مروری بر انواع مبدلهای حرارتی، کاربرد آنها در صنعت و انتخاب مبدل حرارتی مناسب

مبدلهای حرارتی تجهیزاتی مهم در بسیاری از فرآیندهای صنعتی هستند که وظیفه حیاتی و حساس انتقال انرژی گرمایی (حرارت) را بین سیالات مختلف فرآیند انجام میدهند. انتخاب مبدل حرارتی مناسب برای هر فرآیند از جنبه های مختلف برای مهندسان حائز اهمیت است. فضای اشغالی، راندمان، الزامات تعمیر و نگهداری و عمکلرد کلی سیستم برخی از مواردی است که در انتخاب نوع مبدل حرارتی موثر است. این مقاله شما را با انواع مبدلهای حرارتی، کاربرد آنها، معایب و مزایای هر کدام آشنا کرده و نهایتا در امر انتخاب گزینه بهینه برای نیازمندیهای خاص مد نظر، شما را راهنمایی میکند.

انواع مبدلهای حرارتی رایج در صنایع

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (STHE):

مبدلهای حرارتی پوسته و لوله به دلیل تطبیق پذیری و طراحی مستحکم، پرکاربردترین نوع مبدلهای حرارتی هستند. ساختار آنها متشکل از یک پوسته استوانه ای شکل است که دسته ای از تیوب ها (Tube bundle) را در بر گرفته است. یک سیال درون تیوبها و سیال دیگر روی آنها و در درون پوسته جریان می یابد. اختلاف دمای موجود بین سیالات باعث انتقال حرارت از طریق دیواره تیوبها میشود.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (PHE):

• مناسب برای: سیالات با فشار و دمای بالا (فشار تا چند صد بار و دما تا بیش از ۸۰۰ درجه سانتیگراد)، سیالات فرآیندی متنوع (آب، روغن، مواد شیمیایی و …).
• کاربردها: نیروگاهها، پالایشگاهها، کارخانجات تولید کننده مواد شیمیایی، چیلرهای ظرفیت بالا.
• مزایا: بسیار انطباق پذیر، قابلیت استفاده در گستره وسیعی از دما و فشار، کاملا استاندارد سازی شده به دلیل سابقه طولانی در صنایع.
• معایب: اندازه بزرگ و حجم اشغالی زیاد، تعمیر و نگهداری دشوار، مستعد رسوب شدید در برخی کاربردهای خاص، راندمان پایین در مقایسه با مبدلهای حرارتی صفحه ای.
• مثال کاربردی: ریبویلر آمین در برج شیرین سازی گاز طبیعی، کندانسور آبی در چیلرهای ظرفیت بالا.

این نوع مبدلهای حرارتی به دلیل انتقال حرارت کارآمد در فضاهای محدود، انتخابی محبوب هستند. برخلاف مبدل‌های پوسته و لوله، آن‌ها از مجموعه‌ای از صفحات فلزی نازک و شیاردار استفاده می‌کنند. سیالات گرم و سرد در بین کانال‌های متناوبی که توسط این صفحات تشکیل شده است، جریان می‌یابند. طراحی فشرده و جمع و جور آنها سبب شده که گزینه ایده آلی برای مکانهای با محدودیت فضا و سطح باشند.

در حالی که مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (PHE) از یک اصل طراحی پایه یعنی استفاده از صفحات فلزی موج‌دار برای انتقال حرارت کارآمد بهره می‌برند، برای پاسخگویی به نیازهای خاص، انواع مختلفی از آن‌ها وجود دارد. در اینجا به بررسی برخی از انواع برجسته پرداخته‌ایم:

۱- مبدل‌ حرارتی صفحه‌ای واشردار (GPHE):

این نوع مبدلهای حرارتی صفحه ای پرکاربردترین نوع آن هستند که در اندازه ها و ظرفیت های مختلف از ظرفیتهای پایین تا ظرفیتهای بسیار بالا (چند هزار لیتر بر ساعت) قابل طراحی و ساخت هستند. آب بندی کانالهای سیال در این نوع مبدلهای صفحه ای به وسیله واشرها یا گسکتهای لاستیکی انجام میشود. برای اطلاعات بیشتر به صفحه مبدل حرارتی صفحه ای واشردار (GPHE) مراجعه کنید.

