مبدلهای حرارتی

مبدلهای حرارتی وسیله ای است که برای انتقال حرارت بین دو یا چند سیال ساخته می شود.

بیشترین استفاده مبدل های حرارتی در حرارت دادن های فضایی ، یخچال ها ، تهویه مطبوع، تجهیزات قدرت ، واحد های شیمی ، پتروشیمی، پالایشگاه ها و نصفیه گازهای طبیعی می باشد.

اجزاء مختلف مبدل های حرارتی :

مبدل های حرارتی موجود در صنایع و کارخانجات معمولا” از نوع پوسته و لوله (Shell & Tube) می باشند .از مزایای این مبدل ها می توان به سطح تماس زیاد در حجم کم ،طرح مکانیکی خوب و توزیع یکنواخت فشار و راحتی تمیز کردن آنها اشاره کرد .

می توان گفت که ساختمان مبدل های حرارتی شامل تعدادی لوله است که در داخل یک استوانه قرار می گیرند ، و دو سیال مورد نظر که یکی سرد و دیگری گرم است ، بدون اینکه بطور مستقیم با یکدیگربرخورد کنند از طریق دیواره فلزی لوله ها با یکدیگر تبادل حرارت خواهند کرد . به عبارت دیگر یکی از این دو سیال در لوله ها و دیگری در اطراف لوله ها ، درون پوسته جریان خواهد داشت.

لوله ها (Tubes) :

تعداد و جنس، قطر ، طول و ضخامت لوله ها به طبیعت سیال ( خورنده یا بی اثر ، تمیز یا کثیف و … ) مقدار جریان سیال ، فشار و درجه حرارت سیال و بار حرارتی مبدل های حرارتی بستگی دارد . لوله ممکن است به صورت راست ( دو سر باز) یا به شکل U روی صفحه ای به نام Tube Sheet پرس یا جوش داده شوند . لوله ها معمولا از جنس فولاد یا مس و گاهی نیز از گرافیت یا تفلون ساخته می شوند .

پوسته (Shell) :

جنس و قطر ، ضخامت و حجم پوسته به طبیعت سیال ، مقدار جریان سیال ، فشار و درجه حرارت سیال و مشخصات دسته لوله (Tube Bundle) از نظر قطر و طول آن بستگی دارد . نوع کاربرد نیز تعیین کننده خواهد بود . از جمله پوسته مبدل های حرارتی از نوع تبخیر کننده و همینطور جوشاننده دارای فضای تبخیر می باشند.

صفحه لوله (Tube Sheet) :

صفحه  دایره ای شکل که سر لوله ها روی آن قرار می گیرد ، جنس و ضخامت و قطر این صفحه به جنس لوله ها ، تعداد لوله ها و نوع مبدل های حرارتی بستگی دارد . لوله ها ممکن است به آن جوش داده شده یا توسط فلانج به آن متصل باشد.

لوله ها عموما” با دو آرایش مربعی یا مثلثی روی صفحه لوله ها نصب می گردند . در آرایش مربعی کمترین مقاومت در مقابل جریان و در نتیجه حداقل افت فشار به وجود می آید . یکی از معایب آرایش مربعی قرار گرفتن نعداد کمتر لوله در یک سطح معین می باشد . وقتی که آرایش لوله ها مثلثی باشد ، افت فشار جریان پوسته بیشتر از وقتی است که آرایش مربعی باشد ، اما میزان انتقال حرارت در آرایش مثلثی بیشتر است .

کانال (Channel) :

جریان سیال به داخل لوله ها از طریق کانال صورت می کیرد . تعداد یک یا دو کانال در هر مبدل موجود است . در مبدل های حرارتی چند گذره (Multipass) از یک صفحه تقسیم کننده جریان استفاده می شود تا کانال به دو یا چند قسمت تقسیم شود .

