مبدل حرارتی 

مبدل حرارتی

در دنیای پویا سیستم‌های ساختمانی و ساختمانی مدرن، دستیابی به کارایی، پایداری و راحتی یک چالش همیشه حاضر است. در قلب این پیگیری یک جزء نسبتا نامحسوس و در عین حال حیاتی نهفته است: مبدل های حرارتی. این دستگاه‌های ساده نقشی محوری در تنظیم دما، بهبود بهره‌وری انرژی و اطمینان از راحتی و عملکرد محیط‌های ساخته شده ما دارند. به کاوش جامع ما در دنیای مبدل های حرارتی خوش آمدید، با تمرکز بر نقش ضروری آنها در گرمایش، سرمایش و تامین آب گرم در HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) و تاسیسات مکانیکی ساختمان. همانطور که سفر ما پیش می‌رود، آشکار می‌شود که مبدل‌های حرارتی اجزای اساسی در پشت صحنه هستند که تبادل انرژی حرارتی بین سیالات - هوا، آب یا مبرد - را تنظیم می‌کنند. آنها این کار را با دقت و کارایی قابل‌توجهی انجام می‌دهند و در فرآیندهای متنوعی مانند گرم کردن خانه‌های دنج در زمستان، خنک کردن آسمان‌خراش‌ها در گرمای سوزان تابستان و اطمینان از تامین مداوم آب گرم برای مایحتاج روزانه، نقش مؤثری دارند. در طول این مقاله، ما به دنیای پیچیده مبدل های حرارتی خواهیم پرداخت. ما با درک مبانی تبادل حرارت و بررسی انواع مختلف مبدل های حرارتی که هر کدام دارای نقاط قوت و کاربردهای منحصر به فرد خود هستند، شروع خواهیم کرد. سپس به کارکرد درونی این دستگاه‌ها نگاه می‌کنیم، فاکتورهای کلیدی طراحی را که باعث می‌شود آنها را تیک‌دار می‌کنند، کشف کنیم و درباره روش‌های افزایش کارایی آن‌ها بحث کنیم. اما سفر ما به همین جا ختم نمی شود. ما از طریق برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی، از سیستم‌های گرمایش و سرمایش گرفته تا تامین آب گرم، جایی که مبدل‌های حرارتی به عنوان قهرمانان انرژی کارآمد می‌درخشند، سفر خواهیم کرد. در طول راه، هنر اندازه‌گیری و انتخاب مبدل حرارتی مناسب برای نیازهای خاص را مورد بحث قرار خواهیم داد و بر اهمیت نگهداری برای عملکرد طولانی مدت تأکید خواهیم کرد. در عصری که بهره وری انرژی، آسایش و پایداری در داخل خانه بسیار مهم است، درک مبدل های حرارتی فقط یک موضوع دانش نیست. این یک گام اساسی در جهت هوشمندتر، سبزتر و راحت تر ساختن ساختمان های ما است. در این سفر روشنگرانه به ما بپیوندید تا اسرار راندمان باز کردن قفل را با مبدل های حرارتی در سیستم های تهویه مطبوع و ساختمان های مکانیکی کشف کنیم.

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) وسیله ای است که برای انتقال بهینه حرارت از یک سیال به سیال دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. ساختار مبدل ها به گونه ای است که هر دو سیال به آن وراد شده و بدون مخلوط شدن با یکدیگر، تبادل دمایی بین دو سیال صورت می گیرد. هر دو سیال می تواند مایع، یا هر دو گاز و یا یک سایل مایع و سیال دیگر گاز باشد. مبدل های حرارتی بر اساس ساختار و شکل ظاهری به دو دسته مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger) و مبدل های حرارتی لوله ای (Pipe and Tube Heat Exchanger) تقسیم می شوند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای ظاهری استوانه ای شکل بوده و مبدله های حرارتی صفحه ای دارای ظاهری به شکل مکعب مستطیل می باشند. از دیگر تفاوت های مبدل های حرارتی صفحه ای و مبدل های حرارتی پوسته و لوله، می توان به دامنه تحمل فشار و دما اشاره کرد. مبدل های حرارتی صفحه ای معمولا برای فشار کاری کمتر از 25 Bar و سیالات با دمای کمتر از 200 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار می گیرند؛ ولی مبدل حرارتی پوسته و لوله ، دما و فشار بالاتر از این رانیز تحمل می کند.

