مبدل حرارتی چیست و چه کاربردی دارد؟

مبدل حرارتی چیست و چه کاربردی دارد؟

خلاصه مقاله :

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال موثر گرما از یک ماده به ماده دیگر، طراحی شده است. این ماده می تواند مایعی مانند آب، روغن یا اینکه یک گاز باشد. بهترین مثال برای درک راحت مبدل های حرارتی، رادیاتور ماشین می باشد.

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که رادیاتور، چگونه منزل شما را گرم می کند یا اینکه در صنعت برای انتقال حرارت از چه وسیله ای استفاده می کنند. در واقع وظیفه ی انتقال حرارت به عهده ی دستگاهی به نام مبدل حرارتی می باشد. رادیاتوری که منزل شما را گرم می کند نوعی مبدل حرارتی است که گرمای حاصل شده از سیال را که در اکثر مواقع آب است به فضای منزل شما منتقل می کند. اما نحوه ی کار مبدل حرارتی چگونه است و چه کاربردهایی در صنعت دارد؟ در ادامه این مقاله به تمامی این سوالات و سوالات مشابه پاسخ خواهیم داد.

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال موثر گرما از یک ماده به ماده دیگر، طراحی شده است. این ماده می تواند مایعی مانند آب، روغن یا اینکه یک گاز باشد. بهترین مثال برای درک راحت مبدل های حرارتی، رادیاتور ماشین می باشد. محلول آب و اتیلن گلیکول که به ضد یخ نیز معروف است، گرما را از موتور به رادیاتور منتقل می کند و سپس این حرارت به هوای بیرون منتقل می شود. این کار از جوش آوردن موتور جلوگیری می کند. به همین ترتیب از این مبدل حرارتی برای سرد کردن موتور هواپیما، اپتیک، اشعه ایکس، لیزر، منبع تغذیه، تجهیزات نظامی و بسیاری از تجهیزات دیگر که نیاز فراتر از تهویه توسط هوا دارند، استفاده می کنند.
انواع مختلفی از مبدل حرارتی وجود دارد: خنک کننده های هوا به مایع، مایع به هوا، مایع به مایع و یا خنک کننده های هوا به هوا. به عنوان نمونه در خنک کننده های هوا به مایع، گرما از هوا به مایع منتقل می شود. این نوع خنک کننده به طور کلی برای سیالات با فرآیند سرد استفاده می شود. خنک کننده ی مایع به مایع هم نیز برای سرد کردن استفاده می شود ولی در این جا به جایی، گرما از یک سیال به یک سیال دیگر منتقل می شود. در نهایت از مبدل های حرارتی هوا به هوا، برای انتقال گرما از طریق جریان هوا یا یک گاز به گاز دیگر استفاده می کنند.

ساخت مبدل حرارتی

مبدل حرارتی چگونه کار می کند؟

در مبدل های حرارتی دو سیال در حال جریان است که یک سیال حرارت را جذب می کند و سیال دیگر وظیفه انتقال حرارت را به عهده دارد. مثال بارز این فرآیند، پدیده همرفت می باشد. اما در مبدل حرارتی بدون آنکه دو سیال با هم تماس حاصل پیدا کنند، تبادل گرمایی صورت می پذیرد.
مبدل های حرارتی می توانند از نوع جریان موازی، جریان متقاطع یا جریان مخالف باشند. در مبدل های حرارتی جریان موازی، دو سیال به صورت هم جهت در حال ورود و خروج هستند. در مبدل های حرارتی جریان متقاطع، دو سیال به صورت عمود بر هم در حال جابجایی هستند و در مبدل های حرارتی جریان متقاطع، دو سیال به صورت مخالف هم در حال جابجایی می باشند. اثر گذاری مبدل های حرارتی جریان مخالف از سایر مبدل های دیگر بیشتر می باشد.
گذشته از دسته بندی مبدل های حرارتی بر اساس جریان سیال، انواع مختلف دیگری وجود دارد که بر اساس ترکیب آنها طبقه بندی می شوند. به عنوان مثال برخی از مبدل های حرارتی از لوله های چند گانه تشکیل شده اند یا در نوع دیگر از تعدای صفحات با فضای کافی برای جریان یافتن سیال بین آنها، تشکیل شده اند. نکته ای که به آن باید توجه کرد این است که همه مبدل های حرارتی از نوع مایع به مایع نیستند و میتوان از رسانا های دیگر برای انتقال حرارت استفاده کرد.

