مبدل حرارتی

مبدل حرارتی تجهیزی است که بوسیله آن عمل انتقال حرارت و تبادل گرما بین دو سیال که در دماهای متفاوت هستند، برقرار می‌گردد. انتقال حرارت می‌تواند بین دو سیال مایع – مایع، مایع – گاز، و گاز – گاز، صورت پذیرد. مبدل‌های حرارتی در بین تجهیزات فرایندی از جمله پرکاربردترین دستگاهها در صنایع مختلف به حساب می‌آیند و از انواع آنها جهت مقاصد گوناگون انتقال حرارت در محیط‌های صنعتی استفاده می‌شود.

مبدل حرارتی

 طبقه بندی مبدل‌های حرارتی

 مبدل‌های حرارتی را با توجه به جنبه‌های گوناگون عملکردی می‌توان بصورت زیر طبقه بندی کرد:

• تقسیم بندی از نظر نوع فرایند انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم (تماس مستقیم، غیر مستقیم)
• تقسیم بندی از نظر نوع کاربرد بر اساس استاندارد TEMA
• تقسیم بندی از نظر طراحی ساختمان هندسی و ساختار مکانیکی (لوله‌ای، صفحه‌ای، پره‌ای)

 تقسیم بندی مبدل‌های حرارتی از نظر نوع فرایند انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم

بر این اساس مبدل‌های حرارتی در سه گروه زیر قرار می‌گیرند:

• مبدل‌های حرارتی از نوع بهبودی بخش (Recuperative)
• مبدل‌های حرارتی از نوع احیاء کننده (Regenerative)
• مبدل‌های حرارتی از نوع تماس مستقیم (Direct Contact )

الف. مبدل‌های حرارتی از نوع بهبودی بخش: در این نوع مبدل ها، سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال حرارت از طریق سطح مذکور بصورت غیر مستقیم صورت می‌گیرد.

ب. مبدل‌های حرارتی از نوع احیاء کننده: در این نوع مبدل ها، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت‌هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می‌گیرند. این نوع مبدل‌ها بیشتر در مقیاس‌های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ج. مبدل‌های حرارتی از نوع تماس مستقیم: در این نوع مبدل‌های حرارتی، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده (هیچ دیواره‌ای بین جریانهای سرد و گرم وجود ندارد) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می‌گیرد. در مبدل‌های تماس مستقیم، جریانها شامل دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل‌ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند. از این مبدل‌ها می‌توان به برج‌های خنک کننده، کولرهای آبی و گرم کن‌های Open Feed Water Heater موجود در نیروگاه‌های بخار اشاره کرد.

 تقسیم بندی مبدل‌های حرارتی از نظر نوع کاربرد بر اساس استاندارد TEMA

• گروه B: مبدل‌هایی که جهت استفاده در صنایع شیمیایی بکار می‌روند.
• گروه C: مبدل‌هایی که جهت استفاده در کاربردهای عمومی و تجاری بکار می‌روند.
• گروه R: مبدل‌هایی که جهت استفاده در صنایع نفت بکار می‌روند.

مبدل حرارتی- تقسیم بندی بر اساس TEMA

  تقسیم بندی مبدل‌های حرارتی از نظر طراحی ساختمان هندسی و ساختار مکانیکی

بر این اساس مبدل‌های حرارتی در سه گروه زیر قرار می‌گیرند:

• مبدل‌های حرارتی لوله‌ای (Tube Type Heat Exchanger)
• مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (Plate Type Heat Exchanger )
• مبدل‌های حرارتی با سطوح پره دار (Fin Type Heat Exchanger)

مبدل‌های مقاوم در برابر خوردگی نیز در این تقسیم بندی گنجانده شده اند. این مبدل‌ها را بر اساس نوع پوشش دهی (Coating) که در آنها بکار رفته است به سه دسته Teflon, Glass Graphite تقسیم بندی می‌کنند که بر اساس شرایط عملیاتی می‌توانند بکار گرفته شوند. مبدل‌های دیگری نیز وجود دارند که دارای کاربردهای ویژه و خاص می‌باشند که می‌توان به مبدل‌های Electrically Heated اشاره کرد.

 انواع مبدل‌های حرارتی

در ادامه مباحث به معرفی انواع مبدل‌های حرارتی که بر اساس ساختار هندسی تقسیم بندی می‌شوند پرداخته شده است.

