مبدل حرارتی و تاثیر آن بر کاهش آلاینده‌ها و حفظ محیط زیست

 

مبدل حرارتی چیست و چه کاربردهایی در صنایع مختلف دارد؟

مبدل حرارتی دستگاهی است که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال با دماهای متفاوت به‌ کار می‌رود. در این دستگاه سیال با یکدیگر در تماس مستقیم نیسیتند. این دستگاه‌ها با استفاده از سطح تماس مناسب، گرما را از سیال گرم به سیال سرد منتقل می‌کنند و به بهینه‌ سازی مصرف انرژی کمک می‌کنند. مبدل‌های حرارتی انواع مختلفی دارند. از انواع آن می‌توان به پوسته و لوله، صفحه‌ای و هواخنک اشاره کرد. کاربرد مبدل‌های حرارتی در صنایع گوناگون به دلیل افزایش راندمان و کاهش هزینه‌ها بسیار گسترده است.

آیا فن کویل، هواساز و داکت اسپیلت مبدل حرارتی دارند؟

فن کویل‌ها معمولاً دارای مبدل حرارتی داخلی هستند که نقش اصلی آنها در تبادل حرارت بین آب گرم یا سرد و هوای عبوری است. این مبدل حرارتی از جنس کویل‌های مسی با پره‌های آلومینیومی تولید شده و آب گرم یا سرد از داخل آن عبور می‌کند تا هوای محیط به دمای مطلوب برسد. در واقع فن کویل به تنهایی یک دستگاه تهویه نیست. این دستگاه به سیستم مرکزی آب گرم یا سرد متصل می‌شود. مبدل حرارتی آن باعث انتقال حرارت به جریان هوای داخل می‌شود.

هواسازها دستگاه‌هایی بزرگ‌تر از فن کویل هستند که وظیفه تهویه مطبوع و تصفیه هوا را در فضاهای وسیع‌تر بر عهده دارند. در بسیاری از مدل‌های هواساز مبدل حرارتی به صورت کویل گرمایی یا سرمایی نصب شده است. در این کویل آب گرم، آب سرد یا بخار از داخل آن عبور می‌کند تا دمای هوای ورودی تنظیم شود. همچنین هواساز دارای سیستم‌های بازیافت حرارت است. این سیستم از طریق مبدل‌های حرارتی انرژی را بازیابی و مصرف انرژی را کاهش می‌دهند.

داکت اسپلیت‌ها که نوعی سیستم تهویه مطبوع مرکزی با کانال کشی هستند. این سیستم شامل یک یونیت داخلی و خارجی می‌شوند. در داخل یونیت داخلی داکت اسپلیت، کویل‌های سرمایشی و گرمایشی به عنوان مبدل حرارتی عمل می‌کنند که مبرد سرد یا گرم درون آن‌ها جریان دارد. این کویل‌ها باعث انتقال حرارت به هوای داخل کانال‌ها و نهایتاً محیط می‌شوند. بنابراین داکت اسپلیت دارای مبدل حرارتی است؛ اما نوع آن با فن کویل و هواساز متفاوت بوده و مستقیماً از چرخه تبرید سیستم بهره می‌برد.

جنس پره‌ها یا صفحات داخلی مبدل حرارتی از چه موادی است؟

جنس پره‌ها یا صفحات داخلی مبدل حرارتی معمولاً از مواد با هدایت حرارتی بالا و مقاومت مکانیکی مناسب انتخاب می‌شود. با انتخاب این نوع متریال انتقال حرارت به صورت بهینه است و دوام دستگاه تضمین می‌شود. رایج‌ترین ماده مورد استفاده، مس است. مس به ‌دلیل هدایت حرارتی بسیار بالا و قابلیت شکل ‌پذیری، در مبدل‌های حرارتی کوچک و متوسط کاربرد فراوان دارد. علاوه بر مس، آلومینیوم نیز به خاطر وزن کم و هدایت حرارتی مناسب در مبدل‌های هوا خنک استفاده می‌شود.

در مبدل‌های حرارتی صنعتی نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و فشار بالا است. پره‌ها یا صفحات معمولاً از استیل ضد زنگ تولید می‌شوند. استیل ضد زنگ علاوه بر مقاومت شیمیایی بالا، استحکام مکانیکی مناسبی نیز دارد. این ماده برای سیالات خورنده یا شرایط کاری سخت ایده ‌آل است. همچنین در برخی موارد خاص، از تیتانیوم و آلیاژهای خاص دیگر نیز استفاده می‌شود که در برابر خورندگی بسیار مقاوم هستند؛ ولی هزینه آن‌ها بالاتر است. انتخاب جنس پره‌ها به نوع سیال، دما و فشار کاری بستگی دارد.

