مبدل حرارتی وسیله ایست که انتقال گرما بین دو سیال که در دماهای متفاوت هستند را تسهیل میکند. کندانسورها، برج های خنک کننده نیروگاهی و انواع بویلرها نمونه های صنعتی از مبدل حرارتی میباشند. رادیاتور اتومبیل یک مبدل حرارتی است که تقریبا هر روزه با آن سر و کار داریم. این دستگاه گرمای موتور را به کمک آب به داخل لوله های رادیاتور انتقال میدهد و در آنجا با هوا خنک میکند.
انواغ مختلف مبدل های حرارتی عبارتند از مبدل هایی که سیال گاز را با گاز خنک میکنند، مبدل هایی که سیال مایع را با مایع خنک میکنند و خنک کننده هایی که سیال مایع را با گاز خنک میکنند. شوفاژ پکیج گرمایش مرکزی ساختمان نمونه ای از مبدل حرارتی که آب داغ را با هوا خنک میکند لذا هوای اطراف شوفاژ گرم تر میشود.
از لحاظ طرز ساخت، پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی، لوله و پره یا باله فلزیست. لوله های مسیری هستند که در آن سیال خنک میشوند و پره ها صفحاتی هستند که سطح انتقال گرما را بیشتر میکنند. بهترین فلز برای انتقال گرما مس است اما در شرایطی که سیال خورنده باشد از لوله های فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل در ساخت مبدل های حرارتی استفاده میشود. در اکثر مبدل ها لوله ها گرد هستند اما در بعضی مواقع نیز از لوله های تخت استفاده میشود تا سطح بیشتری برای انتقال حرارت ایجاد شود.
مبدل های حرارتی صنعتی از قسمت های مختلف پوسته خارجی، صفحات یا باله هایی فلزی، شبکه لوله های داخلی مارپیچ (کویل) و همچنین منیفولد های انتقال سیال به لوله ها ساخته شده است. در این دستگاه ها دو سیال هرگز در تماس مستقیم با یکدیگر قرار نمیگیرند. ارزیابی کل سیستم و پارامترهای مثل نرخ جریان سیال، فشار سیال و نوع مواد در هنگام ساخت یک مبدل حرارتی بسیار مهم است.
جریان مداوم سیالی که قرار است خنک شود داخل لوله ها جریان دارد و باله های فلزی که به لوله ها جوش داده شده اند انتقال حرارت را تسهیل میکنند. رادیاتور های پره دار سیستم های تهویه مطبوع اتومبیل از این نوع هستند که شامل یک فن نیز میباشند. وظیفه فن یا پنکه به جریان انداختن هوا اطراف لوله ها و پره ها میباشد. مبدل هایی که شامل پوسته و لوله هستند اغلب از نوع مبدل هایی هستند که سیال مایع را با یک مایع دیگر خنک میکنند.
شکل ظاهری شبکه لوله ها مارپیچی میباشد و توسط دستگاه های هیدرولیک لوله خم کن و در قالب به شکل قوس مناسب در می آیند. میزان کمان یا قوس لوله ها کاملا دقیق محاسبه می شود تا در جریان و فشار سیال تاثیر نامطلوبی نگذارد. سایز، طول و جنس لوله ها نیز همگی به نرخ جریان سیال و نوع کاربرد مبدل حرارتی بستگی دارد. قوانین و فرمول های ترمودینامیک مبنای محاسبات در طراحی مبدل های حرارتی میباشد.
مبدل های حرارتی با مکانیسم های انتقال حرارتی متنوع طراحی میشوند از جمله جریان متقاطع، ترکیبی یا همزمان. در ساخت مبدل های حرارتی از مواد گوناگون از جمله فولاد، تیتانیوم، مس، گرافیت، سرامیک، کامپوزیت و یا حتی پلاستیک استفاده میشود. مبدل های حرارتی از نظر تغییر حالت سیال دو نوع هستند، تک فاز که در آن شکل و حالت سیال تغییر پیدا نمیکند و یا دو فاز مثل کندانسور که در آن حالت سیال ممکن است از گاز به مایع یا بالعکس تغییر کند.
انواع مبدل های حرارتی از لحاظ طراحی و شکل ساخت عبارتند از:
- مبدل های حرارتی پوسته و لوله
- مبدل های حرارتی دو لوله
- مبدل های حرارتی صفحه ای
- مبدل های حرارتی تغییر حالت مثل کندانسور و یا بویلر