انواع مبدل‌های حرارتی لوله‌ای شامل:

• پوسته و لوله‌ای (Shell and Tube )
• دو لوله‌ای (Double Pipe)
• مارپیچ یا حلزونی (Spiral Tube)

 انواع مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای شامل :

• صفحه‌ای واشر دار (Gasket Plate)
• صفحه‌ای مارپیچ یا حلزونی (Spiral Plate)
• صفحه‌ای لایه‌ای (Lanella)

 انواع مبدل‌های حرارتی با سطوح پره دار شامل:

• صفحه‌ای پره دار (Fin Plate)
• لوله‌ای پره دار (Fin Tube)

 مبدل‌های حرارتی لوله ای

این مبدل‌ها از لوله‌هایی با مقطع دایره‌ای ساخته شده اند. یک سیال در داخل لوله‌ها و سیال دیگر در خارج لوله جریان دارد. قطر، تعداد، طول گام و آرایش لوله‌ها قابل تغییر می‌باشد. بنابراین الگوهای متفاوتی در طراحی آنها وجود دارد. مبدل‌های حرارتی لوله‌ای به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:

• پوسته و لوله‌ای (Shell and Tube).
• دو لوله‌ای (Double Pipe)
• مارپیچ یا حلزونی (Spiral Tube)

 مبدل حرارتی پوسته و لوله‌ای (Shell and Tube Heat Exchanger ):

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله‌ای از لوله‌هایی با مقطع دایره‌ای که در پوسته‌ای استوانه‌ای شکل قرار گرفته اند ساخته می‌شوند. در این مبدل‌ها محور لوله‌ها موازی با محور پوسته می‌باشد که در آنها یک سیال از داخل لوله‌ها و سیال دیگر در داخل پوسته، بصورت موازی با هم و در یک طول و یا به صورت متقاطع با لوله‌ها جریان می‌یابد. هادی حرارت دیواره لوله می‌باشد بنابراین جنس لوله‌ها می‌بایست به نحوی انتخاب شوند که علاوه بر استقامت، از انتقال حرارت خوبی نیز برخوردار باشند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله‌ای

این مبدل‌ها رایج ترین نوع مبدل‌های حرارتی هستند و بطور وسیعی در فرآیندهای انتقال حرارت برای کاربردهای مایع / مایع، و یا به عنوان خنک کننده روغن، چگالنده و پیش گرم کننده در نیروگاه‌ها، مبدل‌های بخار در نیروگاه‌های هسته ای، در کندانسورها و مولدهای بخار، در کاربردهای صنایع فرآیندی و شیمیایی و …. استفاده می‌شوند. 

در طراحی این مبدل‌ها در نظر گرفتن هزینه کم و تمیز نمودن آسان مجموعه و انبساط حرارتی پوسته و لوله ها، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. و به سبب آرایش‌های مختلف جریان در سمت پوسته و لوله، با توجه به ظرفیت گرمایی، افت فشار، سطح فشار، تشکیل رسوب، کنترل خوردگی، استفاده می‌شوند.

این نوع مبدل‌ها در ظرفیت‌ها و ابعاد و اشکال مختلف ساخته می‌شوند و بسته به نوع و محل مصرف از مواد مختلفی از جمله فولاد کربن دار، فولادهای آلیاژی، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، مونل و غیره در ساخت آنها استفاده میشود. کلیه عملیات ساخت بر اساس رعایت استانداردهای ISO،ASTM،  DIN، ASME و TEMA می‌باشد.

 اجزای اصلی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله‌ای

 اجزای مهم تشکیل دهنده این مبدل‌ها عبارتند از:

• پوسته (Shell )
• لوله (Tube)
• صفحه لوله (Tube Sheet)
• بافل (Baffle)
• سر جلو (Front Head)
• سر عقب (Rear Head)
• نازل (Nozzle) 

از پوسته (Shell)، برای عبور یک سیال (معمولا آب) استفاده می‌شود همچنین پوسته محلی است که لوله‌ها در آن قرار می‌گیرند. انواع متفاوت پوسته‌ها و انواع متفاوت سرهای جلویی و عقبی توسط انجمن سازندگان مبدل‌های لوله‌ای (TEMA) استاندارد شده اند و با حروف الفبا معرفی می‌گردند.

