اکثر مبدل‌های حرارتی، حرارت را به‌طور غیر مستقیم از سیالات گرم‌تر به سیالات خنک‌تر، بدون مخلوط شدن آنها با هم، انتقال می‌دهند. انواع مختلف مبدل‌ تفاوت‌هایی با هم دارند که ناشی از برآورده‌سازی الزامات مربوط به بازده فرایند، هزینه‌ی مالکیت و تعمیر و نگهداری است. ما در این نوشتار مبدل‌های حرارتی صفحه ای (plate and frame) ، پوسته و لوله (shell and tube) و سطح خراشیده (scraped surface) را که در فرایندهای تولید به کار می‌روند توضیح داده‌ایم. با توجه به چالش‌های نوع تأمین مبدل که در صدر دغدغه های پیمان‌کاران و کاربران سیستم قرار دارد، این راهنما برای انتخاب مبدل حرارتیِ درست، می تواند ابزاری کارآمد برای بهره برداران، مدیران تولید و مهندسان مکانیک باشد. در این مقاله، انواع مبدل حرارتی مورد استفاده در فرایندهای تولید را معرفی می‌کنیم:

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate and frame)

طرح‌های صفحه و قاب دارای صفحات موازی موج‌دار هستند که توسط واشرهای کنترل کننده‌ی جریان رفت و برگشتی سیالات گرم و سرد روی سطوح صفحه، از هم جدا شده‌اند.

یک صفحه‌ی قابی و یک صفحه‌ی فشاری صفحات واشردار را با پیچ و مهره‌های محکم کننده به یکدیگر می‌فشارند. صفحات واشردار و صفحه‌ی فشاری میان یک میله در بالا و یک میله‌ی راهنما در پائین معلق هستند. این طرح مکانیکی ساده، امکان تمیزکاری آسان و تغییر وضعیت یا برداشتن صفحات را فراهم می‌نماید.

سیال های گرم یا سرد در کانال‌های رفت و برگشتی با سیالات پردازش شده جابجا می شوند و حرارت از کانال گرم‌تر به کانال سردتر منتقل می‌شود.

هنگامی که سیالات کمی ویسکوزیته داشته باشند یا حاوی مقداری از ذرّات هستند، بیشتر بودن فاصله‌ی میان صفحات می‌تواند تداوم جریان سیال کمک کند. فواصل زیاد میان صفحات امکان عبور ذرات از میان صفحات را، بدون انسداد جریان، فراهم می‌کند.

صفحات استاندارد معمولاً الگوی هشتواره (chevron pattern) دارند تا استحکام صفحه در فشارهای بالا به حداکثر برسد. به‌منظور بهینه کردن انتقال حرارت به‌ازای مقادیر خاص افت فشار ویژه، زاویه‌ی هشتواره‌ی صفحات ممکن است متفاوت باشد.

صفحاتی با جریان عریض‌تر دارای نقاط تماس کمتری هستند و بنابراین به جلوگیری از انسداد کمک می‌کنند. در کاربردهای مربوط به مایعات لزج، یا مایعاتی که حاوی ذرات هستند، دو ویژگی صفحات با فاصله‌ی زیاد سبب سهولت جریان یافتن سیالات یا ذرات می‌شود:

فواصل زیاد بین صفحات نسبت به طرح‌های استاندارد

شیوه عملکرد مبدل صفحه‌ای

صفحات دو جداره متشکل از دو ورقه هستند که با هم شکل گرفته‌اند تا در صورت ایجاد ترک در یکی از صفحات از مخلوط شدن سیال جلوگیری شود.

واشرها را می‌توان به صفحات چسباند یا با گیره متصل کرد. گیره‌ها واشرها را در جای خود محکم می‌کنند تا از حرکت آنها جلوگیری شود و عدم تطبیق و نشتی رخ ندهد. واشرهایی که با گیره متصل شده‌اند زمان مورد نیاز برای واشرگذاری دوباره را کاهش می‌دهند.

واشرگذاری مجدد واشرهای گیره‌ای فرایندی است که در آن واشر کهنه را باز کرده و یک واشر نو به جای آن، با گیره، متصل می‌شود.