انواع مبدل حرارتی

مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی احیا کننده
مبدل حرارتی چرخ آدیاباتیک

مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)

مبدل های حرارتی پوسته و لوله از مجموعه ای لوله به صورت تجمیع شده، تشکیل شده است که درون آنها سیال در حال جریان است. این لوله ها به دو بخش تقسیم می شوند. بخش اول شامل سیالی است که باید گرم یا سرد شود و بخش دوم را سیالی که وظیفه گرم یا سرد کردن (انتقال حرارت) را دارد تشکیل می دهد. در این نوع از مبدل ها، سیالی که در درون لوله ها در حال جریان است بدون آنکه با سیال دیگر در ارتباط باشد، مبادله گرمایی را انجام می دهد. در این جا باید به این نکته اشاره کرد که برای انتقال مطلوب گرما، باید در انتخاب قطر و ضخامت لوله ها دقت کرد. مبدل های حرارتی پوسته و لوله، هر سه نوع جریان: موازی، متقاطع و جریان مخالف را پشتیبانی می کنند.

مبدل حرارتی

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)

مبدل های حرارتی صفحه ای شامل ورق های نازکی که اغلب از جنس استنلس استیل است، می باشد. فاصله ی این صفحات نازک خیلی کم می باشد و توسط واشرهای پلاستیکی کوچک از هم جدا می شوند. مساحت سطح در دسترس، بسیار زیاد است و در گوشه های هر صفحه سوراخ هایی وجود دارد که سیالات از طریق آنها می توانند عبور نمایند. به دلیل دارا بودن سطح تماس بالا، از آنها برای برنامه های تبرید (سرد سازی) استفاده می کنند. به دلیل همین ویژگی خاص آنها، اثر گذاری مبدل حرارتی صفحه ای از مبدل های حرارتی پوسته و لوله بیشتر می باشد.

عملکرد مبدل حرارتی

مبدل حرارتی احیا کننده (Regenerative Heat Exchanger)

در مبدل های حرارتی احیا کننده، سیال در هر دو طرف مبدل جریان می یابد که مبدل استفاده شده می تواند از نوع پوسته و لوله و یا از نوع صفحه ای باشد. از آنجایی که در این مبدل حرارتی، سیال بسیار داغ می شود، می توان از سیال خروجی برای گرم کردن سیال ورودی استفاده کرد. به این طریق می توان دمای سیال را در یک مقدارِ مشخصِ تقریبا ثابت نگه داشت. از آنجا که طرز کار این مبدل به صورت چرخه ای می باشد در نتیجه مقدار زیادی از انرژی ذخیره می شود. سیال خروجی گرمای خود را به سیال ورودی منتقل می کند. بدین ترتیب برای ثابت نگه داشتن دمای سیال فقط به مقدار کمی انرژی اضافی نیاز می باشد. از مبدل حرارتی احیا کننده معمولا برای پژوهش های تحقیقاتی استفاده می کنند.

کارکرد مبدل حرارتی

مبدل حرارتی چرخ آدیاباتیک (Adiabatic Wheel Heat Exchanger)

در مبدل های حرارتی آدیاباتیک (بی در رو) از یک سیال میانی برای ذخیره گرما استفاده می شود که این مایع در نهایت به قسمت مخالف مبدل جابجا می شود. این مبدل از یک چرخ بزرگ با یک سری رشته تشکیل شده است که در اطراف مایعات می چرخد و برای جذب یا انتقال گرما به کار برده می شود.