پوسته نوع E: این پوسته رایج ترین نوع برای استفاده با سیال یک فاز میباشد و به دلیل ارزانی و سادگی، پرکاربرد ترین نوع پوسته است. سیال در این پوسته با حرکت در یک مسیر، از یک انتها وارد و از انتهای دیگر خارج می‌شود. در سمت پوسته یک گذر وجود دارد. لوله‌ها می‌توانند یک یا چند گذر داشته باشند و توسط دیوارکهای عرضی عمود بر لوله ها، نگه داشته می‌شوند.

• پوسته نوع F: برای افزایش اختلاف دماهای موثر و در نتیجه افزایش کارایی میدل، می‌توان آرایش جریان سیال را در جهت مخالف هم فراهم نمود، این آرایش با استفاده از پوسته نوع F بدست می‌آید که نهایتا در مسیر حرکتی در پوسته حاصل می‌گردد. سیال در این پوسته از یک انتها وارد و از همان انتها در سمت مخالف خارج می‌شود
• پوسته نوع G: این پوسته در مرکز دارای دیواری افقی می‌باشد که دو انتهای آن برداشته شده، بدین وسیله جریان در پوسته به دو نیم تقسیم می‌شود. نازل‌های ورودی و خروجی با زاویه ۱۸۰ درجه در وسط لوله‌ها قرار دارند. پوسته نوع G دارای افت فشاری برابر با پوسته نوع E می‌باشد و می‌تواند برای جریان‌های یک فاز استفاده گردد.
• پوسته نوع H: این پوسته دارای دو دیوارک افقی تقسیم کننده جریان، دو نازل ورودی و دو نازل خروجی می‌باشد. در این پوسته سیال ورودی به چهار قسمت تقسیم می‌شود.
• پوسته نوع J: در این پوسته نیز جریان تقسیم می‌شود. سیال ورودی در وسط قرار گرفته و به دو قسمت تقسیم می‌شود، یک نازل در وسط و دو نازل در نزدیکی دو انتها قرار دارند. این پوسته دارای کاربردهایی با افت فشار کم طراحی، مانند چگالنده در خلاء نسبی است. هنگامی که این پوسته برای سیال در حال چگالش در سمت پوسته استفاده می‌شود، دو ورودی بخار و یک خروجی مرکزی برای چگالیده وجود خواهد داشت.
• پوسته نوع K: این پوسته که به Kettle Type Reboiler معروف است دارای یک دسته لوله در کف پوسته و فضای بدون لوله در بالای خود می‌باشد. از این نوع پوسته وقتی استفاده می‌شود که نیاز است بخشی از جریان ورودی به مبدل، تبخیر شود و بخار به برج تقطیر بازگردد. مایع تغذیه از نازل نزدیک صفحه لوله، وارد پوسته می‌شود و بخار تقریبا خشک از نازل بالایی خارج می‌گردد. در سمت راست پوسته یک صفحه با نام Weir Plate قرار دارد و به عنوان یک سرریز بکار می‌رود، مایع تبخیر نشده، از این سرریز انتهایی ریزش کرده و از طریق نازل سمت راست خارج می‌شود.
• پوسته نوع X: در این پوسته هر دو نازل ورودی و خروجی در مرکز قرار گرفته است. معمولا دارای توزیع کننده گنبدی شکل می‌باشد. سیال ورودی در پوسته روی تمامی طول لوله‌ها پخش میشود و با آنها آرایش جریان متقاطع می‌سازد. هیچگونه دیوار کی در این پوسته استفاده نشده است در نتیجه افت فشار بسیار ناچیز می‌باشد. این پوسته برای چگالنده‌های خلاء و فشارهای کم استفاده می‌شود.

از لوله‌ها (Tubes) برای عبور یک سیال دیگر استفاده می‌شود. سطح انتقال حرارت به تعداد و طول و قطر خارجی لوله‌ها بستگی دارد. زمانیکه هر یک از اینها افزایش یابد، سطح موثر در انتقال حرارت نیز بالا می‌رود. هر چه سطح به هادی بیشتر باشد حرارت سریعتر هدایت می‌شود بدین معنی که در مبدل‌ها بجای استفاده از یک لوله با قطر بزرگ، از یک دسته لوله با قطر کم استفاده می‌شود که این عمل سطح را به منظور انتقال حرارت افزایش می‌دهد. لوله‌های یک مبدل می‌تواند صاف و یا تیغه دار باشند و این تیغه‌ها ممکن است بر روی سطح خارجی و یا درون سطح داخلی لوله قرار گرفته باشند. تیغه‌ها باعث افزایش سطح تماس و در نتیجه آن افزایش انتقال حرارت می‌شوند. معمولی ترین قطر‌های خارجی لوله‌ها در سایزهای ½  و ¾  و ۱ اینچ می‌باشد.

