مبدل حرارتی یا مبدل گرمایی، نوعی سیستم گرمایشی است که حرارت و گرما را بین دو سیال گاز یا مایع انتقال میدهد. دلیل استفاده از مبدل گرمایی این است که سیالی به کمک سیال دیگری گرم یا سرد شود. البته از مبدل حرارتی برای سرد کردن و گرم کردن فضا نیز استفاده میشود.
مبدلهای حرارتی در سیستمهای گرمایشی ساختمانی، تهویه، بازیابی گرمای از دسترفته، حوزههای نفت و گاز، فرآوردههای شیمیایی، صنایع غذایی و دارویی، و صنایع فولاد استفاده میشوند. این مبدلها بسته به نیاز مصرفکننده و بر اساس استانداردهای مختلف، به انواع گوناگونی تقسیم میشوند. از متداولترین انواع مبدلهای حرارتی میتوان به رادیاتور اتومبیل و رادیاتور شوفاژ اشاره کرد.
مبدلهای گرمایی از جنبههای مختلفی دستهبندی میشوند؛ اما رایجترین دستهبندیها عبارتند از «ساختار مکانیکی» و «نوع و سطح تماس». در ادامه، هریک از این دستهبندیها را به تفصیل مورد بررسی قرار میدهیم.
در این بخش، در نظر داریم مبدلهای حرارتی را از لحاظ ساختار مکانیکی دستهبندی نماییم. در این دستهبندی، مبدلهای حرارتی به مبدلهای پوسته و لوله، مبدلهای صفحهای، و مبدلهای پرهای تقسیم میشوند.
این نوع مبدلها بیشتر در تأسیسات، تهویه مطبوع، استخر، و صنایع شیمیایی استفاده میشوند. مبدل حرارتی پوسته و لوله از یک مخزن استوانهای شکل بزرگ و چند لوله تشکیل مییابد.
مزایای حرارتی پوسته:
این نوع مبدل قدمت طولانی دارد و شامل دو نوع جوشی و واشری میشود. مبدلهای گرمایی صفحهای نسبت به مبدلهای حرارتی پوسته و لوله از ضریب کل انتقال گرما بالا، اندازه کوچکتر، و بازدهی بیشتر برخوردار هستند.
این نوع مبدلها، که مبدل حرارتی هوا-خنک نیز نامیده میشوند، برای کاربرد گاز-گاز یا مایع-گاز در صنایع مختلف ازجمله بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، تبرید، تهویه مطبوع، و وسایل نقلیهای که منبع دائمی برای آبخنک ندارند، استفاده میشود.
در ادامه، انواع مبدلهای حرارتی را بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم مورد بررسی و تجزیهوتحلیل قرار خواهیم داد.
در این نوع مبدل، سیال سرد و گرم، با استفاده از سطح جامد ثابتی، از هم جداشده و حرارت را انتقال میدهد. برای آنکه مبدل گرمایی بازده بالایی داشته باشد باید ضریب انتقال حرارت این سطح جامد بالا باشد. به همین خاطر معمولاً این سطوح ثابت را از آلیاژهای فلزی میسازند. بیشتر مبدلهای صنعتی از نوع مبدل حرارتی Recuperative هستند.
در این نوع مبدل، برخلاف نوع اول، سطح جداکننده سیال سرد و گرم ثابت نیست و بهصورت مداوم در معرض حرکت سیالها قرار میگیرد. مبدلهای حرارتی Regenerative بیشتر برای پروژههای آزمایشگاهی و تحقیقاتی استفاده میشوند.
این نوع مبدل فاقد دیواره و سطح جداکنندهی سیال سرد و گرم است. در مبدل گرمایی تماس مستقیم، همانطور که از اسمش مشخص است، ارتباط مستقیمی بین سیال سرد و گرم برقرار میشود. همچنین، بازدهی گرمایی آن بالا است. برجهای خنککن، کولرهای آبی و گرمکنهای Open Feed Water Heater در نیروگاههای بخار، نمونههایی از این نوع مبدل بهشمار میآیند.
مبدلهای گرمایی از مواد مختلف فلزی و غیرفلزی مثل شیشه، سرامیک، پلاستیک یا گرافیت ساخته میشوند. در مجموع برای ساخت مبدلهای گرمایی، مواد انتخابی باید ویژگیهای زیر را داشته باشند:
یکی از مسائل مهم در نگهداری مبدلهای حرارتی، رسوبزدایی است. رسوبزدایی فرایندی پرهزینه و زمانبر است. برای مثال، آمریکا سالانه نزدیک به ۵ میلیارد دلار را صرف هزینههای رسوبزدایی انواع مبدلهای گرمایی میکند. رسوبی که روی سطح انتقال گرما ایجاد میشود نرخ انتقال گرما را پایین آورده و فشار را نیز کاهش میدهد. برای جلوگیری از این مشکلات، تنها راهکار ممکن رسوبزدایی است که هزینهای هنگفت و زمانی طولانی دارد.