تیغه (Baffle) :

تیغه ها به شکل دایره برش خورده یا دیسک و حلقه (Disc & Ring) ساخته می شوند . برای افزایش زمان تبادل حرارتی بین لوله ها و سیال درون پوسته از تعداد معین و مناسبی تیغه استفاده می شود . تیغه ها در داخل پوسته قرار گرفته و لوله ها از میان سوراخ های آنها که به تعداد لوله ها می باشند عبور می کنند . این صفحات دو نقش عمده دیگر نیز به عهده دارند . با ایجاد جریان های متقاطع مقاومت فیلمی تشکیل شده روی لوله ها را از بین برده و ضریب انتقال حرارت را بالا می برند . همینطور لوله ها را نگهداشته و از خم شدن آنها جلوگیری  می کنند .

تیغه های طولی (Longitudinal Baffle) گاهی اوقات برای تقسیم کردن جریان پوسته به دو یا سه گذر قرار می گیرند .

سر پوسته  (Shell Head) :

معمولا” به شکل نیمکره ساخته شده و به وسیله پیچ و مهره به پوسته وصل می شود و در مواقع لزوم برای بازرسی لوله ها برداشته می شود .

جریان در لوله ها و پوسته :

در پوسته یک گذر، سیال از یک انتهای مبدل وارد شده و از انتهای دیگر خارج می شود . در یک مبدل حرارتی دو گذر لازم است که سیال از یک انتها وارد و از همان انتها خارج شود . در یک مبدل حرارتی دو گذر لازم است که سیال از یک انتها وارد و از همان انتها خارج شود . انتخاب ترتیب جریان در پوسته بستگی به مقدار سرد یا گرم کردن و نیز افت فشار مورد نیاز و نوع کار دارد . مثلا” مبدل جوشاننده نوع کتری برای جریان های تبخیر شونده در پوسته مناسب است .

برا ی جریان در لوله ها از ۱ تا ۱۶ گذر ممکن است استفاده شود .در یک مبدل حرارتی که دارای دو گذر است ، سیال در میان نیمی از لوله ها در یک جهت و در  میان نیمی دیگر از لوله ها در جهت مخالف جریان می یابد . انجام این کار نیاز به یک صفحه تقسیم کننده در کانال ورودی دارد.

انواع مبدل های لوله و پوسته  :  

مبدل های سر ثابت (Fixed Tube Sheet Exchanger) :

در مبدلهای نوع سر ثابت ، صفحه لوله ها به پوسته جوش یا به وسیله پیچ و مهره محکم شده است ، لذا با تغییرات درجه حرارت جائی برای انبساط لوله و پوسته هر یک به طور جداگانه وجود ندارد. انبساط یا انقباض هر یک از دو جزء فوق به تنهایی ممکن است موجب شکستن و یا خمیدگی لوله ها شود ، لذا اختلاف درجه حرارت دو سیال که با هم تبادل حرارت می کنند نباید زیاد باشد .

برای غلبه بر این مشکل معمولا” از اتصالات انبساطی (Expansion Joint) روی پوسته مبدل استفاده می شود . وقتی که لوله و پوسته سرد شوند اتصال انبساطی و لوله ها منقبض می شوند و کشش وارده بر نقاط جوش خورده کاهش می یابد . به دلیل مشکلاتی که در بازرسی و تمیز کردن مبدل های سر ثابت وجود دارد عموما” در جایی استفاده می شوند که احتمال کثیف شدن پوسته محدود باشد .

مبدل های سر شناور (Floating Head Heat Exchanger) :

در این نوع مبدل ، یکی از صفحع لوله ها بین کانال و پوسته پیچ و مهره شده و در وضعیت ثابتی قرار می گیرد ، اما صفحه لوله دیگر در داخل پوسته به صورت شناور در آمده ، امکان انبساط یا انقباض برای هر یک از دو جزء حامل سیال یعنی لوله و پوسته وجود دارد . از این رو اختلاف درجه حرارت دو سیالی که با هم تبادل حرارت می کنند هر چند که زیاد باشد اشکالی ایجاد نخواهد کرد .

