مبدل حرارتی، به زبان ساده، دستگاهی است که گرما را از سیالی به سیال دیگری، بدون تماس این دو سیال، منتقل میکند. کنترل دما هدف اساسی این تجهیزات است و این هدف با دریافت گرما از یک سمت و تحویل آن به سمت دیگر میسر میشود. در سیستمهای خنک‌کننده گرمای دستگاه به هوا یا سیال جاری در مبدل حرارتی تحویل داده میشود و دمای دستگاه پایین می آید. مبدلهای حرارتی در صنایع مختلف از نفت و گاز تا کمپرسور هوا، و حتی خانه‌های شخصی کاربرد دارد. در خانه‌های شخصی، برای مثال، فن کوئل‌ها نوعی از مبدل حرارتی شل اند تیوب یا پوسته و لوله است.
مبدل حرارتی کمپرسور
فشرده‌سازی باعث افزایش دماست و این پدیده با قانون بویل یا PV=nRT توجیه میشود. در این فرمول با کاهش حجم فشار را افزایش میدهیم و در نتیجه‌ی آن انرژی بیشتری داخل ذرات مولکولی گاز ذخیره شده و انرژی پتانسیل بیشتر به معنای دمای بالاتر است. فشرده سازی از جمله فرآیندهایی است که بهینه‌ی آن آدیاباتیک یا همدماست. برای همین منظور و برای دستیابی به فرآیندی همدما، تمام تلاش در کمپرسور بر آن است که با بهره‌گیری از اینترکولرها و افترکولرها و کولرهای میان مرحله‌ای پروفایل دمایی تا حد امکان پایدار بماند. همچنین کنترل دمای هوا و روغن به سلامت دستگاه نیز کمک میکند. مبدلهایی که بر روی کمپرسورها استفاده میشود برای خنک‌سازی روغن و هواست. اویل کولر یا خنک کننده‌ی روغن گرمای روغن داخل مسیر را میگیرد تا خاصیت روانکاری و ویسکوزیته‌ی آن حفظ شود. خنک کننده‌ی هوا یا افترکولر نیز هوای فشرده را پیش از ورود به سیستم توزیع خنک میکند تا بخار آب تفکیک شده و تخلیه شود. حضور رطوبت در هوای فشرده به محصول نهایی و سیستم توزیع آسیب میرساند.
مبدل حرارتی کمپرسور اسکرو
کمپرسور اسکرو دستگاهی است که برخلاف کمپرسور پیستونی سیکل کاری پیوسته دارد و استراحت نمیکند. این کمپرسورها در خیلی از کارخانجات دو یا سه شیفت کار کرده و همچنین در نسخه‌های پرتابل دیزلی که برای حفاری استفاده میشود نیز به طور مداوم هوادهی هوای فشرده دارند. البته این تنها در مورد کمپرسور هوای اسکرو گفته شد، ولی در مورد کمپرسورهای گاز فرآیندی نیز صادق است.
رایج‌ترین نوع مبدل حرارتی کمپرسور اسکرو مبدل حرارتی روغن-هواست که گرمای روغن با عبور جریان هوا از آن جدا میشود. برخی از مدلها که اصطلاحا آب‌خنک نامیده میشود نیز از به جای جریان هوا از جریان آب استفاده میکند. این ماشین آلات آب‌خنک در دمای هوای بالا یا ظرفیت کاری بالاتر نیز جوابگوست و توان خنک‌کاری آنها بهتر است. البته برای حفظ کیفیت خنک‌کنندگی به کولینگ تاور یا برج خنک کننده نیاز است تا جریان آب سختی و دمای مناسب داشته باشد.
انواع مبدل حرارتی
۱. مبدل حرارتی پوسته و لوله
این نوع مبدل از پوسته ای بزرگ تشکیل شده و داخل آن تعدادی لوله قرار دارد. یکی از سیالهای گذری از داخل لوله‌ها و دیگری اطراف آن داخل پوسته جریان دارد. انتقال حرارت میان این ۲ سیال از طریق دیواره‌ی لوله انجام میشود. ساختار محکم و تحمل فشار بالا عواملی است که مبدل حرارتی شل اند تیوب را به گزینه‌ای ایده‌آل برای صنایع نفت، گاز و پتروشیمی تبدیل کرده است. نگهداری و سرویس این مدل مبدلها آسانتر از باقی مدلهاست و برای دماهای بالا نیز مناسب است.
۲. مبدل حرارتی صفحه ای (بر روی کمپرسورها کاربرد دارد)
چندین صفحه‌ی فلزی نازک با فضای میانی که امکان عبور دو سیال را ایجاد کرده است ترکیبی است که مبدل حرارتی صفحه‌ای را شکل میدهد. انتقال گرما در این نوع مبدل و به موجب سطح گسترده‌ی صفحات به طور موثری رخ میدهد، ولی برای فشارهای بسیار زیاد مناسب نیست. از دلایل بکارگیری این نوع مبدلها بر روی کمپرسورهای هوا وزن کمتر آنهاست. علاوه بر کمپرسور اسکرو، سیستمهای تهویه و صنایع غذایی نیز از این نوع مبدل استفاده میکنند.
۳. مبدل حرارتی هواخنک
این مدل مبدل حرارتی در کمپرسورهای هواخنک استفاده میشود که قطعا بازدهی پایین‌تر و خنک کنندگی پایین تری دارد. سیال با عبور از لوله‌ها و تماس با جریان هوا خنک میشود. فن‌های کمپرسور هوا را به جریان انداخته از روی لوله‌ها عبور میدهد. این نوع مبدل حرارتی با توجه به عدم نیاز به آب، برای مناطق خشک استفاده میشود. طبیعتا تعمیر و نگهداری آن ساده‌تر است و رسوب هم نمیگیرد. بازدهی این مدل مبدل وابسته به دمای محیط نیز هست و در هوای گرمتر عملکرد ضعیفی دارد.
۴. مبدل حرارتی دو لوله‌ای
دو لوله‌ی هم‌محور داریم که یکی داخل دیگری است. یکی از سیال‌ها از لوله داخلی و دیگری میان دو لوله در جریان هستند. انتقال حرارت از دیواره‌ی لوله‌ی داخلی اتفاق میفتد. این طراحی ساده برای ظرفیت‌های پایین و مصارف آزمایشگاهی مناسب است. در مقایسه با باقی مدلها و ابعاد خود ظرفیت پایینی دارد.
۵. مبدل حرارتی فین تیوب یا لوله‌ای پره دار
در این مبدل برای افزایش سطح تماس میان سیال و هوا از پره‌های فلزی استفاده میشود. این مدل دقیقا همان مدلی است که در فن کویلهای خانگی میبینید. این مبدلها با کمک پره‌ها گرما را سریعتر منتقل میکند و به ویژه برای زمانی که یکی از سیالات گاز باشد ایده آل است. سیستمهای سرمایش، تهویه و کمپرسورها از بکارگیرندگان این مدل است. طراحی سبکی داشته و در دماهای بالا نیز کاربردی است. مشابه با فن کویلهای خانگی پره‌ها گرد و غبار میگیرد و به طور دوره‌ای نیازمند رسیدگی و تمیزکاری است.
