مبدل حرارتی Heat Exchanger و انواع آن 

مبدل حرارتی Heat Exchanger تجهیزی است که بوسیله آن عمل انتقال حرارت و تبادل گرما بین دو سیال که در دماهای متفاوت هستند، برقرار می‌گردد. انتقال حرارت می‌تواند بین دو سیال مایع - مایع، مایع - گاز، و گاز - گاز، صورت پذیرد.














مبدل حرارتی Heat Exchanger در بین تجهیزات فرایندی از جمله پرکاربردترین دستگاهها در صنایع مختلف به حساب می‌آیند و از انواع آنها جهت مقاصد گوناگون انتقال حرارت در محیط‌های صنعتی استفاده می‌شود.
 
 طبقه بندی مبدل حرارتی Heat Exchanger

 مبدل حرارتی Heat Exchanger را با توجه به جنبه‌های گوناگون عملکردی می‌توان بصورت زیر طبقه بندی کرد:
·      تقسیم بندی از نظر نوع فرایند انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم (تماس مستقیم، غیر مستقیم)
·      تقسیم بندی از نظر جهت جریان سیال سرد و گرم (هم جهت، مخالف جهت، جریان متقاطع)
·       تقسیم بندی از نظر مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم (یک فاز، دو فاز)
·      تقسیم بندی از نظر نوع کاربرد بر اساس استاندارد TEMA
·      تقسیم بندی از نظر طراحی ساختمان هندسی و ساختار مکانیکی (لوله‌ای، صفحه‌ای، پره‌ای)


تقسیم بندی  انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger از نظر نوع فرایند انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم

بر این اساس مبدل‌های حرارتی در سه گروه زیر قرار می‌گیرند:
·      مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع بهبودی بخش (Recuperative)
·      مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع احیاء کننده (Regenerative)
·      مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع تماس مستقیم (Direct Contact )

الف. مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع بهبودی بخش: در این نوع مبدل ها، سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال حرارت از طریق سطح مذكور بصورت غیر مستقیم صورت می‌گیرد.

ب. مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع احیاء کننده: در این نوع مبدل ها، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت‌هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می‌گیرند. این نوع مبدل‌ها بیشتر در مقیاس‌های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ج. مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع تماس مستقیم: در این نوع مبدل‌های حرارتی، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده (هیچ دیواره‌ای بین جریانهای سرد و گرم وجود ندارد) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می‌گیرد. در مبدل حرارتی Heat Exchanger تماس مستقیم، جریانها شامل دو مایع غير قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل‌ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. از این مبدل‌ها می‌توان به برج‌های خنک کننده، کولرهای آبی و گرم کن‌های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه‌های بخار اشاره کرد.
 
 تقسیم بندی انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger از نظر جهت جریان سیال سرد و گرم

 بر این اساس مبدل‌های حرارتی در سه گروه زیر قرار می‌گیرند:
• مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع هم جهت (Co - Current Flow)
• مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع مخالف جهت (Counter Current Flow)
• مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع جریان متقاطع (Cross Current Flow)

الف. مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع هم جهت: در این نوع مبدل‌ها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر حرکت کرده و جهت جریان سیال سرد و گرم نیز در یک جهت موافق یکدیگر می‌باشد. یعنی دو جریان سیال، از یک انتها به مبدل وارد می‌شوند و هر دو در یک جهت جریان می‌یابند و از انتهای دیگر خارج می‌شوند. نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی‌رسد. نزدیک شدن مقدار عددی در دمای مذکور مستلزم بکارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می‌باشد. در این مبدل‌ها بیشترین انتقال حرارت در ورودی لوله اتفاق می‌افتد. در بعضی مراجع و کتاب‌ها به این نوع مبدل ها، Parallel Flow به معنای جریان موازی و همسو نیز گفته می‌شود.










​​​​​​​





ب. مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع مخالف جهت: اگر جهت جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر اما بر خلاف مسیر هم باشد مبدل را جریان مخالف و یا غیر همسو می‌نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدل‌ها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدلها در شرایط یکسان، از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل‌های هم جهت برخوردار هستند. در بعضی مراجع و کتاب‌ها به این نوع مبدل‌ها، Reverse Flow  به معنای جریان معکوس نیز گفته می‌شود.


ج. مبدل حرارتی Heat Exchanger از نوع جریان متقاطع: در این نوع مبدل‌ها جهت جریان سیال‌های سرد و گرم عمود بر هم می‌باشد. به عنوان متداول ترین نمونه می‌توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. مبدل‌های فوق بسته به طراحی به دو دسته تقسیم می‌شوند که یکی بصورت پره دار با دو سیال غیر مخلوط می‌باشد و دیگری بدون پره با یک سیال غیر مخلوط و سیال دوم مخلوط است. بطور کلی سیال داخل لوله‌ها چون اجازه حرکت در راستای عرضی را نخواهد داشت غیر مخلوط است. سیال بیرونی برای لوله‌های پره دار غیر مخلوط است زیرا وجود پره‌ها مانع از جریان آن در جهتی عمود بر جهت اصلی جریان می‌شود و برای لوله‌های بی پره مخلوط است چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد.

