مبدل‌ حرارتی چه نقشی در سیستم‌های سرمایشی دارد؟

مبدل حرارتی وسیله‌ای است که برای تبادل گرما بین یک ماده با ماده‌ای دیگر طراحی شده است. هنگامی که در مبدل حرارتی یک سیال استفاده می‌شود، این سیال می‌تواند مایع – مانند آب یا روغن- و یا هوای در حال حرکت باشد. یکی از شناخته شده‌ترین مبدل‌های حرارتی، رادیاتور خودرو می‌باشد. در رادیاتور، آب و اتیلن گلیکول – که به عنوان ضدیخ استفاده می‌شود – گرمای موتور را به رادیاتور و از طریق آن به هوای محیط انتقال می‌دهند. این فرایند از گرم شدن بیش از حد خودرو جلوگیری می‌کند.

مبدل حرارتی دارای انواع هوا خنک، لوله‌ای، پوسته و لوله، صفحه‌ای است. انواع مختلف هر دسته از مبدل‌های حرارتی در بخش‌های متنوعی از صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مبدل حرارتی فن دار یا درای کولر

مبدل حرارتی درای کولر، دارای تعدادی کویل است که سیال داغ و یا سرد از درون این کویل‌ها عبور می‌کند. برای سرد کردن سیال داغ، هوا با شدت، به وسیله‌ی تعدادی فن از روی کویل‌های حاوی سیال داغ عبور داده می‌شود. در اثر این اقدام، سیال داغ درون کویل، گرما از دست داده و سرد می‌شود. متداول‌ترین مثال از این نوع مبدل حرارتی، رادیاتور اتومبیل است. درصورت عبور سیال سرد از درون کویل، جریان هوای حول این کویل‌ها موجب انتقال گرما از محیط به سیال می‌شود و درنتیجه محیط سردتر و سیال گرمتر می‌شود.

در سیستم‌های تبرید مانند سردخانه و یخچال، از دو دستگاه به نام اواپراتور و کندانسور استفاده می‌شود که در واقع نوعی مبدل حرارتی فن دار هستند. در condenser، گاز داغ خروجی از کمپرسور، وارد کویل‌های کندانسور می‌شود و در تماس با جریان هوای ایجاد شده توسط فن‌های کندانسور، سرد می‌شود. در evaporator نیز مایع سرد خروجی از شیر انبساط، وارد کویل‌ شده و در تماس با جریان هوای ایجاد شده توسط فن، گرمای محیط را جذب کرده و آن محیط را سرد می‌کند. در چیلر هوا خنک نیز از مبدل حرارتی هوا خنک به عنوان کندانسور استفاده می‌گردد.

مبدل حرارتی صفحه‌ای

مبدل حرارتی صفحه‌ای شامل تعدادی صفحه موازی هم است که یکی پس از دیگری روی هم قرار گرفته‌اند به طوری که امکان جریان یافتن سیال در بین آن‌ها وجود دارد. فضای خالی بین هر دو صفحه مجاور، کانالی را برای جریان سیال فراهم می‌سازد.

سوراخ‌های ورودی و خروجی در گوشه‌های صفحات به سیال گرم و سیال سرد اجازه می‌دهند که در کانال‌های پشت سر هم جریان یابند به طوری که هر صفحه همواره از یک طرف با جریان گرم و از طرف دیگر با جریان سرد در تماس باشد و به این ترتیب امکان تبادل حرارت بین دو جریان به وجود می‌آید. به منظور افزایش آشفتگی جریان، سطح تبادل حرارت و استحکام مکانیکی، صفحات مبدل حرارتی صفحه‌ای را به صورت موج‌دار می‌سازند.

در سیستم‌های سرمایشی، مبدل حرارتی صفحه‌ای به عنوان اواپراتور در چیلر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مبدل حرارتی صفحه‌ای گسکت‌دار

 در این نوع مبدل از گسکت (واشر) برای آب‌بندی صفحات و جلوگیری از نشت آب استفاده می‌شود. صفحات را در این مبدل برای تمیز کردن و اهداف دیگر می‌توان به‌راحتی بیرون آورد بنابراین هزینه‌های تعمیر و نگهداری به شدت پایین می‌آید.

مبدل حرارتی صفحه‌ای ریخته‌گری

 این نوع مبدل در بسیاری از کاربردهای صنعتی و تبرید استفاده می‌شود. به دلیل ترکیب صفحات از جنس فولاد ضد زنگ با ریخته‌گری مس، مقاومت بالایی در برابر خوردگی وجود دارد. این مبدل‌ها به دلیل بهره‌وری بالا و فشرده بودن، از نظر اقتصادی انتخاب به صرفه‌ای محسوب می‌شوند.