بعد از باز کردن صفحه ثابت ، دسته لوله و سر شناور را می توان مانند واحد یکپارچه بیرون کشید . بدین طریق امکان امکان تمیز کردن و بازرسی  قسمت خارجی لوله ها میسر می گردد . ایراد این مبدل ها فاصله نسبتا” زیاد بین پوسته و لوله می باشد . این فاصله برای تطبیق دادن صفحه شناور لوله ها با پوسته می باشد. چون در این فضا نمی توان لوله ای به کار برد ، این فضا بلااستفاده می ماند و بازده این مبدلها کاهش می یابد . چون در این فضا نمی توان لوله ای به کار برد ، این فضا بلااستفاده می ماند و بازده این مبدلها کاهش می یابد .

مبدل با لوله های U شکل (U – Tube Exchanger) :

این نوع مبدل حرارتی شامل فقط یک کانال و یک صفحه لوله می باشد. از این رو ورودی و خروجی لوله ها از طریق یک کانال که به دو قسمت تقسیم شده است ، صورت می گیرد . همانطور که از نام این مبدل حرارتی پیدا است لوله ها به شکل حرف لاتین U  ساخته می شوند . با باز کردن پیچ و مهره ها ، کانال از پوسته جدا می شود و صفحه لوله ها و دسته لوله ها را می توان از پوسته خارج نمود به طوری که امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت داخلی لوله ها می باشد . از طرفی نمی توان جریان های حاوی مواد جامد (کثیف) را به خاطر ایجاد ساییدگی در خم موجود در لوله ها استفاده کرد . این مبدل ها برای سیالاتی به کار می روند که اختلاف درجه حرارت زیادی داشته باشند ، زیرا انتهای U شکل لوله ها ، امکان انبساط و انقباض را تا حد زیادی به وجود می آورند .

تشخیص نوع و اندازه مبدل های پوسته و لوله :

اندازه نبدل با توجه به کد TEMA با قطر پوسته و طول لوله ها بر حسب اینچ مشخص می شود ، مبدل با اندازه  ۱۹۲ – ۲۳ داری قطر ۲۳ و طول لوله ها ۱۹۲ اینچ می باشد . با توجه به نوع سر ثابت (Stationary Head) نوع پوسته (Shell Type) و نوع سر انتهایی (Rear Head) نیز نوع مبدل  توسط سه حرف لاتین مشخص می شود . مثلا” مبدلی با اندازه ۱۹۲ – ۱۷ نوع AES دارای  پوسته ای به قطر ۱۷ اینچ می باشد . این مبدل دارای یک کانال و یک سرپوش قابل جدا کردن می باشد و دارای پوسته ای با یک گذر و دارای سر شناور با دو نیم حلقه می باشد .

مبدل های دو لوله ای (Double Pipe Heat Exchanger) :

این مبدل حرارتی از دو لوله هم مرکز ساخته شده که یکی کوچکتر از دیگری می باشد. یکی از جریانات از داخل لوله کوچکتر و دیگری از بین دو لوله عبور می کند . گاهی اوقات برای ازدیاد سطح تماس و تبادل حرارتی بهتر سطح خارجی لوله داخلی با پره های (Fins) طولی پوشیده شده می شود . این مبدل ها برای بار حرارتی زیاد مناسب نیستند .

کولر یا خنک کننده هوایی (Fin Fan or Air Cooler ) :

کولر های هوایی برای خنک کردن سیالاتی چون گاز ، مایعات نفتی ، آب و نیز مایع کردن بخارات در صنایع به کار می روند . کولرهای هوایی به اشکال مختلف ساخته می شوند که در زیر شرح مختصری در مورد هر یک داده خواهد شد :

کولر های هوایی با پنکه مکنده (Induced Draft) ، فن بالای کولر قرار می گیرد .

کولر های هوایی با پنکه دمنده  (Forced Draft) ، فن پایین کولر قرار می گیرد .

کولر های هوایی با جریان طبیعی هوا (Natural Draft) ، بدون استفاده از فن ، عمل خنک کردن سیالات را توسط جریان طبیعی هوا انجام می دهد .

کولر های هوایی با استفاده از هوای مرطوب (Humidity Air Cooler) ، علاوه بر داشتن فن ، در زیر آن حوضچه ای پرآب قرار دارد که هوای مورد نیاز را مرطوب می کند . در این حالت عمل خنک کردن بهتر صورت می گیرد .