جهت نگه داشتن تیوپ‌ها در یک طول، از دو صفحه فلزی که در ابتدا و انتهای مبدل قرار می‌گیرد و بر روی آنها به تعداد تیوپ‌های داخل مبدل سوراخ ایجاد شده است استفاده می‌شود. کلیه تیوپ‌ها به دو صفحه لوله به روش جوشی و یا پرسی متصل می‌شوند که به این صفحه لوله‌ها Tube Sheet می‌گویند. اتصال بصورت پرسی آب بندی بهتری دارد و برای فشار‌های نسبتا بالا تا ۲۰۰ پوند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لوله‌ها و صفحه لوله‌ها مجموعا یک واحد ثابت را تشکیل می‌دهند، به ترکیب لوله‌ها و صفحه لوله ها، دسته لوله (Tube Bundle) می‌گویند.

می دانیم که حرارت موجب انبساط فلز می‌شود بنابراین لوله‌ها و صفحه لوله‌ها بدلیل حرارت منبسط می‌شوند، و نتیجه آن ایجاد نشتی از محل اتصال لوله‌ها و صفحه لوله‌ها می‌باشد. این اتفاق باعث می‌شود که یک سیال توسط سیال دیگر آلوده شود. برای پیشگیری در جاهایی که مطلقا نباید نشتی وجود داشته باشد، از دو صفحه لوله برای هر سمت مبدل استفاده می‌شود. این طرح بین دو صفحه لوله فضایی را فراهم می‌کند و سیال نشت شده وارد این فضا می‌شود و چون فضای بین صفحه لوله‌ها به خارج از مبدل راه دارد سیال می‌تواند از مبدل خارج شود.

لوله‌ها به شکل‌های مختلفی نصب می‌شوند. لوله‌ها در ردیف‌های موازی و بصورت افقی و یا عمودی قرار می‌گیرند که به این حالت، آرایش خطی (In Line) می‌گویند. آرایش لوله‌ها بصورت مربعی و یا مثلثی انجام می‌گیرد. در آرایش خطی مربعی تعداد کمتری از لوله‌ها در یک سطح معین جا می‌گیرند بنابراین انتقال حرارت کمتر خواهد بود همچنین در این آرایش کمترین مقاومت در برابر جریان وجود دارد و در نتیجه افت فشار کمتری بوجود می‌آید. در آرایش مثلثی تعداد بیشتری لوله در یک سطح معین جای می‌گیرد و میزان مقاومت در مقابل جریان بیشتر است بنابراین در این آرایش انتقال حرارت و افت فشار بیشتر خواهد بود. البته در انتخاب آرایش لوله‌های نوع جریان و طبیعت سیال نیز از نقطه نظر رسوب دهی، به عنوان یک عامل مهم در نظر گرفته می‌شود، که این امر متاثر از نوع تمیز کاری می‌باشد. جدول زیر در انتخاب آرایش لوله‌ها بکار می‌رود. (جدول) 

جدول  انتخاب آرایش لوله‌ها

در مبدل حرارتی از صفحاتی تحت عنوان صفحات انحراف دهنده یا بافل (Baffle) استفاده می‌شود. این صفحات با شکستن جریان یکنواخت سیال باعث افزایش میزان انتقال حرارت می‌شوند، همچنین علاوه بر آن، بافل‌ها وزن لوله‌ها را تحمل می‌کنند و برای لوله‌های با طول زیاد که احتمال خم شدن آنها وجود دارد از این اتفاق جلوگیری می‌کنند. تحمل وزن لوله‌ها بوسیله بافل‌ها سبب کاهش نیروی کششی وارده به لوله‌ها و صفحه لوله‌ها می‌شود.