طراحی و عملکرد مبدل های حرارتی

عوامل کلیدی طراحی  
پیچیدگی‌های طراحی مبدل‌های حرارتی زمانی که کاربردهای آنها را در چیلرها و دیگ‌های آب گرم، دو جزء حیاتی در HVAC و سیستم‌های مکانیکی ساختمان در نظر می‌گیریم، برجسته می‌شوند.

• مساحت سطح و بار حرارتی: در چیلرها و دیگ های آب گرم، سطح مبدل حرارتی نقش محوری در انتقال موثر انرژی حرارتی دارد. بار حرارتی که بسته به نیاز سرمایش یا گرمایش متفاوت است، سطح مورد نیاز را برای تبادل حرارت موثر تعیین می کند.
•   موادی برای دوام: مبدل های حرارتی در چیلرها و بویلرها باید در برابر سختی های نوسانات دمایی ثابت و خواص متغیر سیال مقاومت کنند. انتخاب موادی که در برابر خوردگی و رسوب مقاوم هستند برای عملکرد طولانی مدت ضروری است.
•   الگوهای جریان و آشفتگی: دستیابی به الگوهای جریان مناسب در مبدل حرارتی حیاتی است. برای چیلرها، جریان متلاطم باعث افزایش راندمان تبادل حرارت در طول چرخه تبرید می شود. در سیستم های آب گرم، حفظ جریان یکنواخت و جلوگیری از رسوب گیری برای عملکرد قابل اعتماد ضروری است.
• راندمان و نرخ انتقال حرارت : بهره وری سنگ بنای مبدل های حرارتی موثر در چیلرها و دیگ های آب گرم است که در آن کنترل دما در درجه اول اهمیت قرار دارد.
•  چیلرها - افزایش راندمان خنک کننده:  در چیلرها، راندمان کلید دستیابی به عملکرد خنک کننده بهینه است. طرح های نوآورانه، مانند پیکربندی سیم پیچ، انتقال حرارت را به حداکثر می رساند. چیلرهای با راندمان بالا نقش مهمی در سرمایش تجاری و صنعتی، کاهش مصرف انرژی و اثرات زیست محیطی دارند.
• سیستم های آب گرم - گرمایش کارآمد: برای سیستم های آب گرم، راندمان به معنای گرمایش اقتصادی است. اطمینان از سرعت انتقال حرارت بالا امکان تولید سریع و کارآمد آب گرم را فراهم می کند. سیستم های مدرن از طرح های مبدل حرارتی پیشرفته برای برآورده کردن استانداردهای کارایی دقیق در گرمایش ساختمان استفاده می کنند.
• تأثیر دنیای واقعی: بهره وری حاصل از مبدل های حرارتی با طراحی خوب در چیلرها و بویلرها پیامدهای واقعی قابل توجهی دارد. چیلرهای کم مصرف در حفظ دمای راحت داخل خانه بسیار موثر هستند، در حالی که دیگ های آب گرم کارآمد گرمای قابل اعتمادی را برای مصارف مختلف ساختمان تامین می کنند.

• اندازه و انتخاب مبدل های حرارتی : در زمینه چیلرها و سیستم های آب گرم، انتخاب اندازه و نوع مبدل حرارتی مناسب برای دستیابی به حداکثر عملکرد بسیار مهم است.

مبدل های حرارتی چیلر: چیلرها در اندازه ها و ظرفیت های مختلف هستند و انتخاب مبدل حرارتی باید با بار خنک کننده هماهنگ باشد.چیلرهای آب خنک و هوا خنک ممکن است از پیکربندی های مختلف مبدل حرارتی بر اساس کاربردشان استفاده کنند.