مبدل حرارتی صفحه‌ای جوش داده شده

 این مبدل‌ها شبیه مبدل های گسکت‌دار هستند با این تفاوت که در آن‌ها به جای گسکت (واشر) از جوش استفاده می‌شود. مبدل‌های جوشی بسیار بادوام هستند و برای انتقال سیالات با دمای بالا یا مواد خورنده ایده‌آل هستند. چون صفحات به یکدیگر جوش داده شده‌اند، امکان تمیزکاری مکانیکی آن‌ها وجود ندارد.

مبدل‌ حرارتی صفحه‌ای نیمه جوش

این مبدل‌ها ترکیبی از مبدل‌های گسکت‌دار و جوش داده شده هستند. یک جفت از صفحات با گسکت به یکدیگر متصل می‌شوند و این جفت به دو جفت دیگر جوش داده می‌شوند. بدین ترتیب مسیر یکی از دو سیال گسکت‌دار و مسیر دیگر جوشی می‌باشد. مزیت این مبدل در این است که می‌توان یکی از دو مسیر را به راحتی سرویس کرد و از مسیر دیگر برای انتقال سیال قوی استفاده کرد. مبدل‌های نیمه جوش برای انتقال مواد گران با ریسک پایین از دست دادن سیال، مناسب هستند.

مبدل حرارتی لوله‌ای

مبدل حرارتی لوله‌ای از دو لوله هم‌مرکز تشکیل شده است که در آن تبادل حرارت بین سیال مبرد که در لوله خارجی و سیال کاری که در لوله داخلی جریان دارد انجام می‌شود. جهت جریان در دو لوله مخالف یکدیگر می‌باشد. این مبدل‌ها امکان خنک شدن سریع سیال کاری را فراهم می‌سازند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب)

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله بیشترین کاربرد را در صنعت دارند. این مبدل‌ها از دسته‌ای از لوله‌ها درون یک پوسته استوانه‌ای‌ شکل تشکیل شده‌اند. از داخل لوله‌ها یک سیال و از بیرون از آن‌ها یعنی از داخل پوسته استوانه‌ای‌شکل، یک سیال دیگر عبور می‌کند و تبادل حرارت بین دو جریان سیال از طریق دیواره لوله‌ها صورت می‌گیرد. به علت ساختار مستحکم این مبدل‌های حرارتی، گستره وسیعی از دماها و فشارها توسط آن‌ها قابل تحمل است. همچنین قابلیت تمیزکاری و تعمیر آن‌ها بالاست.

در صنعت سرمایش، از مبدل حرارتی پوسته و لوله به عنوان اواپراتور و کندانسور در چیلر آب خنک استفاده می‌شود. همچنین در چیلر هوا خنک، از اواپراتور پوسته و لوله استفاده می‌گردد.

مهمترین اجزاء مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

لوله‌ها که از جنس مس، استیل و… می‌باشند و ممکن است به شکل مستقیم یا به شکل خمیده U ساخته شوند. تعداد پاس در این نوع مبدل‌ها تعداد مسیرهای رفت و برگشتی است که سیال از ورود به لوله تا خروج از آن طی می‌کند. بیشتر مبدل‌های پوسته و لوله در طرح‌های 1،2 یا 4 پاس ساخته می‌شوند.

تیوب شیت که در ابتدا و انتهای هر لوله برای مهار و آب‌بندی استفاده می‌شوند.

برای به‌وجود آمدن جریان مغشوش در پوسته استوانه‌ای‌شکل، از صفحاتی به نام بافل استفاده می‌شود. با این کار راندمان انتقال حرارت به حداکثر مقدار خود می‌رسد.

اجزای مبدل حرارتی

اجزای عمده و اصلی مبدل‌های حرارتی صنعتی عبارتند از لوله‌ها و سرهای جلو و عقب. لوله‌ها شاید مهم‌ترین جزء مبدل‌های حرارتی به‌شمار روند. آن‌ها برای انتقال سیالات به کار می‌روند. لوله‌ها ممکن است جوش داده شوند یا بدون درز باشند؛ اما روش جوش دادن اقتصادی‌تر است. بیشتر مبدل‌های حرارتی لوله‌هایی با قطر 8/5 اینچ، 4/3 اینچ و یا 1 اینچ دارند. بعضی از مبدل‌های حرارتی لوله‌های با قطر کمتر دارند ولی باید دقت شود که تمیز کردن آن‌ها دشوارتر است. در مواردی که افت فشار کمتری بخواهیم، باید از لوله‌های با قطر بزرگتر استفاده کنیم. تمام لوله‌ها همراه با هم داخل یک پوسته نگهداری می‌شوند.

سرهای جلو و عقب در جاهایی قرار دارند که مایع وارد یا خارج می‌شود. مایع از سر جلویی وارد و از سر عقب خارج می‌شود.