بافل‌ها قطعه‌ای دایره شکل هستند که قسمتی از آن بصورت افقی و یا عمودی و یا از مرکز دایره بریده شده است. اشکال مختلفی از بافل‌ها در مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد که به سه دسته کلی زیر تقسیم بندی می‌شوند:

• صفحات انحراف دهنده قطعه‌ای (Cut Segmental Baffles )
• صفحات انحراف دهنده حلقه و صفحه (Disc and Doughnut Baffles)
• صفحات انحراف دهنده روزنه‌ای (Orifice Baffles)

 انواع بافل‌های فوق الذکر هر کدام جهت کاربرد خاص با توجه به شرایط عملیاتی و نوع سیال انتخاب می‌شوند. به عنوان مثال صفحات انحراف دهنده حلقه و صفحه برای سیالات رسوب زا بدلیل اینکه رسوب در پشت حلقه جمع می‌شود و از جاری شدن سیال در امتداد مبدل جلوگیری می‌کند مناسب نیستند. 

برای تقسیم جریان سیال در درون پوسته از، صفحات انحراف دهنده طولی (Longitudinal Plates) استفاده می‌شود. بواسطه این صفحات می‌توان جریان را به دو یا چند مسیر تقسیم نمود. انتخاب تعداد مسیر جریان در پوسته، به میزان انتقال حرارت و همچنین افت فشار بستگی دارد. واضح است که هنگامیکه تعداد مسیر‌ها افزایش یابد زمان موثر تماس سیال داخل پوسته با لوله‌ها افزایش می‌یابد.

در صورتی که سرعت سیال ورودی به پوسته زیاد باشد، سیال می‌تواند بطور جدی باعث فرسایش لوله‌ها شود. اگر سیال ورودی دارای ذرات جامد معلق نیز باشد اشکال شدیدتر می‌شود. بدین منظور و جهت جلوگیری از آسیب رسیدن به لوله ها، در محوطه ورودی جریان به فضای پوسته (داخل پوسته و جلوی نازل ورودی)، از صفحه انحراف دهنده جریان ورودی (Impingement Plate) استفاده می‌شود. بنابراین اگر فرسایش داشته باشیم بر روی این صفحه است که بعد از مدتی کار کرد می‌توان آن را تعویض نمود.

این صفحه به پخش کردن جریان سیال کمک کرده و آن را به طرف کناره‌های مبدل هدایت می‌کند. علاوه بر جلوگیری از فرسایش لوله‌ها با پخش کردن سیال باعث افزایش سطح تماس بین لوله‌ها و سیال شده و میزان انتقال حرارت را نیز افزایش می‌دهد. 

از دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل (Front and Rear Head) برای ورود و خروج سیال به لوله‌ها استفاده می‌شود و بسته به نیاز و کاربرد دارای انواع مختلفی می‌باشند. این قطعات به گونه‌ای طراحی و ساخته میشوند که سیال توسط Channel به سمت ورودی و خروجی لوله‌ها هدایت شود. چنل قطعه‌ای است که به صفحه لوله (Tube Sheet) اتصال پیدا می‌کند و ورود و خروج سیال به درون لوله‌ها بوسیله آن انجام می‌گیرد.

از نازل‌ها برای ورود و خروج سیال به مبدل حرارتی (قسمت پوسته و لوله‌ها) استفاده می‌شود که شامل نازل‌های ورودی (Inlet Nozzle) و نازل‌های خروجی (Outlet Nozzle) می‌شوند.

 مبدل حرارتی سر ثابت (Fixed Tube Sheet Heat Exchanger)

در مبدل‌های نوع سر ثابت، صفحه لوله‌ها به پوسته جوش یا به وسیله پیچ و مهره محکم شده است، و دسته لوله‌ها بطور ثابت نصب شده اند. در این مبدل ها، با تغییرات درجه حرارت و بوجود آمدن انبساط و انقباض، بر روی دسته لوله‌ها کشش وارد می‌شود. انبساط یا انقباض به تنهایی ممکن است موجب شکستن و یا خمیدگی لوله‌ها شود، لذا اختلاف درجه حرارت دو سیال که با هم تبادل حرارت می‌کنند نباید زیاد باشد، مبدل‌های سر ثابت مواقعی بکار می‌روند که تغییرات درجه حرارت محدود باشد.

مبدل حرارتی سر ثابت

برای غلبه بر این مشکل معمولا از اتصالات انبساطی (Expansion Joint) روی پوسته مبدل استفاده می‌شود. وقتی که لوله‌ها داغ شوند اتصال انبساطی به پوسته اجازه انبساط می‌دهد و وقتی که لوله‌ها و پوسته سرد شوند اتصال انبساطی و لوله‌ها منقبض می‌شوند و کشش وارده بر نقاط جوش خورده و لوله‌ها و پوسته کاهش می‌یابد. به دلیل مشکلاتی که در بازرسی و تمیز کردن مبدل‌های سر ثابت وجود دارد عموما در جایی استفاده میشوند که احتمال کثیف شدن پوسته محدود باشد. فضای پوسته مبدل سر ثابت می‌بایست توسط مواد شیمیایی تمیز گردد زیرا دسته لوله‌ها را از قسمت پوسته نمی‌توان خارج کرد.