ساختمان هر چهار نوع مبدل حرارتی فوق از تعداد زیادی لوله های افقی که در داخل آنها سیالی جریان دارد تشکیل می شود .سطح خارجی لوله ها توسط پره های (Fins )عرضی پوشیده شده و در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین نصب می گردد .

کاربرد هر یک از مبدل های حرارتی :

به طورکلی هریک ازمبدل های حرارتی یابرای گرمایش یا سرمایش جریان استفاده می شوند .

مبدل های حرارتی سرد کننده :

خنک کننده (Cooler) :

در این نوع مبدل درجه حرارت بدون اینکه حالت سیال عوض شود کاهش می یابد . به عبارت دیگر قسمتی از گرمای محسوس سیال گرفته می شود . اگر عمل سرد کردن توسط آب صورت گیرد به آن کولر آبی (Water Cooler) می گویند و دارای ساختمان معمولی مبدل های حرارتی پوسته و لوله می باشد .

چگالنده (Condenser) :

وظیفه این مبدل تبدیل بخار به مایع است  و بر این اساس لازم است که گرمای نهان تبخیر یک بخار را جذب تا به مایع تبدیل شود . این مبدل می تواند ساختمان یکی از انواع خنک کننده های آبی یا هوایی را داشته باشد و معمولا” به طور افقی نصب می شوند .

سرد کننده (Chiller) :

می دانیم هر مایعی که بخواهیم تبخیر شود احتیاج به انرژی حرارتی دارد و اگر این انرژی را از محیط بگیرد به ناچار محیط سرد خواهد شد ، در صنایع نفت برای تولید سرما از مایعات نفتی مثل پروپان و بوتان که در شرایط متعارفی بخارند استفاده می شود .

سرد کننده دارای ساختمان پوسته و لوله بوده و در قسمت فوقانی پوسته دارای فضایی جهت تبخیر پروپان می باشد. مایع پروپان از ته مبدل وارد و در اطراف لوله ها تبخیر و تولید سرما می کند .

مبدل های حرارتی گرم کننده :

تمام مبدل های حرارتی که وظیفه افزایش درجه حرارت مواد را به عهده دارند در حقیقت گرم کننده (Heater) می باشند . مانند جوشاننده ، تبخیر کننده ، کوره و …

جوشاننده (Reboiler) :

این مبدل بر خلاف تبخیر کننده (Vaporizer) ، تنها جزئی از کل مایع را که مورد نظر می باشد به حالت بخار تبدیل می کند . جوشاننده ها معمولا” دارای ساختمان لوله و پوسته و به قسمت پایین برج تفکیک متصل می شود

جوشاننده نوع سیفونی (Thermosyphon) :

معمولا” به طور عمودی در کنار برج نصب می شود . جریان مایع از ته برج  به لوله ها بر اساس خاصیت سیفونی برقرار می شود . به این ترتیب که تبخیر جزئی از مایع داخل لوله بر اساس خاصیت سیفونی بر قرار می شود . به این ترتیب که تبخیر جزئی از مایع داخل لوله توسط سیال گرم باعث می شود که سطح مایع در نبدل حرارتی نسبت به برج پایین تر رفته و به وجود آمدن این اختلاف سطح موجب جریان مایع از برج به مبدل حرارتی خواهد شد .

تحلیل مبدل حرارتی:

اگر نرخ کلی انتقال گرما بین سیال سرد و گرم باشد و انتقال گرمای بین مبدل حرارتی و محیط و تغییرات ارژی جنبشی و پتانسیل ناچیز باشد داریم-

q = m_h c_p,h(T_h,i-T_h,o)  (۱)

q = m_c c_p,c(T_c,o-T_c,i)   (۲)

رابطه مفید دیگر را میتوان از ارتباط بین نرخ انتقال گرمای کل و اختلاف دمای لگاریتمی بین سیال بدست آورد.رابطه مورد نظر تعمیمی از قانون سرمایش نیوتن است.

q = UAΔT_lm      (۳)

U=ضریب انتقال گرمای کلی

A=سطح تبادل گرمایی

ΔT_lm=( ΔT₂– ΔT₁)/Ln(ΔT₂/ ΔT₁)

جریان همسو:

در آرایش جریان همسو سیال گرم وسرد از یک انتهای مبدل وارد می شوند ،همسو جریان دارند و از یک انتها خارج می شوند.

