تعریف مبدل حرارتی
مبدل حرارتی دستگاه یا سیستمی است که برای انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر طراحی شده است. مبدل های حرارتی به طور گسترده در صنایع و کاربردهای مختلف برای تبادل موثر انرژی حرارتی بین سیالات (مایعات یا گازها) بدون مخلوط کردن آنها استفاده می شود. آنها اجزای ضروری در سیستم های گرمایش، سرمایش و بازیابی انرژی هستند.
گروه صنعتی اکسرژی زیر مجموعه گروه طراحان کالا چند سالیست فعالیت خود را در زمینه تولید انواع مبدل های لوله ای و صفحه ای و صفحه گسترده آغاز نموه است. انواع مبدل های تولیدی توسط این گروه در یک چارت مشخص شده است.
تاریخچه
تاریخچه مبدل های حرارتی به دوران باستان باز می گردد، اگرچه توسعه فناوری مبدل های حرارتی مدرن در طول قرن ها به طور قابل توجهی تکامل یافته است. در اینجا مروری کوتاه بر نقاط عطف تاریخی در توسعه مبدل های حرارتی است.
تاریخچه آنها داستانی از نوآوری و بهبود مستمر است که ناشی از نیاز به بهره وری انرژی، مدیریت حرارتی بهتر و گسترش فرآیندهای صنعتی است. مبدل‌های حرارتی جزء لاینفک زندگی مدرن شده‌اند و نقش مهمی در حفظ آسایش، حفظ مواد غذایی و تسهیل فرآیندهای صنعتی ایفا می‌کنند.
تبادل حرارت باستانی:
مفهوم تبادل گرما را می توان در تمدن های باستانی جستجو کرد. برای مثال، رومیان و یونانیان باستان از سیستمی استفاده می کردند که لوله‌هایی برای گردش آب گرم در زیر طبقات ساختمان‌های خود استفاده می‌کردند که نوعی گرمایش تابشی را فراهم می‌کرد. به طور مشابه، فرهنگ های مختلف با استفاده از تکنیک های خنک کننده تبخیری، سیستم های ابتدایی را برای خنک سازی و تبرید توسعه دادند.
انقلاب صنعتی اولیه:
انقلاب صنعتی در اواخر قرن 18 و اوایل قرن 19 نیاز به سیستم های تبادل حرارتی کارآمدتر در صنایعی مانند نساجی، فرآوری مواد غذایی و متالورژی را برانگیخت. مبدل های حرارتی ساده، اغلب بر اساس مفهوم عبور سیالات از سیم پیچ ها یا لوله ها، در این دوره توسعه یافتند.
توسعه مبدل های حرارتی پوسته و لوله:
مبدل حرارتی پوسته و لوله، یکی از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی، در اواسط قرن نوزدهم شاهد پیشرفت چشمگیری بود. مهندسان و مخترعانی مانند ساموئل هال و ریچارد سلیگمن سهم قابل توجهی در این فناوری داشتند. این مبدل‌های حرارتی دارای دسته‌ای از لوله‌ها در داخل یک پوسته بودند که امکان انتقال حرارت کارآمد بین دو سیال را فراهم می‌کرد.
مبدل های حرارتی صفحه ای:
توسعه مبدل های حرارتی صفحه ای در اواخر قرن نوزدهم آغاز شد. نسخه های اولیه از صفحات فلزی با الگوها برای ایجاد کانال های جریان برای سیالات استفاده می کردند. مبدل های حرارتی صفحه ای طرح های فشرده و انتقال حرارت کارآمد را ارائه می دهند.
پیشرفت‌ها در تبرید:
قرن نوزدهم همچنین شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در فناوری تبرید بود، با مخترعانی مانند Jacob Perkins و John Gorrie که در استفاده از مبدل‌های حرارتی در سیستم‌های خنک‌کننده پیشگام بودند. این پیشرفت ها پایه و اساس سیستم های تبرید و تهویه مطبوع مدرن را گذاشت.
نوآوری های قرن بیستم:
قرن بیستم نوآوری های بیشتری در طراحی و مواد مبدل حرارتی به ارمغان آورد. آلومینیوم و فولاد ضد زنگ به مواد رایج برای ساخت مبدل های حرارتی تبدیل شدند و آنها را بادوام تر و مقاوم تر در برابر خوردگی ساختند. مهندسان طرح های مبدل حرارتی تخصصی تری را برای صنایع و کاربردهای مختلف توسعه دادند.
مبدل های حرارتی در اکتشاف فضا:
مبدل های حرارتی نقش مهمی در صنعت هوافضا، به ویژه در توسعه فضاپیماها و لباس های فضایی داشتند. این مبدل‌های حرارتی به مدیریت دمای شدید در محیط سخت فضا کمک می‌کنند.