حداکثر فشار کاری مبدل حرارتی

حداکثر فشار کاری مبدل حرارتی با توجه به عوامل مختلف متفاوت است و معمولاً توسط سازنده مشخص می‌شود. به طور کلی مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای معمولاً فشار کاری تا حدود 16 تا 25 بار را تحمل می‌کنند. در حالی که مبدل‌های پوسته و لوله صنعتی می‌توانند تا فشارهای بالاتر، مثلاً 59 بار یا بیشتر، طراحی و تولید شوند. در ادامه به فاکتورهای موثر بر فشار کاری مبدل حرارتی اشاره می‌کنیم:

نوع و طراحی مبدل حرارتی

نوع و طراحی مبدل حرارتی نقش کلیدی در تعیین فشار کاری آن دارد. به‌ عنوان مثال مبدل‌های پوسته و لوله معمولاً برای فشارهای بالا طراحی می‌شوند. آنها می‌توانند فشار کاری بیشتری نسبت به مبدل‌های صفحه‌ای تحمل کنند. همچنین ضخامت بدنه، تعداد لایه‌ها و نحوه اتصال قطعات، تأثیر مستقیم بر مقاومت فشار دارند. طراحی بهینه باید تعادلی بین راندمان حرارتی و مقاومت مکانیکی برقرار کند. در این صورت دستگاه می‌تواند تحت فشارهای عملیاتی بدون خطر شکست یا نشت کار کند.

نوع متریال مبدل حرارتی

جنس مواد سازنده مبدل حرارتی به ‌طور مستقیم روی حداکثر فشار کاری تأثیر می‌گذارد. مواد با مقاومت مکانیکی و کششی بالا، مانند استیل ضد زنگ و آلیاژهای خاص، امکان تحمل فشارهای بالا را فراهم می‌کنند. همچنین مقاومت در برابر خوردگی و دما، از دیگر ویژگی‌های مهم مواد است که باعث افزایش دوام مبدل می‌شود. انتخاب جنس مناسب باید متناسب با نوع سیال، دما و شرایط کاری انجام شود تا ایمنی و طول عمر دستگاه تضمین گردد.

دمای کاری سیال‌ در مبدل حرارتی

دمای سیال‌ها در مبدل حرارتی تاثیر زیادی بر فشار کاری دستگاه دارد. افزایش دما معمولاً باعث کاهش مقاومت مواد در برابر فشار می‌شود؛ زیرا بیشتر فلزات با افزایش دما نرم‌تر و آسیب‌پذیرتر می‌شوند. بنابراین حداکثر فشار کاری باید با توجه به دمای عملیاتی مشخص گردد تا از شکست و نشت جلوگیری شود. در طراحی مبدل‌ها، جداول استاندارد برای ارتباط فشار و دما استفاده می‌شود. این جداول محدوده ایمن برای فشار و دمای کاری را تعیین می‌کنند و دستگاه به صورت صحیح و ایمن کار می‌کند.

نوع و ویژگی‌های سیالات مبدل حرارتی

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سیال‌ها مانند خورندگی، ویسکوزیته و فشار بخار، روی فشار کاری مبدل تأثیرگذارند. سیالات خورنده می‌توانند به مرور زمان ساختار داخلی مبدل را ضعیف کنند و فشار تحملی آن را کاهش دهند. همچنین سیالات با ویسکوزیته بالا ممکن است نیاز به طراحی خاص برای تحمل فشارهای بیشتر داشته باشند. شناخت دقیق نوع سیال و شرایط آن باعث انتخاب صحیح جنس و طراحی مبدل شده و ایمنی و کارایی سیستم را بالا می‌برد.

رعایت استانداردها در طراحی مبدل حرارتی

رعایت استانداردها و مقررات ایمنی در طراحی و ساخت مبدل حرارتی برای تعیین فشار کاری بسیار حیاتی است. سازمان‌هایی مانند  ASME، PED  و API، معیارهای سخت ‌گیرانه‌ای برای فشار و دمای کاری، آزمایش‌های فشار و ضریب ایمنی تعیین می‌کنند. این استانداردها تضمین می‌کنند که دستگاه در شرایط عملیاتی متنوع و حتی شرایط اضطراری، بدون خطر نشت یا انفجار عمل کند. توجه به این مقررات از بروز حوادث جبران ‌ناپذیر جلوگیری کرده و عمر مفید دستگاه را افزایش می‌دهد.