عملکرد دستگاه مبدل حرارتی

متریال مناسب برای مبدل حرارتی چیست؟

شاید شما فکر کنید که جنس مبدل حرارتی از نوع آهن است تا گرما را سریع جذب یا منتقل کند. اما مبدل حرارتی ممکن است از جنس سرامیک، کامپوزیت (بر پایه فلز یا سرامیک) و یا حتی از نوع پلاستیکی (پلیمری) باشد.
هر کدام از این مواد ویژگی های منحصر به فرد خود را دارا می باشد به عنوان مثال برای مواردی که درجه حرارت بالا مورد نیاز است (حرارت بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد یا ۲۰۰۰ درجه فارنهایت) از مبدل حرارتی با جنس سرامیک استفاده می شود. در این حرارت بالا نمی توان از مس، آهن یا فولاد استفاده کرد، زیرا در این دما ها، مواد ذکر شده، ذوب خواهند شد. در مواردی که مواد خوردنده یا ساینده در پری هیتر در حال جریان باشد، استفاده از موادی همچون مس، آهن یا فولاد پیشنهاد می شود. پلاستیک به طور کلی وزن و هزینه کمتری نسبت به فلزات دارد. همچنین آنها در برابر خوردگی و رسوب کردن، مقاوم هستند و همچنین می توان آنها را برای انتقال حرارت مناسب طراحی و تولید کرد. تمایل کم به تغییرات مکانیکی و نامناسب بودن برای درجه حرارت بالا از جمله عیب های این مواد می باشد. از جمله کاربردهای این مواد میتوان به استفاده در استخر یا دوش حمام اشاره کرد. از مواد کامپوزیتی برای تبدیل یک مبدل حرارتی ساده به یک مبدل حرارتی پیشرفته استفاده می کنند. به عنوان مثال، مواد آهنی را که دارای هدایت گرمایی خوب هستند با مواد پلاستیکی که دارای وزن کمتر و نسبت به خورندگی، مقاوم هستند، ترکیب می کنند و یک متریال کامپوزیت با ویژگی های خاص تولید می کنند.

مبدل حرارتی برای خط بسته بندی رب

کاربردهای مبدل حرارتی

همان طور که اشاره کردیم، انتقال حرارت یکی از مهمترین فرآیند های صنعتی می باشد. که در آن گرما باید به صورت موثر؛ از یک فرآیند در حال جریان به فرآیند دیگر، حذف، اضافه یا منتقل شود. برخی از کاربردهای معمولی مبدل حرارتی به صورت زیر می باشد:
سیستم گرمایشی عمومی
سیستم گرمایشی یک مکان
سیستم گرمایشی ژئوترمال (استفاده از گرمای زمین برای تولید انرژی)
سیستم گرمایشی خورشیدی
سیستم گرمایش با بخار
سیستم گرمایشی استخر
حفاظت از مخازن
سیستم سرد سازی یک بخش یا ناحیه (صنعت)
خنک سازی رایگان
فشار شکن
ذخیره سازی حرارتی

کاربرد مبدل حرارتی در تولید برق

مبدل های حرارتی کاربردهای گوناگونی در صنعت دارند که یکی از آنها، استفاده از آن در صنعت تولید برق می باشد. نیروگاه های تولید برق به سه دسته زغال سنگ، نفت و گاز تقسیم بندی می شوند. در این نیروگاه ها، زغال سنگ، نفت یا گاز سوزانده می شود حرارت حاصل شده از احتراق آنها، توربین های تعبیه شده را به چرخش در می آرود و برق حاصل شده از این سازه های غول پیکر، به خانه ما می رسد و از آن استفاده می کنیم. در این فرآیند، مقدار زیادی از گرما تلف می شود. مبدل حرارتی برای جلوگیری از اتلاف گرما و بهره بری حداکثری، نقش بسیار مهمی را ایفا می کند.