مبدل های حرارتی سیستم‌های: آب گرم مبدل های حرارتی سیستم‌های آب گرم برای تامین گرمایش کارآمد برای نیازهای خاص ساختمان طراحی شده اند. چه برای تامین آب گرم خانگی و چه برای گرمایش فضا، انتخاب طرح مبدل حرارتی مناسب، بهره وری انرژی را تضمین می کند. در چیلرها و دیگ های آب گرم، طراحی دقیق و انتخاب مبدل های حرارتی کلید دستیابی به عملکرد مطلوب است. افزایش بهره وری نه تنها باعث صرفه جویی در انرژی می شود، بلکه راحتی و پایداری سیستم های تهویه مطبوع و مکانیکی ساختمان را نیز افزایش می دهد.

مبدل حرارتی پوسته و لوله (pipe and shell heat exchanger)

مبدل های حرارتی پوسته و لوله متشکل از تعدادی لوله های خم خورده ( U شکل) از جنس مس یا استیل می باشد که درون یه محفظه (تیوب) قرار دارد. سیال دارای دمای مورد نظر، به داخل لوله ها وارد شده و سیالی که باید آن دما را کسب کند، به درون تیوب وارد شده و اطراف لوله ها را پر می کند. دمای از طریق بدنه لوله هاف بین دو سیال انتقال پیدا می کند.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله براساس کاربردهای مختلف دارای ظرفیت های مختلفی می باشد. ظرفیت مبدل های حرارتی پوسته و لوله یا با واحد کیلووات و یا با واحد فوت مکعب در ساعت بیان می شود.

کاربرد مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و لوله برای مصارف صنعتی گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین از مبدل های حرارتی پوسته و لوله می توان در تاسیسات ساختمانی نیز استفاده نمود. یکی از کاربردهای مبدل حرارتی پوسته و لوله، گرمایش آب و استخرها می باشد. چنانچه برای گرمایش استخر از دیگ های گالوانیزه و یا استیل استفاده شود، نیازی به استفاده از مبدل حرارتی نمی باشد. ولی در صورت استفاده از دیگ های چدنی و یا فولادی، بدلیل تغییراتی که این نوع دیگ ها در رنگ و کیفیت آب ایجاد می کنند، آب استخر نباید مستقیم وارد دیگ شود و نیاز هست تا از مبدل حرارتی استفاده شود. بدین منظور، در لوله کشی سیکل تصفیه استخرها، بعد از پمپ سیرکولاتور و فیلتر شنی، مبدل حرارتی پوسته و لوله نصب می شود.

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate heat exchanger) 

مبدل های حرارتی صفحه ای از تعدادی صفحات نازک مستطیل شکل چین دار از جنس مس یا استیل ساخته شده است که به موازات هم و در فواصل نزدیک به هم قرار می گیرند. این صفحات به صورت یک در میان برای گذر سیال با دمای بالاتر و سیال با دمای پایین تر، آب بندی می شوند و از طریق بدنه صفحات با یکدیگر تبادل دمایی انجام می دهند. راندمان این منوع از مبدل ها بسیار بالا بوده بنابراین مبدلهای حرارتی صفحه ای دارای ابعاد کوچکتری نسبت به سایر انواع مبدل می باشد.

مبدل های حرارتی صفحه ای دارای انواع مختلفی می باشند که هریک کاربردها و ویژگی های خاص خود را دارد. ولی به طور کلی دو نوع از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی صفحه ای عبارتند از مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار (Gasketed Plate Heat Exchenger) و مبدل حرارتی صفحه ای یکپارچه جوشی (Brazed Plate Heat Exchenger). 