در مورد واشرهایی که با چسب متصل می‌شوند، این فرایند شامل کندن واشر کهنه، تمیز کردن سطح آب‌بندی، چسب زدن و گرما دادن به چسب برای فعال کردن آن است.

صفحات از یک میله‌ی حامل آویزان شده‌اند و یک میله‌ی راهنما صفحات را به‌صورت عمودی تنظیم کرده است. کاربران صفحات را میان صفحه‌ی انتهایی فشرده کرده و با پیچ و مهره به هم محکم می‌کنند.

مبدل پوسته و لوله (shell and tube)

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله حرارت را میان سیالاتِ درون دسته‌ی لوله‌ها و سیالاتِ درون یک مخزن پوسته‌ای بزرگ که حول لوله‌ها است منتقل می‌کند. لوله‌های درون پوسته امکان پردازش سیالاتی را که لزج‌تر هستند یا حاوی ذرات بیشتری نسبت به مبدل‌های صفحه و قاب هستند فراهم می‌کنند.

مبدل حرارتی تک‌لوله (Monotube heat exchanger)

که لوله در لوله (tube-in-tube) و لوله‌ی پوشش‌دار (jacketed tube) نیز نامیده می‌شود – از یک پوسته‌ی خارجی و یک لوله‌ی تکی داخلی تشکیل شده است. طرح‌های تک‌لوله در کاربردهای عملیات حرارتی برای محصولاتی که اغلب حاوی ذرات بزرگ هستند استفاده می‌شوند.

مبدل حرارتی حلقوی (Annular model)

مبدل‌های حرارتی لوله‌ای گرما را به‌طور همزمان از داخل و خارج به محصول منتقل می‌کنند تا از لایه‌لایه شدن آن جلوگیری شود. طرح‌های فضای حلقوی معمولاً سه تا چهار لوله‌ی هم‌مرکز دارند.

مبدل حرارتی چندلوله‌ای (Multitube type)

دارای دسته‌ای از لوله‌های داخلی هستند. این مبدل‌ها برای پردازش گرمایش، سرمایش و بازیابی حرارتی محصولاتی با لزجت کم که دارای پالپ، فیبر و ذرات هستند طراحی شده‌اند.

مبدل حرارتی ‌لوله‌ی تکی (Single tubesheet):

ورق‌لوله‌ها لوله‌ها را در یک انتهای پوسته، در جای خود نگه می‌دارند. هنگامی که لوله‌ها درون پوسته قرار می‌گیرند، ورق‌لوله یک انتهای پوسته را می‌پوشاند تا مایعات گرم و سرد را در خود نگه دارد. علاوه بر ورق‌لوله، بفل‌ها نیز لوله‌ها را در جای خود درون بدنه‌ی پوسته نگه می‌دارند.

مبدل حرارتی لوله ای دوبل(Double tubesheet):

برای کاربردهایی که تشخیص نشتی یا اختلاط سیال سمت لوله با سیال سمت پوسته ضروری است، از طرح‌های ورق‌لوله‌ی دوتایی به‌منظور تشخیص آسان هر دو استفاده می‌شود. خطر احتمالی اختلاط میان محصول و سیال گرم کننده/سرد کننده تا حد زیادی کاهش می‌یابد چراکه با جریان یافتن محصول در لوله‌ها، سیال گرم کننده/سرد کننده با اولین ورقِ لوله در پوسته آب‌بندی می‌شود و دومین ورقِ لوله محصول را آب‌بندی می‌کند.

فاصله‌ی میان دو ورق‌لوله باز است تا به‌راحتی بتوان نشتی را مشاهده کرد. اگرچه طرح‌های ورق‌لوله‌ی دوتایی مختص کاربردهای دارویی است، اما می‌توان از آنها برای هر کاربردی که مبدل حرارتی پوسته و لوله در آن به کار می‌رود استفاده کرد.

کاربردهای متداول برای مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

محصولاتی با لزجت کم تا متوسط: بسته به محصول خاصی که انتخاب شده ممکن است حاوی ذراتی با اندازه‌ی متغیر باشد.