انواع مبدل‌های حرارتی

در هر صنعتی که فرآوری با تغییر دمای مواد ارتباط دارد، از پالایشگاه و پتروشیمی گرفته تا سیستم‌های تهویه مطبوع، تولید برق و حتی صنایع غذایی و شیمیایی، انواع مبدل‌های حرارتی از اجزای حیاتی به شمار می‌آیند. مبدل حرارتی مانند قلبی است که انتقال دما را از یک سیال به سیال دیگر منتقل می‌کند تا فرآیندها در دمای مناسب و بهینه ادامه پیدا کنند.
در این مقاله از استیل رخ، بررسی می‌کنیم مبدل حرارتی چیست، چه انواعی دارد، در کدام صنایع به کار می‌رود و مکانیزم انتقال حرارت در آن چگونه است.

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) دستگاهی است که وظیفه‌ی انتقال حرارت بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف بدون تماس مستقیم آن‌ها با یکدیگر را بر عهده دارد. به‌عبارتی، گرمای سیال داغ به سیال سردتر منتقل می‌شود تا یکی خنک و دیگری گرم شود، بدون آنکه دو سیال با هم مخلوط شوند.

مبدل‌های حرارتی تقریبا در تمام صنایع وجود دارند:
در خودروها، رادیاتور نوعی مبدل حرارتی است؛ در خانه‌ها، رادیاتور شوفاژ، کولر گازی و پکیج گرمایشی همه به نوعی از مبدل حرارتی استفاده می‌کنند؛ و در پتروشیمی‌ها، صدها مبدل برای بازیافت حرارت به کار می‌رود. آلیاژ به کار رفته در هر صنعت با توجه به نیازهای آن صنعت انتخاب می‌شود. استیل در مبدل حرارتی برای صنایعی مانند پتروشیمی‌ها بسیار کاربردی است.

سه نوع جریان سیال در مبدل‌ها وجود دارد:

1. جریان هم‌سو (Parallel Flow): دو سیال در یک جهت حرکت می‌کنند.
2. جریان ناهم‌سو (Counter Flow): دو سیال در جهت مخالف جریان دارند – کارایی حرارتی بالاتر دارد.
3. جریان متقاطع (Cross Flow): مسیر جریان‌ها عمود بر هم است، معمولا در مبدل‌های هوایی.

اصول انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی

انتقال حرارت در مبدل‌ها از سه مکانیزم اصلی پیروی می‌کند:

1. هدایت (Conduction): عبور گرما از دیواره‌ی فلزی جداکننده‌ی دو سیال.
2. جابه‌جایی (Convection): تبادل حرارت بین سیال در حال حرکت و دیواره‌ی فلز.
3. تشعشع (Radiation): این مکانیزم موجب انتقال حرارت از طریق تابش می شود که در دماهای بسیار بالا اهمیت دارد.

فرمول کلی انتقال حرارت در مبدل‌ها به‌صورت زیر است:

Q = A * U * ∆T_lm

که در آن:

• Q میزان حرارت منتقل‌شده
• U ضریب کلی انتقال حرارت
• A سطح تبادل حرارتی
• و ΔT_lm اختلاف دمای میانگین لگاریتمی بین دو سیال است.

کارایی مبدل حرارتی وابسته به جنس بدنه، نوع سیال، سرعت جریان، ضخامت دیواره و طراحی سطح تبادل حرارتی است. با توجه به ضریب انتقال حرارتی بالای استیل و همچنین مقاومت آن در برابر حرارت و مواد خورنده، در مبدل‌های حرارتی از لوله و ورق استیل استفاده می‌شود. دما و ترکیب سیال در انتخاب گرید استیل نقش مهمی دارند.

انواع مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی انواع مختلفی دارند و بسته به نوع کاربرد و سیالات مورد استفاده طراحی می‌شوند. در ادامه، مهم‌ترین انواع آن‌ها را معرفی می‌کنیم:

۱. مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)

پرکاربردترین نوع در صنایع نفت، گاز و نیروگاه‌ها است. این مبدل از چندین لوله‌ی داخلی تشکیل شده که یک سیال از داخل آن‌ها و سیال دیگر از فضای اطراف (پوسته) عبور می‌کند.

مزایا:

• تحمل فشار و دمای بالا
• امکان تعمیر و تمیزکاری
• طراحی قابل توسعه

معایب:

• ابعاد بزرگ و وزن زیاد
• هزینه ساخت بالا

استانداردهای طراحی این نوع مبدل معمولاً بر اساس TEMA و ASME Section VIII انجام می‌شود.

۲. مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger)

این نوع از چندین صفحه‌ی فلزی نازک و موج‌دار تشکیل شده که سیالات در کانال‌های متناوب بین صفحات جریان دارند. انتقال حرارت در این نوع بسیار مؤثر است زیرا سطح تماس زیاد است.

انواع رایج:

• واشردار (Gasketed): قابل باز شدن و تمیزکاری.
• جوشی و لحیمی (Brazed & Welded): فشرده‌تر، مناسب برای فشار و دمای بالا.

کاربرد:
در صنایع غذایی، دارویی، تهویه مطبوع (HVAC) و سیستم‌های خنک‌کننده‌ی روغن.

مزیت کلیدی: راندمان بالا با ابعاد کوچک‌تر نسبت به نوع پوسته و لوله.

۳. مبدل حرارتی هوایی (Air Cooled Heat Exchanger)

در این مبدل، هوا به‌عنوان سیال خنک‌کننده استفاده می‌شود و جریان سیال داغ از داخل لوله‌ها عبور می‌کند.
فن‌ها، هوا را از میان فین‌های آلومینیومی عبور می‌دهند تا خنک‌سازی انجام شود.