بدل حرارتی صفحه ای واشر دار (Gasketed Plate Heat Exchenger): در این مدل از مبدل ها، صفحات دارای واشرهای آب بندی بوده و با استفاده از فریم و توسط پیچ و مهره به یکدیگر متصل می شوند. واشرها مانع از نشت سیال به بیرون می شود. این از مبدل ها را می توان باز کرد و مجدد سرهم بندی نمود و بیشتر برای مصارف صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

مبدل حرارتی صفحه ای یکپارچه جوشی (Brazed Plate Heat Exchenger): در این مدل از مبدل ها، صفحات به یکدیگر لحیم شده اند. بنابراین نیازی به واشر جهت آب بندی و همچنین نیازی به فریم ندارند. این مدل از مبدل های قابلیت باز و بسته شدن صفحات را ندارد و بیشتر برای مصارف خانگی مورد استفاده قرار می گیرد.

مبدل های حرارتی صفحه ای بر اساس کاربردهای مختلف دارای ظرفیت های مختلفی می باشند. ظرفیت های مختلف مبدل های حرارتی صفحه ای یا بر اساس دبی مصرفی (معمولا با واحد لیتر در ساعت) و یا بر اساس توان حرارتی (معمولا با واحد کیلو کالری در ساعت) بیان می شوند.

کاربرد مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل های حرارتی صفحه ای دارای کاربردهای وسیعی در تاسیسات و صنایع مختلف می باشد. یکی از عمده ترین کاربردهای مبدل های حرارتی صفحه ای، استفاده در موتورخانه های گرمایش مرکزی ساختمان جهت تامین مصارف آبگرم بهداشتی می باشد.

مزایای استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای به جای منابع آبگرم دو جداره و کوئل دار

همانطور که در بالا اشاره شد، از مبدل های گرمایشی صفحه ای می توان به جای منابع دو جداره و منابع کوئل دار جهت تامین آبگرم بهداشتی استفاده نمود. استفاده از مبدل های گرمایشی صفحه ای به جای منابع ذخیره آبگرم دارای مزایایی می باشد که در ذیل به برخی از مهمترین آن ها اشاره می کنیم:

• تامین لحظه ای آبگرم و بهینه شدن مصرف انرژی به دلیل عدم نیاز به ذخیره سازی آبگرم (آبگرم ذخیره شده در معرض پرت حرارتی قرار دارد و دائم باید با سیرکوله آبگرم در دیگ، دمای آن حفظ شود.
• ابعاد بسیار کوچک تر در قیاس با منابع و اشغال فضای کمتری از موتورخانه
• هزینه اولیه کمتر و همچنین هزینه های نگهداری پایین تر

محاسبات مبدل های حرارتی

فرمول های بسیاری برای محاسبه مبدل حرارتی مورد نیاز وجود دارد. بسته به این که چه مبدلی و برای چه کاربردی نیاز داریم، روش محاسباتی تفاوت خواهد داشت. فرمول های مهندسی در مورد محاسبات مبدل حرارتی دارای پارمترهای زیاد بوده و نیاز به محسابات پیچیده و زمانبر دارد. از این رو بیشتر فروشندگان تاسیساتی از فرمول های سرانگشتی برای محاسبه مبدل های حرارتی استفاده می کنند. در زیر به دو نمونه از محاسبات سرانگشتی برای مبدل گرمایشی استخر و مبدل گرمایشی آپارتمان اشاره می کنیم.

محاسبه سر انگشتی مبدل حرارتی پوسته و لوله برای استخر

جهت محاسبه سرانگشتی مبدل های حرارتی پوسته و لوله برای استخر، کافیست تا به ازای هر متر مکعب از آب استخر، 1100 کیلوکالری گرمایش در نظر بگیریم؛ سپس با تقسیم عدد فوق در 860 ، مقدار گرمایش مورد نیاز برحسب کیلووات را بدست میاوریم. در همین مرحله با مراجعه به کاتالوگ، می توانیم مبدل با نزدیک توان حرارتی بر حسب کیلووات به عدد محاسبه شده را انتخاب نماییم. اما چنانچه بخواهیم ظرفیت مبدل برحسب فوت را نیز داشته باشیم، کافیست تا کیلووات محاسبه شده را بر عدد 2 تقسیم نماییم و سپس از روی جدول از بین مبدل های 9 تا 90 فوت، نزدیک ترین مبدل به عدد محاسبه شده را پیدا کنیم.