آرایش جریان در مبدل های حرارتی:

یک گونه طبقه بندی مبدل های حرارتی ، بر حسب آرایش و نحوه حرکت جریان سیال در آنها است.در مبدل های حرارتی ((جریان موازی)) ، دو سیال وارد شده ، هر دو از یک سوی مبد وارد آن می شوند و یه صورت موازی همراه یکدیگر تا رسیدن به آن سوی مبدل حرکت می کنند. در مبدل های حرارتی با جریان های نا همسو، سیالات وارد شده به مبدل حرارتی، از دو سوی مخالف وارد گشته و جهت حرکت آنها مخالف یکدیگر است.این نوع مبدل بسیار موثرتر از نوع جران نوازی یا ((همسو)) می باشد زیرا میزان حرارت انتقال یافته از دو سیال به یکدیگر بیشتر است.برای اینکه بازده مبدل های حرارتی بالاتر رود، طوری آن را طراحی می کنند که بیشترین سطح تماس و کمترین مقاومت حرکتی بین دو سیال ایجاد گردد.کارایی مبدل های حرارتی با اضافه کردن فین ها و موج های اضافی، حتی بیشتر خواهد شد زیرا سطح تماس بیشتر از قبل شده و در سیال ایجاد تلاطم می کند.

حرارت انتقال یافته توسط نبدل حرارتی، به موقعیت آن نیز بستگی دارد.برای این منظور از LMTD استفاده می کنند تا وضعیت بهتری به مبدل اعمال کنند.ولی گاهی اوقات، اطلاعاتی از LMTD در دسترس نیست، بنابراین به ناچار از روش NTU در چنین مواردی استفاده می گردد.

انواع مبدل های حرارتی به طور خلاصه:

*مبدل حرارتی پوسته-لوله: این نوع نبدل ها ، حاوی یک سری از لوله ها می باشند.یک دسته از این لوله ها مختص سیالی است که باید انتقال حرارات بر روی آن انجام گردد.سیال دیگر ، بر روی لوله ها و در پوسته حرکت می کند ، بنابراین هم می تواند حرارت را تز سیال به درون خود جذب کند یا به سیال حرارت دهد، هم می تواند آن حرارت را به بیرون پوسته انتقال دهد.لوله ها اقسان مختلفی دارند: لوله های پهن، صفحه ای، پره دار بلند و… . این نوع مبدل های حرارتی ، در فشار های بالا (حدود و بیشتر از ۳۰ بار) و دماهای بالاتر از ۲۶۰ سانتیگراد کاربرد دارند که دلیل آن ، قابلیت تحمل این شکل از نبدل ها در چنین شرایطی است.

در طراحی چنین مبدل های حرارتی، موارد زیر بهتر است که نادیده گرفته نگردد:

ابعاد لوله:هرچه ابعاد لوله کمتر باشد، مبل حرارتی کوچکتر و اقتصادی تری خواهیم داشت و پر شدن مبدل نیز راحت تر انجام گردد ولی تمیز سازی مکانیکی آن در عوض، مشکل تر خواهد شد.

ضخامت لوله:که باید بهینه باشد زیرا:

مقاومت در برابر خوردگی بالا رود،مقاومت در برابر ضریه های جریان سیال بالا تر رود، مقاومت محوری بیشتر گردد.

بلندی لوله

تراکم و تعداد لوله ها

میزان موج های لوله ها که هر چه موارد یاد شده بهینه تر باشند، میزان انتقال حرارت بیشتر خواهد بود.

جانمایی و زاویه نصب لوله ها:چهار نوع چیدمان عمده عبارتند از:

مثلثی:تصب لوله ها با زاویه ۳۰ درجه  نسبت به محور

مثلثی وارونه:نصب لوله ها با زاویه ۶۰ درجه نسبت به محور

مربعی: نصب لوله ها با زاویه ۹۰ درجه نسبت به محور

مریعی وارونه: نصب لوله ها با زاویه ۴۵ درجه نسبت به محور

و در آخر نیز باید به طراحی پره ها اشاره کرد که بحث راجب آنها از حوصله این مبحث خارج است.

