از دیگهای بخار، کوره، یخچال و فریزر گرفته تا سیستم های تهویه مطبوع یافت.
مبدل ها بدون اینکه اجازه دهند مخلوط شوند، گرما را از یک مایع به مایع دیگر منتقل می کنند. مبادله می تواند به منظور تغییر دما یا حالت مایعات باشد، یا در صورت لزوم متراکم یا جوش می شود.
صرف نظر از عملکرد مبدل حرارتی، برای انتقال گرما، مایعات درگیر باید در دماهای مختلف باشند و آنها باید در تماس گرمایی قرار بگیرند، زیرا گرما فقط از گرم به سرما می تواند جریان یابد، بنابراین گرما از طریق یک صفحه فلزی منتقل می شود جداسازی دو مایعات.
مبدل های حرارتی در اکثر سیستم های شیمیایی، الکتریکی یا مکانیکی یافت می شوند و به عنوان وسیله سیستم برای بدست آوردن یا رد گرما عمل می کنند.
برخی از کاربردهای متداول در سیستم های گرمایشی، الکترونیکی، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC)، رادیاتورها یا موتورهای احتراق داخلی، دیگهای بخار، کندانسورها و پیش گرم کننده های گاز وجود دارد.
طبقه بندی مبدل های حرارتی
مبدل های حرارتی بر اساس آرایش جریان آنها طبقه بندی می شوند. در این محصولات جریان موازی، دو سیال از یک انتها وارد مبدل می شوند و به موازات یکدیگر به طرف دیگر می روند. در واقع جریان مایعات از انتهای مخالف وارد مبدل می شوند.
طراحی جریان شمارنده بسیار کارآمد است، بدین ترتیب که می تواند بیشترین گرما را از محیط انتقال منتقل کند. در این محصولات جریان متقاطع، مایعات عمود بر یکدیگر از طریق مبدل حرکت می کنند.
برای کارایی بهتر، مبدل های حرارتی به گونه ای طراحی شده اند که سطح دیواره بین دو سیال را به حداکثر برسانند، در حالی که مقاومت در برابر جریان سیال از طریق مبدل را به حداقل می رسانند.
عملکرد مبدل همچنین می تواند تحت تأثیر افزودن باله یا موج دار در یک یا هر دو جهت باشد، که سطح را افزایش می دهد و ممکن است جریان مایع را هدایت کند یا تلاطم ایجاد کند.
صنعت پتروشیمی مشخصات ساخت را دارد که مبدل های حرارتی باید از آنها تبعیت کنند. کد و مشخصات ASME (انجمن مهندسان مکانیک آمریکا)، TEMA (انجمن تولیدکنندگان مبدلهای لوله ای) و API (موسسه نفتی آمریکا) معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند. Perumal Sukumar، مدیر ارشد فروش در رادیاتورها و سیستم های خنک کننده Dolphin، می گوید: "امروزه، استاندارد اروپایی PED (دستورالعمل تجهیزات تحت فشار) نیز مقبولیت بیشتری پیدا می کند."
مبدل حرارتی پوسته و لوله
ابتدایی ترین و متداول ترین نوع مبدل حرارتی، مبدل حرارتی لوله و پوسته است، از مجموعه ای از لوله ها در ظرفی به نام پوسته تشکیل شده است. سیالی که در داخل لوله ها جریان دارد، مایع کناری لوله و سیالی که در خارج از لوله ها جریان دارد، مایع طرف پوسته است. در انتهای لوله ها، مایع کناری لوله توسط ورق (های) لوله از مایع سمت پوسته جدا می شود.
لوله ها نورد می شوند و با فشار یا داخل ورق لوله جوش داده می شوند تا مهر و موم محکم نشتی داشته باشد. در سیستم هایی که فشار دو مایعات کاملاً متفاوت است، مایع فشار بالاتر معمولاً از طریق لوله ها هدایت می شود و مایع فشار پایین در قسمت پوسته گردش می کند.
مبدل پوسته و لوله و همچنین مبدل صفحه ای کاربردهای بسیاری در صنعت پتروشیمی دارند. با این حال، پوسته و لوله ها به دلیل قابلیت انعطاف پذیری بالا و قابلیت فشار بیشتر، کاربرد بیشتری دارند. سوكومار می گوید، مبدل های حرارتی صفحه ای كم فشارتر و مفید ترند.
این امر به دلیل صرفه اقتصادی است، زیرا می توان لوله های مبدل حرارتی را برای تحمل فشارهای بالاتر از پوسته مبدل حرارتی با هزینه بسیار کمتری تحمل کرد. صفحات نگهدارنده همچنین به عنوان دزدگیر عمل می کنند تا جریان مایع درون پوسته را به جلو و عقب در لوله ها هدایت کنند.
مبدل حرارتی صفحه ای
یک مبدل حرارتی صفحه ای از صفحات فلزی برای انتقال گرما بین دو سیال استفاده می کند. این یک مزیت عمده نسبت به مبدل حرارتی معمولی دارد زیرا مایعات در معرض سطح بسیار بزرگتری قرار دارند، زیرا مایعات روی صفحات پخش می شوند. این انتقال گرما را تسهیل می کند، و سرعت تغییر دما را بسیار افزایش می دهد. دیدن مبدلهای صفحه ای معمول نیست زیرا آنها برای جلوگیری از فرار مایعات به واشرهای مهر و موم شده نیاز دارند، اگرچه فرآیندهای مدرن آنها را عملی ساخته است.
مبدل صفحه ای و فریم برای سیستم عامل های فراساحلی نیز مناسب هستند، زیرا باعث صرفه جویی در هزینه و فضا می شوند.
مبدل حرارتی
مبدل حرارتی احیا کننده (احیا کننده)، نوعی مبدل حرارتی است که جریان آن به صورت چرخه ای است و به طور دوره ای تغییر جهت می دهد. این شبیه مبدل های حرارتی ضد جریان است. با این حال، یک احیا کننده دو جریان سیال را مخلوط می کند در حالی که مبدل جریان متناوب آنها را جدا نگه می دارد. مشخصات دما در دمای تقریباً ثابت باقی می ماند و این شامل ورود و خروج مایعات به هر انتهای آن است.
به منظور انتخاب مبدل حرارتی مناسب، طراحان سیستم محدودیت های مربوط به هر محصول را براساس نوع آن در نظر می گیرند. اگرچه هزینه اغلب اولین معیار ارزیابی می شود، چندین فاکتور مهم مهم دیگری نیز وجود دارد که شامل عملکرد حرارتی، محدودیت فشار بالا / پایین، دامنه دما، مخلوط محصول و ظرفیت جریان سیال می باشد.