محاسبه سر انگشتی مبدل حرارتی صفحه ای برای موتورخانه ساختمان

برای محاسبه مبدل حرارتی صفحه ای جهت تامین آبگرم بهداشتی آپارتمان ها، به ازای هر واحد مسکونی و با فرض دارا بودن یک سرویس حمام - آشپزخانه و توالت، 400 لیتر آب در نظر گرفته می شود. پس کافیست تا تعداد واحدهای ساختمان را در عدد 400 ضرب نماییم تا لیتراژ مورد نیاز بدست آید. سپس با مراجعه به کاتالوگ و مشاهده دبی مبدل ها، نزدیکترین مبدل حرارتی صفحه به عدد محاسبه شده را انتخاب می کنیم. مبدل های حرارتی صفحه ای جوشی مورد استفاده در موتورخانه آپارتمان ها، معمولا دارای دبی های 400 الی 18000 لیتر در ساعت می باشند.

 تعمیر و نگهداری و کارایی

تعمیر و نگهداری مبدل های حرارتی در چیلرها و بویلرها

• بازرسی های معمول و هوشیاری:  یک رویکرد فعال برای تعمیر و نگهداری با بازرسی منظم مبدل های حرارتی در چیلرها و بویلرها شروع می شود. هوشیاری امکان تشخیص زودهنگام علائم رسوب، خوردگی یا نشت را فراهم می کند و مشکلات احتمالی را قبل از تشدید آنها کاهش می دهد.
• نظافت و رسوب زدایی:  با گذشت زمان، مبدل‌های حرارتی می‌توانند رسوبات، رسوب‌ها یا زباله‌هایی را جمع کنند که مانع انتقال حرارت و کاهش کارایی می‌شود. تمیز کردن و رسوب زدایی روش های حیاتی برای بازیابی و حفظ عملکرد بهینه مبدل حرارتی هستند.
• تکنیک های تمیز کردن کامل: از تکنیک های مختلف تمیز کردن، از جمله تمیز کردن شیمیایی و روش های مکانیکی، برای حذف رسوبات و رسوب به طور موثر استفاده کنید. جداسازی دوره ای برای تمیز کردن کامل ممکن است در برخی موارد برای اطمینان از حداکثر کارایی ضروری باشد.
• کیفیت و درمان مایعات: کیفیت سیالاتی که از طریق مبدل های حرارتی در گردش هستند بسیار مهم است. حفظ کیفیت آب و اجرای تصفیه مناسب برای جلوگیری از تشکیل رسوب و خوردگی. در چیلرها، اطمینان از بدون آلودگی و متعادل ماندن شارژ مبرد به همان اندازه ضروری است.

فاکتور کارایی: مزایای نگهداری مناسب 

صرفه جویی در انرژی و هزینه های عملیاتی: مبدل های حرارتی که به خوبی نگهداری می شوند باعث صرفه جویی قابل توجه در انرژی و کاهش هزینه های عملیاتی، به ویژه در سیستم های HVAC در مقیاس بزرگ می شود. عملکرد کارآمد چیلرها و بویلرها منجر به منافع مالی و همسویی با اهداف پایداری می شود.