فناوری مبدل های حرارتی مدرن:
امروزه مبدل های حرارتی اجزای ضروری در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، تهویه مطبوع، تولید برق و تولید هستند. پیشرفت در مدل سازی کامپیوتری و علم مواد منجر به طراحی مبدل های حرارتی بسیار کارآمد و تخصصی شده است.
سیستم های HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع):
- مبدل های حرارتی به انتقال گرما بین هوای داخل و خارج، بهبود بهره وری انرژی و حفظ دمای راحت داخلی کمک می کنند.
تبرید و تهویه مطبوع:
- در اواپراتورها و کندانسورها برای حذف گرما از مبردها یا خنک کننده ها استفاده می شود.
صنایع فرآیندی:
- در کارخانه های شیمیایی، پتروشیمی و تولیدی از مبدل های حرارتی برای فرآیندهای مختلف از جمله گرمایش، سرمایش، چگالش و تبخیر سیالات استفاده می شود.
تولید برق:
- مبدل های حرارتی در نیروگاه ها برای خنک کردن بخار در توربین های بخار یا بازیابی گرمای هدر رفته از گازهای خروجی استفاده می شوند.
خودرو:
- رادیاتورها در وسایل نقلیه نوعی مبدل حرارتی هستند که با انتقال گرما به هوای اطراف به خنک شدن مایع خنک کننده موتور کمک می کنند.
سیستم های انرژی تجدیدپذیر:
- مبدل های حرارتی در سیستم های انرژی زمین گرمایی، حرارتی خورشیدی و زیست توده برای جذب و انتقال انرژی حرارتی برای برق یا گرمایش نقش دارند.
انواع مختلفی از مبدل های حرارتی از جمله مبدل های حرارتی پوسته ای، صفحه ای، لوله ای پره ای و دو لوله ای و غیره وجود دارد. نوع خاص انتخاب شده به عواملی
مانند کاربرد، شرایط عملیاتی و راندمان انتقال حرارت مورد نیاز بستگی دارد.
مبدل های حرارتی برای بهبود بهره وری انرژی، کاهش مصرف انرژی و حفظ شرایط دمایی بهینه در فرآیندها و سیستم های صنعتی مختلف حیاتی هستند.
چگونه کار می کند؟
بر اساس اصل انتقال انرژی حرارتی از یک سیال (یا جامد) به مایع دیگر بدون مخلوط کردن آنها کار می کنند. هدف این است که یکی از سیالات را با استفاده از انرژی حرارتی دیگری گرم یا خنک کنیم. در اینجا یک توضیح کلی در مورد نحوه عملکرد آنها آورده شده است:
جریان سیال:
مبدل های حرارتی شامل دو جریان سیال هستند که اغلب به عنوان سیال گرم و سیال سرد شناخته می شوند. این سیالات در کانال ها یا گذرگاه های مجزا در داخل مبدل جریان دارند. سیال گرم سیالی است که گرمای خود را به سیال سرد منتقل می کند.
سطح انتقال حرارت:
در داخل مبدل حرارتی، یک سطح انتقال حرارت وجود دارد که دو جریان سیال را از هم جدا می کند. این سطح با توجه به نوع مبدل می تواند اشکال مختلفی مانند لوله، صفحه یا باله داشته باشد.
تبادل حرارتی:
با جریان یافتن سیال داغ بر روی سطح انتقال حرارت، انرژی حرارتی خود را به سطح منتقل می کند. این انرژی از طریق سطح به سیال سرد در طرف دیگر هدایت می شود.
تفاوت دما:
اختلاف دما بین سیال گرم و سیال سرد یک نیروی محرکه برای انتقال حرارت است. گرما به طور طبیعی از سیال گرمتر به سیال سردتر جریان می یابد تا زمانی که به تعادل حرارتی برسد.
انواع جریان در مبدل های حرارتی
جریان مخالف یا موازی:
کلیه مبدلها را می توان به دو صورت جریان مخالف یا جریان موازی طراحی کرد. در جریان مخالف، سیال داغ در یک جهت جریان دارد در حالی که سیال سرد در جهت مخالف جریان دارد. در جریان موازی، هر دو سیال در یک جهت جریان دارند. مبدل های حرارتی ضد جریان معمولاً در انتقال گرما کارآمدتر هستند.
جداسازی مایعات:
حفظ جدایی بین دو مایع برای جلوگیری از اختلاط بسیار مهم است. سطح انتقال حرارت تضمین می کند که آنها از نظر فیزیکی از هم جدا می مانند و در عین حال اجازه عبور گرما را می دهد.
راندمان
کارایی یک مبدل حرارتی به عواملی مانند طراحی، مواد مورد استفاده و نرخ جریان سیالات بستگی دارد. مبدل های حرارتی کارآمد، انتقال حرارت را به حداکثر می رساند در حالی که افت فشار و تلفات انرژی را به حداقل می رساند.