 مبدل حرارتی سر شناور (Floating Head Type Heat Exchanger)

در این نوع مبدل، صفحه لوله‌ی سمت راست بین کانال و پوسته پیچ و مهره شده و در وضعیت ثابتی قرار دارد، اما صفحه لوله ی سمت چپ با سرپوش مربوط به آن در داخل پوسته به صورت شناور در آمده و می‌تواند بصورت افقی حرکت کند. 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 می‌کنند هر چند که زیاد باشد اشکالی ایجاد نخواهد کرد، بعد از باز کردن صفحه ثابت، دسته لوله و سر شناور را می‌توان مانند واحد یکپارچه بیرون کشید. بدین طریق امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله‌ها میسر می‌گردد.

ایراد این مبدل‌ها فاصله نسبتا زیاد بین پوسته و لوله می‌باشد. این فاصله برای تطبیق دادن صفحه شناور لوله‌ها با پوسته می‌باشد. چون در این فضا نمی‌توان لوله‌ای به کار برد، این فضا بلااستفاده می‌ماند و بازده این مبدل‌ها کاهش می‌یابد.

مبدل حرارتی سر شناور

نوعی از طراحی که امکان انبساط گرمایی مستقل لوله‌ها و پوسته را فراهم می‌کند، لوله U شکل است. بنابراین در طراحی U Tube Boundle، انبساط گرمایی می‌تواند وجود داشته باشد و محدود نیست. این نوع مبدل حرارتی شامل فقط یک کانال و یک صفحه لوله می‌باشد. از این رو ورودی و خروجی لوله‌ها از طریق یک کانال که به دو قسمت تقسیم شده است، صورت می‌گیرد.

همانطور که از نام این مبدل حرارتی پیدا است لوله‌ها به شکل حرف لاتین ساخته می‌شوند. با باز کردن پیچ و مهرهها، کانال از پوسته جدا میشود و صفحه لوله‌ها و دسته لوله‌ها را میتوان از پوسته خارج نمود به طوری که امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله‌ها می‌باشد. وجود خم در لوله‌ها مانعی برای تمیز کردن و بازدید قسمت داخلی لوله‌ها می‌باشد. همچنین تنها لوله‌های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله قابل تعویض می‌باشند. دسته لوله‌ها می‌توانند با حداقل نیاز باز کردن قطعات خارج شوند که در واحدهای تشکیل رسوب سنگین حائز اهمیت می‌باشد.

این مبدل‌ها برای سیالاتی به کار می‌روند که اختلاف درجه حرارت زیادی داشته باشند، زیرا انتهای U شکل لوله‌ها، امکان انبساط و انقباض را تا حد زیادی به وجود می‌آورند. همچنین نمی‌توان جریان‌های حاوی مواد جامد و کثیف را به خاطر ایجاد ساییدگی در خم موجود در لوله‌ها استفاده کرد. این مبدل‌ها در حجم کم، ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می‌کنند و قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند و روش ساخت تثبیت شده و طراحی مکانیکی خوبی نیز دارند. این مبدل‌ها دارای هزینه ساخت کمتری می‌باشند، زیرا در آنها فقط به یک صفحه لوله نیاز است. 

مبدل‌های دو لوله‌ای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لولهای دیگر با قطر بزرگتر قرار می‌گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت نماید، میدل -‌های حرارتی دو لوله‌ای می‌توانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند. استفاده عمده مبدل‌های دو لوله‌ای برای گرمایش و سرمایش محسوس سیالهای فرآیندی است که در آنها سطوح انتقال گرمای کوچکی (تا ۵۰ متر مربع) مورد نیاز می‌باشد. این شکل بندی همچنین در حالتی که یک یا هر دو سیال سرد و گرم، در فشار زیاد باشند، مناسب است.

عیب اصلی این مبدل‌ها آن است که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم می‌باشد و برای ظرفیت گرمایی مشخص، بزرگ و گران قیمت هستند.