• مناسب برای: فشار کم تا متوسط (تا ۲۵ بار)، دمای متوسط (تا حداکثر ۲۰۰ درجه سانتیگراد).
• کاربردها: سیستم‌های تهویه مطبوع، فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی، خنک‌کاری صنعتی.
• مزایا: جداسازی آسان برای تمیز کردن یا نگهداری، راندمان بالا، فضای اشغالی بسیار کمتر در مقایسه با مبدلهای پوسته و لوله.
• معایب: واشرها می‌توانند با گذشت زمان تجزیه شوند و به طور بالقوه قابلیت‌های فشار و دما را محدود کنند.
• مثال کاربردی: خنک کردن روغن روانکار توربینها در نیروگاههای گازی.

۲- مبدل‌ حرارتی صفحه‌ای بریز (BPHE):

کانسپت طراحی در مبدلهای بریز مشابه مبدلهای حرارتی صفحه ای واشردار است با این تفاوت که صفحات فلزی با استفاده از فیلر مس و تحت فرآیند بریزینگ تحت خلا و دمای بالا به صورت دائم به هم متصل شده و ساختاری یکپارچه را تشکیل داده اند. برای مطالعه بیشتر در این خصوص به صفحه مبدل حرارتی صفحه ای بریز (BPHE) مراجعه کنید.

• مناسب برای: فشار متوسط (تا ۴۵ بار)، دمای متوسط تا بالا (تا ۲۲۰ درجه سانتیگراد)، سیالات تمیز (آب، مبردها).
• کاربردها: سیستم‌های تهویه مطبوع (کاربردهای با بازده بالا)، خنک کاری روغن هیدرولیک، استیم هیتر، تبرید.
• مزایا: ضد نشتی به دلیل لحیم کاری صفحات، توانایی تحمل فشار و دمای بالاتر نسبت به مبدلهای واشردار.
• معایب: اتصال دائمی صفحات وعدم امکان جداسازی برای تمیز کردن، برای سیالات حاوی ذرات مناسب نیست.
• مثال کاربردی: اواپراتور چیلر، گرم کردن آب گرم مصرفی با استفاده از سیستم گرمایش خورشیدی.

۳- مبدل‌ حرارتی صفحه‌ای نیمه جوشی (SWPHE):

مبدلهای حرارتی صفحه ای نیمه جوشی پلی بین مبدل حرارتی صفحه ای واشردار و مبدل حرارتی صفحه ای جوشی زده اند. طراحی این نوع مبدلها به این صورت است که آب بندی سیالات به صورت یک در میان توسط جوش لیزر و گسکتهای لاستیکی انجام میشود. در صفحه مبدل حرارتی صفحه ای نیمه جوشی (SWPHE) اطلاعات بیشتری در این زمینه میتوانید به دست آورید.

• مناسب برای: ترکیبی از محدوده فشار و دما بسته به طراحی (معمولاً فشار متوسط، دمای متوسط تا بالا)، سیالات خورنده.
• کاربردها: سیستمهای آمونیاکی، فرآوری مواد شیمیایی خورنده.
• مزایا: امکان جداسازی جزئی برای تمیز کردن کانال‌های سمت واشردار را فراهم می‌کند، برای کاربردهایی با انواع سیالات مختلف مناسب است.
• مثال کاربردی: اواپراتور و کندانسور در چیلرهای آمونیاکی.