کاربرد:
در پتروشیمی‌ها، پالایشگاه‌ها و نیروگاه‌ها، مخصوصاً در مناطقی که آب کمیاب است.

مزایا:

• عدم نیاز به آب
• کاهش هزینه‌های تصفیه و بازیافت

معایب:

• وابستگی به دمای محیط
• ایجاد نویز و نیاز به فضای زیاد برای تهویه

۴. مبدل حرارتی مارپیچی (Spiral Heat Exchanger)

در این نوع، دو صفحه فلزی به‌صورت مارپیچ به دور یک محور پیچیده شده‌اند. جریان سیالات در مسیرهای مارپیچی مخالف هم حرکت می‌کند که منجر به انتقال حرارت بسیار مؤثر و یکنواخت می‌شود.

ویژگی‌ها:

• طراحی جمع‌وجور
• مقاومت بالا در برابر رسوب
• مناسب برای سیالات چسبناک (مثل روغن‌ها و پساب‌ها)

۵. مبدل حرارتی دولوله‌ای (Double Pipe Heat Exchanger)

ساده‌ترین نوع مبدل حرارتی است که شامل دو لوله هم‌مرکز است.
سیال داغ در لوله‌ی داخلی و سیال سرد در فضای بین دو لوله جریان دارد.

کاربرد:
در ظرفیت‌های پایین، خطوط آزمایشگاهی و خنک‌سازی محلی.
مزیت: سادگی و هزینه ساخت پایین.

ورودی و خروجی مبدل حرارتی

نحوه‌ی ورود و خروج سیالات یکی از عوامل مهم در طراحی مبدل است.
سیالات باید به گونه‌ای وارد شوند که اختلاف دمای بیشینه ایجاد شود و در عین حال فشار سیال از حد مجاز فراتر نرود.

در مبدل‌های پوسته و لوله، ورودی‌ها از طریق فلنج و نازل‌های جوشی طراحی می‌شوند تا امکان بازرسی و تعمیر وجود داشته باشد.
در مبدل‌های صفحه‌ای، اتصالات معمولاً رزوه‌ای یا کوپلی‌اند تا نصب سریع‌تری داشته باشند.

مبدل‌های حرارتی در پتروشیمی

در واحدهای پتروشیمی، مبدل‌های حرارتی در چند نقش کلیدی ظاهر می‌شوند:

• Pre-Heater: پیش‌گرم‌کن خوراک پیش از واکنش.
• Reboiler: تأمین حرارت در برج‌های تقطیر.
• Condenser: تقطیر بخارهای خروجی.
  Cooler: خنک کردن محصولات یا جریان بازگشتی.

به‌طور میانگین، در یک واحد پتروشیمی متوسط، بیش از ۵۰۰ مبدل حرارتی وجود دارد که وظیفه‌ی بازیافت گرما و کاهش مصرف انرژی را بر عهده دارند.

انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی

در عمل، هدف طراح افزایش ضریب انتقال حرارت کلی (U) است تا بتوان در کمترین زمان، بیشترین تبادل انرژی را انجام داد.
افزایش سرعت سیال، استفاده از فین‌ها و انتخاب جنس با رسانایی بالا (مثل مس یا استیل 304) از روش‌های مؤثر برای افزایش کارایی هستند.

همچنین جهت جریان ناهم‌سو (Counter Flow) معمولاً کارایی بیشتری نسبت به جریان هم‌سو دارد؛ زیرا اختلاف دمای متوسط در طول مسیر ثابت‌تر باقی می‌ماند.

جنس مبدل‌های حرارتی و اثر آن

انتخاب جنس مناسب تأثیر مستقیمی بر عملکرد و عمر مبدل دارد.

نگهداری و تمیزکاری مبدل‌ها

رسوب، یکی از چالش‌های بزرگ در مبدل‌هاست.
تشکیل رسوب حتی به ضخامت یک میلی‌متر می‌تواند بیش از ۱۰٪ کاهش در انتقال حرارت ایجاد کند.
بنابراین باید به‌صورت دوره‌ای، از روش‌های زیر استفاده شود:

• تمیزکاری شیمیایی (CIP): با محلول‌های اسیدی یا قلیایی.
• شست‌وشوی مکانیکی: با برس یا جت آب.
• پیش‌تصفیه سیالات: برای جلوگیری از تجمع ذرات معلق.

جدول مقایسه مزایا و معایب انواع مبدل‌ها

سخن آخر

مبدل‌های حرارتی یکی از حیاتی‌ترین اجزای سیستم‌های صنعتی هستند. شناخت انواع آن‌ها، نحوه عملکرد و شرایط کاربرد، برای هر مهندس فرایند یا تأسیسات ضروری است. در سال‌های اخیر، تمرکز مهندسان بر افزایش بازده انرژی و کاهش آلایندگی است.  مبدل‌های جدید با طراحی Microchannel یا Compact Heat Exchanger راندمان بالاتر و حجم کوچک‌تری دارند.  همچنین در صنایع پتروشیمی مدرن، از سیستم‌های Heat Integration برای بازیافت حرارت و صرفه‌جویی در سوخت استفاده می‌شود. با انتخاب درست نوع مبدل و نگهداری اصولی، می‌توان عمر مفید دستگاه را افزایش داد، مصرف انرژی را کاهش داد و بازده کل سیستم را بالا برد. به زبان ساده: مبدل حرارتی قلب سیستم انتقال انرژی است — اگر درست کار کند، کل فرآیند صنعتی با کمترین اتلاف انرژی ادامه می‌یابد.