 
تقسیم بندی انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger از نظر مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم

بر این اساس انواع مبدل حرارتی Heat Exchanger در سه گروه زیر قرار می‌گیرند:
·      یک فاز در هر دو سمت
·      یک فاز در یک سمت، دو فاز در سمت دیگر
·      دو فاز در هر دو سمت

در انواع مبدل حرارتی Heat Exchanger نظیر اکونومایزرها (مبدل‌هایی که در آن سیال از شرایط مایع مادون اشباع به سمت شرایط مایع اشباع می‌رود) و گرمکن‌های هوا در دیگ بخار، خنک کن‌های میانی در کمپرسورهای چند مرحله ای، رادیاتور خودروها، ژنراتورهاء خنک کن‌های روغن، گرم کن‌های مورد استفاده در گرمایش اطاقها و ...، در هر دو سمت سیال سرد و گرم، انتقال گرما از طریق جابجایی یک فاز اتفاق می‌افتد.

چگالنده‌ها، دیگ‌های بخار، مولدهای بخار در راکتورهای آب تحت فشار در نیروگاه‌های هسته ای، تبخیر کننده‌ها و رادیاتورهای مورد استفاده در تهویه مطبوع و گرمایش، دارای مکانیزم‌های چگالش و جوشش در یکی از سطوح مبدل‌های حرارتی می‌باشند.

همچنین انتقال گرمای دو فاز می‌تواند در هر دو سمت میدل، مانند شرایطی که چگالش در یک سمت و جوشش در سمت دیگر سطح انتقال گرما است، اتفاق بیفتد. هر چند بدون تغییر فاز نیز می‌توان شکلی از انتقال گرمای جریان دو فاز داشت، همانطور که بسترهای سیال مخلوط گاز و ذرات جامد، به سطح گرمایی یا از آن سطح، گرما منتقل می‌کنند.

در کوره‌ها و بویلرها مکانیزم انتقال حرارت از نوع تشعشعی می‌باشد. از جمله مبدل‌هایی که مکانیزم انتقال حرارت در آنها بصورت ترکیبی از جابجایی و هدایت صورت می‌پذیرد می‌توان به مبدل‌های پوسته و لوله‌ای اشاره کرد.
 
 تقسیم بندی  انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger از نظر نوع کاربرد بر اساس استاندارد TEMA

·      گروه B: مبدل‌هایی که جهت استفاده در صنایع شیمیایی بکار می‌روند.
·      گروه C: مبدل‌هایی که جهت استفاده در کاربردهای عمومی و تجاری بکار می‌روند.
·      گروه R: مبدل‌هایی که جهت استفاده در صنایع نفت بکار می‌روند.

 تقسیم بندی انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger از نظر طراحی ساختمان هندسی و ساختار مکانیکی

بر این اساس مبدل‌های حرارتی در سه گروه زیر قرار می‌گیرند:
• انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger لوله‌ای (Tube Type)
• انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger صفحه‌ای (Plate Type)
• انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger با سطوح پره دار (Fin Type)

مبدل‌های مقاوم در برابر خوردگی نیز در این تقسیم بندی گنجانده شده اند. این مبدل‌ها را بر اساس نوع پوشش دهی (Coating) که در آنها بکار رفته است به سه دسته Teflon, Glass Graphite تقسیم بندی می‌کنند که بر اساس شرایط عملیاتی می‌توانند بکار گرفته شوند.














مبدل‌های دیگری نیز وجود دارند که دارای کاربردهای ویژه و خاص می‌باشند که می‌توان به مبدل‌های Electrically Heated اشاره کرد.


 انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger بر اساس ساختار هندسی

 انواع مبدل‌های حرارتی که بر اساس ساختار هندسی تقسیم بندی می‌شوند بصورت زیر می باشد:

1. انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger لوله‌ای شامل:
·      پوسته و لوله‌ای (Shell and Tube )
·      دو لوله‌ای (Double Pipe)
·      مارپیچ یا حلزونی (Spiral Tube)

٢. انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger صفحه‌ای شامل :
·      صفحه‌ای واشر دار (Gasket Plate)
·      صفحه‌ای مارپیچ یا حلزونی (Spiral Plate)
·      صفحه‌ای لایه‌ای (Lanella)

٣. انواع مبدل‌ حرارتی Heat Exchanger با سطوح پره دار شامل:
·      صفحه‌ای پره دار (Fin Plate)
·      لوله‌ای پره دار (Fin Tube)