۴- مبدل‌ حرارتی جوشی صفحه و پوسته (PSHE):

در این نوع مبدلهای حرارتی یک دسته صفحه فلزی گرد تمام جوشی در داخل یک پوسته یا شل قرار میگیرد. یک سیال از فضای بین صفحات جوش خورده عبور کرده و سیال دیگر در داخل پوسته و بر روی دسته صفحه (Plate Bundle) جریان می یابد.

• مناسب برای: فشار بالا (تا ۲۰۰ بار)، دمای بالا (تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد)، سیالات بسیار تمیز (گازها، مایعات با خلوص بالا).
• کاربردها: فرآیندهای صنعتی فشار بالا، نیروگاه‌ها، سیستمهای تبرید.
• مزایا: مقاوم‌ترین نوع مبدل حرارتی صفحه ای، می‌تواند فشار و دمای شدید را تحمل کند، مناسب برای کاربردهای با فشار نوسانی.
• معایب: اتصالات دائمی مانع از جداسازی می‌شود و نیاز به روش‌های تمیزکاری تخصصی دارد.
• مثال کاربردی: پیش گرم کردن آب تغذیه دیگ بخار در نیروگاه با استفاده از بخار فشار بالا.

۵- مبدل حرارتی صفحه ای جوشی بلاک (Bloc):

این نوع از مبدلهای حرارتی جوشی از صفحات مربعی شکلی تشکیلی شده اند که با جوشکاری به صورت یک هسته یکپارچه درآمده اند؛ این هسته در داخل یک سازه مخصوص قرار گرفته و به وسیله صفحات نگهدارنده در جای خود فیکس میشود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این خصوص به صفحه مبدل حرارتی صفحه ای جوشی بلاک (AGEN-Bloc) مراجعه کنید.

• مناسب برای: فشارهای نسبتا بالا (تا ۶۰ بار)، دمای بالا، سرویسهای نیازمند تمیزکاری مداوم، سیالهای خیلی غلیظ.
• کاربردها: پالایشگاهها و پتروشیمی ها، صنایع داروسازی.
• مزایا: مناسب برای فشارهای نسبتا بالا و دمای بالا، انتقال حرارت موثر و راندمان بالا، نرخ رسوبگذاری پایین و تمیزکاری آسان.
• معایب: هزینه اولیه بالا و ساخت دشوار، حساس به کاربردهای با فشار نوسانی.
• مثال کاربردی: مبدلهای پیشگرم نفت خام در برج تقطیر نفت.

۶- مبدل حرارتی صفحه ای پیلوپلیت (Pillow-Plate):

این نوع مبدلهای حرارتی جوشی با جوش دادن دو ورق صاف به یکدیگر با الگویی خاص و سپس باد کردن فضای بین دو صفحه به وسیله فشار هیدرواستاتیک آب ساخته میشوند. سادگی و در عین حال استحکام بالای این مبدلها باعث شده تا طراحیهای متنوعی از آن برای کاربردهای مختلف در صنعت به کار گرفته شوند. برای مطالعه بیشتر در این زمینه به صفحه مبدلهای حرارتی صفحه ای پیلوپلیت (Pillow-Plate) مراجعه کنید.

• مناسب برای: فشار و دمای بالا، کاربردهای مایع/مایع، مایع/گاز و گاز/گاز، سیالات با ویسکوزیته زیاد.
• کاربردها: صنایع غذایی، تهویه مطبوع، نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع شیمیایی، پالپ و کاغذ، صنایع دارویی.
• مزایا: راندمان حرارتی نسبتا بالا نسبت به مبدلهای لوله ای علی رغم سادگی طراحی، مقرون به صرفه بودن، مناسب برای سیالات ویسکوز، کثیف و دارای ذرات معلق زیاد.
• معایب: راندمان نسبتا پایین در مقایسه با مبدلهای حرارتی صفحه ای واشردار.
• مثال کاربردی: آیس بانک، مبدل بازیافت حرارت از اگزوز، دستگاه یخساز، مخازن دوجداره، اواپراتور فالینگ فیلم.