مبدل های حرارتی صفحه ای:نوع دیگر از مبدل های حرارتی، مبدل های حرارتی صفحه ای است که از صفحه های چندگانه ، نازک ، پهن و جدا از هم که سطح زیادی از سیال را در بر می گیرد تشکیل شده است.

راندمان این نوع مبدل های حرارتی نسبت به مبدل های حرارتی پوسته-لوله کمتر است، چیدمان آنها راحت تر است ولی بر خلاف ظاهرشان، طراحی سخت تری داند ولی هزینه تمام شده برای ستخت آنها ارزان تر از مبدل های حرارتی پوسته-لوله است.

*مبدل های حرارتی بازیافت کننده: نوع سوم از مبدل های حرارتی می باشد که در آن، سیالی که باید انتقال حرارت از آن انجام گردد در قاب پوسته ، و سیال دوم بر روی پوسته حرکت می کند.

نکته ای جلب توجه می کند، این است که سیال دوم توسط عمال سومی خنک ( یا در بعضی مواقع ، گرم) میگردد و به هیچ عنوان از مبدل حرارتی خارج نمی گردد.این نوع مبدل ها، جزء گرانترین مبدل ها از لحاظ تولید و باصرفه ترین مبدل ها از لحاظ صنعتی هستند.

*مبدل های حرارتی آدیاباتیک غلتکی و و مبدل های حرارتی صفحه پره ای و مبدل های حرارتی سیالات خاصّ نیز دیگر انواع مبدل های حرارتی هستند که توضیحات بیشتر را می توانید از منابع آخر این گزارش کار بدست آورید.

مبدل های حرارتی بر اساس :

۱_ پیوستگی یا تناوب جریان

۲_ فرآیندانتقال

۳_ فشردگی یا تناوب جریان

۴ _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن

۵ _ درجه حرارت کارکرد

۶_ سازوکار انتقال حرارت

۷_ تعداد سیال

۸_ آرایش جریان

دسته بندی می شوند.

انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :

۱-مبدل های حرارتی لوله ای (tube” heat exchanger”) :

این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :

۱_ تک لوله ای

۲_ دولوله ای

۳_ لوله مار پیچ

۴_ چند لوله ای

۵_ لوله پوسته

مبدل حرارتی دو لوله ای (Double tube” heat exchanger”)

ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U  تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد .

لوله های هم محور ری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی ۱۸۰ درجه مطابق شکل فوق برگشت داده می شود . در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور میکند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود . به شکل زیر توجه کنید :

از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریانهای سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .

در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .

مبدل های حرارتی لوله مارپیچ (“hellflow spiral” heat exchanger)

این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .

معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .

از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :

معایب :

۱_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمانبر است

۲_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است

مزایا :

۱_ راندمان بالا

۲_ مونتاژ آسان

۳_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض

۴_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین

مبدل های حرارتی لوله _ پوسته (“shell & tube” heat exchanger)

متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :

لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )

این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .

در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .

دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.

سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل (Baffle) استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار می گیرند . هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .

مبدل های حرارتی صفحه ای ((“plate” heat exchanger

این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به  به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :

مبدل حرارتی صفحه و شاسی((“plate & farme” heat exchanger

این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد .  بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .

مبدل های حرارتی پره دار

در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .

مبدل حرارتی صفحه پره((flat plate exchanger

در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها مو جب افزایش سطح تماس و در نتیجه  انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.

این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود .

اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی:

مبدل های حرارتی دو لوله ای را درنظر بگیرید. سیال ممکن است به صورت موازی یا مختف الجهت جریان یابد و پروفایل های درجه حرارت برای این دو حالت بدست می آید. انتقال حرارت در این آرایه دو لوله ای برابراست با :

در نمودار های زیر پرو فایل درجه حرارت برای جریان های همسو و ناهمسو نشان داده شده است.