• اثرات زیست محیطی: مبدل‌های حرارتی با راندمان بالا با کاهش مصرف انرژی و حمایت از طرح‌های ساختمان سبز به کاهش ردپای کربن کمک می‌کنند. به حداقل رساندن اتلاف انرژی یک عمل مسئولانه در سیستم های تهویه مطبوع و ساختمان با آگاهی از محیط زیست است.
• طول عمر بیشتر: تعمیر و نگهداری موثر نه تنها باعث افزایش راندمان می شود، بلکه طول عمر چیلرها و بویلرها را نیز افزایش می دهد. این امر بازگشت سرمایه طولانی تری را تضمین می کند و دفعات جایگزینی را کاهش می دهد و پایداری سیستم را ارتقا می دهد.
• نقطه ای برای تمیز کردن و رسوب زدایی: تلاش های تمیز کردن و رسوب زدایی توجه ویژه ای را ایجاب می کند. تجمع رسوب که اغلب به دلیل رسوبات معدنی در آب ایجاد می شود، می تواند به شدت مانع انتقال حرارت شود. مبدل های حرارتی کاملاً تمیز شده، تبادل حرارتی کارآمد را امکان پذیر می کنند و آنها را به یک جنبه محوری از کارایی سیستم تبدیل می کند. در حوزه چیلرها و دیگ های آب گرم، نگهداری مناسب، به ویژه تمیز کردن و رسوب زدایی، یک رویکرد استراتژیک برای حفاظت از راندمان، صرفه جویی در انرژی و افزایش عمر عملیاتی این اجزای یکپارچه HVAC است. این اقدامات بر نقش حیاتی مراقبت هوشیار در ساخت سیستم های مکانیکی تاکید می کند.

روندهای آینده

فناوری های نوظهور در مبدل های حرارتی  

• پیشرفت در طراحی: فناوری مبدل های حرارتی به طور مداوم در حال پیشرفت است و طراحان در حال بررسی پیکربندی های نوآورانه برای افزایش عملکرد هستند. طراحی های جمع و جور و با راندمان بالا در حال افزایش هستند و نویدبخش انتقال حرارت بهبود یافته در فضای کوچکتر هستند.
• مواد و پایداری: تحقیقات در مورد مواد پایدار برای مبدل های حرارتی با هدف کاهش اثرات زیست محیطی در حال انجام است. مواد پایدار نه تنها منابع را حفظ می کنند، بلکه در برابر خوردگی و رسوب مقاومت می کنند و باعث افزایش طول عمر مبدل حرارتی می شوند.
• ادغام هوشمند: ادغام سنسورها و کنترل های هوشمند در مبدل های حرارتی رواج بیشتری پیدا می کند. این فناوری‌ها نظارت و بهینه‌سازی بلادرنگ را امکان‌پذیر می‌کنند و عملکرد مبدل حرارتی را با شرایط متغیر برای حداکثر بازدهی تطبیق می‌دهند.

شیوه های پایداری و ساختمان سبز

• کارایی انرژی و گواهینامه: مبدل های حرارتی با راندمان بالا با گواهینامه های ساختمان سبز و اهداف پایداری هماهنگ هستند. پروژه های ساختمانی که برای دریافت گواهینامه های LEED یا مشابه تلاش می کنند، استفاده از اجزای کارآمد انرژی، از جمله مبدل های حرارتی را در اولویت قرار می دهند.
•   سیستم های تهویه مطبوع پایدار: ادغام بازیابی گرما و منابع انرژی تجدید پذیر در سیستم های HVAC یک روند رو به رشد است. مبدل های حرارتی نقش حیاتی در این سیستم ها، بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش ردپای محیطی ساختمان ها دارند.
•  معیارهای پایداری: طرح‌های ساختمان‌های آگاه به پایداری اغلب معیارهایی مانند شدت مصرف انرژی (EUI) و تجزیه و تحلیل چرخه زندگی (LCA) را در خود جای می‌دهند.

مبدل‌های حرارتی با به حداقل رساندن مصرف انرژی و ارتقای پایداری سیستم در درازمدت به امتیازات مطلوب EUI و LCA کمک می‌کنند.

شما می توانید در این صفحه تصاویر، مشخصات فنی و قیمت به روز رسانی شده انواع مبدل های حرارتی را در برندها، مدل ها و ظرفیت های مختلف مشاهده نمایید، آن ها را با یکدیگر مقایسه کنید و پس از کسب اطلاعات کامل نسبت به کالایی که به دنبال آن هستید، اقدام به خرید نمایید.