کاربردها
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف کاربرد دارند. به عنوان مثال، در رادیاتور یک ماشین، مایع خنک کننده داغ موتور از طریق لوله ها جریان می یابد و هوا از روی لوله ها عبور می کند و گرما را به هوا منتقل می کند. در سیستم‌های تهویه مطبوع، مبدل‌های حرارتی با انتقال گرما بین جریان‌های هوای داخل و خارج، به حالت‌دهی هوا کمک می‌کنند. در فرآیندهای صنعتی برای کارهایی مانند گازهای خنک کننده یا حرارت دادن مایعات استفاده می شود.
انواع مبدل های حرارتی
انواع مختلفی از مبدل های حرارتی وجود دارد که هر کدام دارای طراحی و مزایای خاص خود هستند که برای کاربردهای خاص مناسب هستند. در اینجا به چند مورد اشاره می کنیم:
پوسته و لوله:
- این یکی از رایج ترین و همه کاره ترین انواع مبدل های حرارتی است.
- این شامل یک دسته لوله است که در یک پوسته استوانه ای قرار گرفته اند.
- یک سیال از طریق لوله ها (سیال سمت لوله) جریان می یابد، در حالی که سیال دیگری از بیرون لوله ها (سیال سمت پوسته) جریان می یابد.
- مبدل های حرارتی پوسته و لوله به دلیل طراحی قوی و انتقال حرارت کارآمد در صنایع و کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.
صفحه ای:
- مبدل های صفحه ای از چندین صفحه فلزی نازک و موجدار تشکیل شده اند که روی هم چیده شده اند.
- سیالات از میان شکاف‌های بین صفحات جریان می‌یابند و امکان انتقال حرارت کارآمد را فراهم می‌کنند.
- آنها جمع و جور، سبک وزن هستند و برای کاربردهایی با نرخ انتقال حرارت بالا، مانند سیستم های HVAC، تبرید و فرآوری مواد غذایی مناسب هستند.
Finned-Tube:
- مبدل های لوله پره دار دارای لوله هایی هستند که باله ها یا سطوح کشیده به آنها متصل شده اند.
- باله ها سطح انتقال حرارت را افزایش می دهند و راندمان انتقال حرارت را افزایش می دهند.
- اینها معمولاً در سیستم های خنک کننده و گرمایشی مانند رادیاتورها و کندانسورهای تهویه مطبوع استفاده می شوند.
دو لوله:
- مبدل های دو لوله از دو لوله متحدالمرکز تشکیل شده اند که یکی در داخل دیگری قرار دارد.
- یک سیال از طریق لوله داخلی جریان می یابد، در حالی که دیگری از طریق فضای حلقوی بین لوله های داخلی و خارجی جریان می یابد.
- آنها در طراحی ساده هستند و اغلب برای نیازهای انتقال حرارت کم تا متوسط استفاده می شوند.
مارپیچی:
- مبدل های مارپیچی دارای دو کانال مسطح و مارپیچی شکل هستند که روی هم قرار گرفته اند.
- سیالات در جهات مخالف در داخل کانال ها جریان می یابند که امکان انتقال حرارت کارآمد را فراهم می کند.
- آنها در کاربردهایی که شامل رسوب زیاد یا سیالات ویسکوز هستند استفاده می شوند.
صفحه-فین:
- مبدل‌های باله‌ای صفحه‌ای از دسته‌ای از صفحات مسطح با پره‌هایی تشکیل شده‌اند که سیالات را از هم جدا می‌کنند.
- آنها معمولاً در کاربردهای هوافضا از جمله موتورهای هواپیما و خنک کننده های روغن استفاده می شوند.
هوا به هوا (تهویه بازیابی حرارت – HRV):
- این مبدل ها گرما را بین دو جریان هوا، اغلب در سیستم های HVAC مسکونی و تجاری، انتقال می دهند.
- آنها گرما را از هوای خروجی بازیابی می کنند و آن را به هوای تازه ورودی منتقل می کنند و بازده انرژی را بهبود می بخشند.
احیا کننده:
مبدل های احیا کننده برای جذب و ذخیره انرژی گرمایی طراحی شده اند.
- آنها معمولاً در فرآیندهای صنعتی برای پیش گرم کردن یا خنک کردن گازها استفاده می شوند و آنها را از نظر انرژی کارآمدتر می کند.
سطح خراشیده دینامیک:
- این مبدل ها برای پردازش مواد با ویسکوزیته بالا یا چسبنده مانند محصولات غذایی یا پلیمرها طراحی شده اند.
- آنها دارای یک عنصر چرخان (خراش دهنده) برای افزایش انتقال حرارت و جلوگیری از رسوب می باشند.
انتخاب نوع مبدل حرارتی به عواملی مانند الزامات خاص برنامه، راندمان انتقال حرارت، محدودیت‌های فضا و ویژگی‌های سیالات درگیر بستگی دارد. بر اساس این ملاحظات، صنایع و کاربردهای مختلف ممکن است یک نوع را بر دیگری ترجیح دهید.