مبدل حرارتی حلزونی یا اسپیرال (Spiral Heat Exchanger):

طراحی مبدلهای حلزونی با مبدلهای حرارتی صفحه ای که از صفحات مجزا تشکیل شده اند متفاوت است. در این مبدل حرارتی دو ورق فلزی نواری بلند و نازک که به وسیله تعدادی استاد (Stud) از هم جدا شده اند، نورد شده و الگویی حلزونی را ایجاد میکنند. این رول حلزونی یا اسپیرال سپس درون یک شل استوانه ای قرار میگیرد و درزهای آن به منظور آب بندی جوشکاری میشود.

• مناسب برای: مناسب برای فشارهای کم تا متوسط، سیالات ویسکوز و دوغابی.
• کاربردها: تصفیه فاضلاب، صنایع پالپ و کاغذ، تولید اتانول.
• مزایا: خاصیت خود تمیز شوندکی به دلیل تنش برشی بالا، طراحی فشرده در مقایسه با معادل پوسته و لوله.
• معایب: فشار و دمای طراحی نسبتا پایین، هزینه اولیه نسبتا بالا، سرویس و نگهداری دشوار، بازده حرارتی نسبتا پایین در مقایسه با مبدل های حرارتی صفحه ای.
• مثال کاربردی: گرم کردن لجن فاضلاب در هاضم بی هوازی (Anaerobic Digester) جهت حفظ دمای بهینه برای تولید متان.

مبدلهای حرارتی هواخنک (Air-Cooled Heat Exchangers):

در صورت کمبود آب در محل، مبدلهای هواخنک گزینه مناسبی هستند. در این نوع مبدلها، هوا (سیال خنک کننده) به وسیله فن بر روی تیوبهای فین دار (Finned tubes) که حاوی سیال فرآیند است عبور کرده و آن را خنک میکند.

• مناسب برای: بار حرارتی کم تا متوسط، فضاهای باز و محلهایی که با کمبود آب مواجه اند.
• کاربردها: سیستمهای تهویه مطبوع، خنک کاری موتور (Engine)، نیروگاهها.
• مزایا: مقرون به صرفه، بدون نیاز به مصرف آب، طراحی ساده.
• معایب: وابسته به دمای محیط (محدودیت راندمان خنک کاری در محیطهای گرم)، ظرفیت انتقال حرارت پایینتر در مقایسه با گزینه های مایع-خنک.
• مثال کاربرد: کندانسر هوا-خنک چیلرهای تهویه مطبوع.

مبدلهای حرارتی پلیت فین (PFHX):

مبدلهای پلیت فین با ادغام ویژگیهای مبدلهای حرارتی صفحه ای و فین دار، عملکرد حرارتی استثنائی را در یک طراحی فشرده ارائه میدهند. صفحات فرم داده شده با پترن خاص و فین های داخلی، سطح حرارتی زیادی را فراهم میکنند. جنس این نوع مبدلها معمولا از آلیاژهای آلومینیوم است.

• مناسب برای: انتقال حرارت با بازدهی بالا، کاربردهای با محدودیت فضا، سیالات تمیز و با ویسکوزیته پایین.
• کاربردها: فرآوری گاز طبیعی، واحدهای جداسازی هوا (ASU)، کاربردهای نیازمند بازدهی بالا و افت فشار کم.
• مزایا: بسیار کارآمد، طراحی فشرده، افت فشار کم.
• معایب: فرآیند تمیزکاری پیچیده، هزینه اولیه بالا.
• مثال کاربرد: مبدل حرارتی آلومینیوم بریز (BAHX) در کلدباکس (Cold Box) واحد استحصال اتان.