کاربرد مبدل حرارتی در صنایع غذایی و کشاورزی

از مبدل های حرارتی به طور گسترده ای در صنایع غذایی و کشاورزی برای فرآیند خشک کردن استفاده می کنند. دستیابی به یک طعم مطلوب، افزایش زمان ماندگاری، استریل کردن تجاری و غیره، به یک زمان بندی مشخص و کنترل دقیق نیازمند است که تمام این کار ها را می توان توسط مبدل حرارتی انجام داد.
برخی از کاربردهای معمولی آن به شرح زیر می باشد
دامنه وسیعی از صمغ ها به طور گسترده در صنایع غذایی مورد استفاده قرار می گیرد. این مواد اغلب شامل: هیدروکلوئید، بیوپلیمرها و پکتین می باشند. مبدل حرارتی یک گزینه مناسب برای به چالش کشیدن این مواد چسبناک می باشد.
برای تولید شکر نیاز به صرف هزینه زیادی می باشد. به منظور حداقل رساندن مصرف انرژی و هزینه های عملیاتی و از طرفی برای بالا بردن کیفیت محصول نهایی، از مبدل حرارتی صفحه ای و اواپراتور کمک می گیرند.
یکی از دلایل استفاده از مبدل های حرارتی لوله ای یا صفحه ای در تولید فرآورده های لبنی، کاهش مصرف انرژی می باشد. حال می خواهد این محصول شیر باشد یا فرآوردهای جانبی آن مانند: شیر با ماندگاری بالا، بستنی، پنیر، فرآورده های جانبی و غیره.

کاربرد مبدل حرارتی در صنعت کاغذ

همان طور که در قسمت های قبل اشاره کردیم، یکی از دستگاه های مهم صنعتی، مبدل حرارتی می باشد. اما درجه اهمیت آن در صنعت کاغذ، بسیار ملموس تر می باشد. برای تولید کاغذ اگر از مبدل های حرارتی استفاده نشود، مصرف انرژی بسیار بالا خواهد بود و در نتیجه از نظر اقتصادی تولید به این روش مقرون به صرفه نخواهد بود. برای تولید کاغذ و قبل از شکل گرفتن فرم اصلی کاغذ، فرآیندهایی همچون، تهیه خمیر، تصفیه، تمیز و سفید کردن کاغذ، انجام می شود که در تمامی این مراحل از مبدل حرارتی استفاده می شود.

کاربرد مبدل حرارتی در فرآیند تولید رب

پس از درک اینکه مبدل حرارتی چیست و چگونه کار می کند نوبت به معرفی کاربرد آن در تولید رب گوجه فرنگی می رسد. در طول مراحل مختلف تولید رب، فرآیند های زیادی تولید حرارت می نمایند. یکی از این بخش ها، قسمت تغلیظ سازی رب گوجه فرنگی می باشد. وظیفه غلیظ سازی رب گوجه فرنگی به عهده دستگاهی به نام تغلیظ کننده کانتینیوس می باشد. آب گوجه های ذخیره شده در قسمت مخزن آب گوجه به این بخش منتقل می شود تا طی یک عملیات حرارتی، آب آن تبخیر شده و محصولی غلیظ و با بریکس بالا حاصل شود. در طی فرایند غلیظ سازی رب، اگر از حرارت مستقیم استفاده شود، محصول نهایی دچار سوختگی خواهد شد که این کار باعث افت کیفیت و شکل ظاهری مطلوب رب گوجه فرنگی خواهد شد. اما راهکار مناسب برای جلوگیری از این اتفاق چیست؟
برای اینکه عصاره گوجه فرنگی را به صورت یکنواخت حرارت دهند و همچنین از سوختگی آن جلوگیری نمایند از مبدل حرارتی استفاده می کنند. مبدل حرارتی که در خط تولید رب مورد استفاده قرار می گیرد، از نوع پوسته و لوله می باشد. بخار داغ ایجاد شده توسط دیگ بخار در اطراف لوله های داخلی مبدل حرارتی جریان می یابد و باعث گرم شدن آب موجود در این لوله ها می شود. بدین ترتیب با اعمال حرارت غیر مستقیم، آب گوجه بخار شده و یک محصول با کیفیت بدست خواهد آمد.
یکی دیگر از کاربردهای دیگر مبدل حرارتی در خط تولید رب، پاستوریزه کردن رب گوجه فرنگی می باشد. کار پاستوریزه کردن رب به عهده دستگاه پاستورایزر می باشد که در واقع خود این دستگاه یک مبدل حرارتی از نوع پوسته و لوله می باشد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص راه اندازی خطوط تولید صنایع غذایی از طریق شماره های زیر با ما در ارتباط باشید.