مبدلهای حرارتی با سطح خراشیده شده (Scraped Surface Heat Exchangers):

مبدلهای حرارتی با سطح خراشیده شده یک گزینه ایده آل برای فرآیندهای با سیال ویسکوز، چسبنده و پر از ذرات هستند که اختصاصا برای جلوگیری از رسوبگذاری طراحی شده اند. یک محور گردان، مجهز به تیغه های خراشنده، دائما محصول جمع شده روی سطح انتقال حرارت (دیواره داخلی یک استوانه دوجداره فلزی) را جارو میکند. سیال خنک کننده در جداره استوانه جریان می یابد.

• مناسب برای: سیالات با ویسکویته بالا، کاربردهای با پتانسیل رسوبگذاری بالا، فرآیندهای همراه با کریستالیزاسیون.
• کاربردها: فرآوری مواد غذایی (مربا، سیروپ و …)، مواد بهداشتی و داروئی (کرم، پماد و …).
• مزایا: ایده آل برای سیالات ویسکوز و مستعد رسوبگذاری.
• معایب: طراحی پیچیده با قطعات متحرک که به تعمیر و نگهداری بیشتری نیاز دارد.
• مثال کاربرد: گرم کردن و خنک کردن شکلات.

راهنمای انتخاب مبدل حرارتی مناسب برای کاربرد مد نظر

انتخاب مناسب‌ترین نوع مبدل حرارتی برای کاربرد خاص شما نیازمند ارزیابی دقیق عوامل مختلف است. در اینجا یک راهنمای گام به گام برای تسهیل این فرآیند آورده شده است:

گام ۱: نیازمندیهای فرآیند خود را مشخص کنید

• خواص سیال: سیالات گرم و سرد را با ذکر نوع آنها (آب، روغن، مواد شیمیایی و غیره)، ویسکوزیته و پتانسیل رسوب‌گذاری (ایجاد رسوب جامد) مشخص کنید.
• نیازمندی‌های دما: دمای ورودی و خروجی مورد نظر را برای هر دو سیال گرم و سرد تعیین کنید. اختلاف دمای مورد نیاز برای انتقال حرارت بسیار مهم است.
• نیازمندی‌های فشار: حداکثر فشار عملیاتی برای هر دو جریان سیال گرم و سرد را مشخص کنید.
• دبی: دبی یا نرخ جریان مورد نیاز برای هر دو سیال گرم و سرد را برای اطمینان از ظرفیت انتقال حرارت کافی مشخص کنید.

گام ۲: محدودیت‌های کاربرد را در نظر بگیرید

• محدودیت‌های فضا: فضای موجود برای نصب را اندازه‌گیری کنید و مبدلی با ابعاد مناسب انتخاب کنید. گزینه‌های جمع و جور مانند مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (PHE) ممکن است برای فضای محدود ترجیح داده شوند.
• نیازهای نگهداری: میزان و بسامد نگهداری قابل انجام را ارزیابی کنید.
• ملاحظات هزینه: بودجه خود را تعیین کنید و هزینه سرمایه‌گذاری اولیه انواع مختلف مبدل حرارتی را با نیازهای نگهداری بلندمدت آنها مقایسه کنید.

گام ۳: نیازهای خود را با گزینه‌های مبدل حرارتی مطابقت دهید.

گام ۴: انتخاب خود را اصلاح کنید و با متخصصان مشورت کنید

• بر اساس معایب، مزایا، کاربردها و … هر نوع مبدل حرارتی گزینه‌های خود را محدود کنید و مهم‌ترین عوامل برای کاربرد خود را اولویت‌بندی کنید.
• عوامل دیگری مانند قابلیت توسعه در آینده، مقاومت در برابر خوردگی و سهولت تمیز کردن را در نظر بگیرید.
• میتوانید برای توصیه‌های خاص و مشاوره فنی متناسب با جزئیات کاربرد خود، با کارشناسان مجموعه آگرین انرژی فرآیند مشورت کنید.

اکنون با تسلط بر معایب و مزایای هر نوع مبدل حرارتی و ارزیابی دقیق نیازهای خود، به دانش اولیه برای انتخاب مبدل حرارتی بهینه برای کاربرد خاص خود مجهز خواهید شد.