سیستم لوله گذاری داخلی می‌تواند یک لوله‌ای و یا چند لوله‌ای باشد. اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بین لوله داخلی و خارجی کوچک باشد، لوله داخلی دارای پره‌های طولی میتواند استفاده شود. این مبدل‌ها به دلیل آسانی تمیز کاری می‌شوند و تعمیر و نگهداری آنها ساده است. همچنین می‌توانند تحت شرایط رسوب زیاد نیز بکار روند.

مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای بصورت دو شاخه‌های مجزا مورد استفاده قرار می‌گیرند و هنگامیکه نرخ انتقال گرمای مورد نیاز تغییر کند، دو شاخه‌های بیشتری می‌توانند به آسانی به مجموعه اضافه شوند.

در مبدل‌های دو لوله‌ای دو مبادله کن در یک انتها بوسیله لوله خم U شکل، که به لوله‌های داخلی جوش داده شده است و یک محفظه خم برگشت در سمت فضای پوسته به هم متصل می‌شوند. محفظه خم برگشت دارای یک درپوش قابل جدا شدن جهت خارج ساختن لوله‌های داخلی می‌باشد.

هنگامی که سطح انتقال حرارت لازم برای مبدل‌های دو لوله‌ای زیاد شود، بهتر است از مبدل‌های پوسته و لوله استفاده شود.

 مبدل حرارتی لوله‌ای مارپیچی (Spiral Tube Heat Exchanger )

این مبدل‌ها شامل کویل‌هایی هستند که بصورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند و یا بصورت چگالنده‌ها و تبخیر کن‌های هم مرکز هستند که در سیستم‌های تبرید استفاده می‌شوند. ضریب انتقال گرما در لوله حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم بیشتر می‌باشد. این مبدل‌ها برای انبساط گرمایی سیال‌های تمیز مناسب هستند، زیرا تمیز کردن کامل داخل آنها تقریبا غیرممکن است. 

مبدل حرارتی لوله‌ای مارپیچی

 مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای

مبدل‌های حرارتی صفحه و قاب از قرار گرفتن یک سری صفحات فلزی در کنار یکدیگر در داخل یک قاب فلزی ساخته میشوند. این صفحات در داخل قاب توسط میله‌های بلند بهم فشرده می‌شوند. طول این میله‌ها در شیارهای گسکت فاصله بین دو درپوش را طی می‌کنند و توسط مهره به درپوش محکم می‌گردند. واشر اطراف هر صفحه قرار داده می‌شود تا جریان سیال را در مجرای باریکی بین صفحات هدایت نماید و همچنین از نشت آنها به بیرون جلوگیری کند. در گوشه‌های هر صفحه مجرایی جهت ورود و خروج سیال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعیکه صفحات روی هم فشرده می‌شوند این محل‌های سوراخ شده در یک خط مستقیم قرار می‌گیرند.

مبدل حرارتی صفحه ای

صفحات می‌توانند از هر فلزی با ابعاد معین ساخته شوند. هنگامی که این صفحات در محل خود در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند شیارهای موجود روی صفحات متوالی تشکیل یک سری کانال‌های باریک جریان را می‌دهند. و سیال‌ها از طریق مجرای خیلی باریک و ظریف بین صفحات متوالی عبور می‌نمایند. در مبدل‌های مختلف آرایش جریان می‌تواند متفاوت باشد.

یکی از این آرایش‌ها به صورت موازی مختلف الجهت می‌باشد. در این نوع آرایش جریان‌های هر کدام از سیال‌ها فقط یک بار ارتفاع صفحات را طی می‌کنند در حالیکه در آرایشهای چندگذر یک سیال ممکن است ۲ بار و یا بیشتر ارتفاع مبدل را طی نماید. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای برای انتقال گرما بین گاز مایع و یا جریانهای دو فاز استفاده میشوند.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به سه گروه زیر تقسیم بندی می‌شوند:

• صفحه‌ای واشردار (Gasket Plate)
• صفحه‌ای مارپیچ یا حلزونی (Spiral Plate)
• صفحه‌ای لایه‌ای یا برگی (Lamella)

 مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار (Gasket Plate Heat Exchanger)

این مبدلها دارای تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار می‌باشند که سیالهای گرم و سرد را از هم جدا می‌سازد. صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده‌ای که بایستی گرما بین آنها مبادله شود یکی در میان و دیگری در فضای بین صفحات جریان می‌یابند.

طراحی و واشربندی مناسب امکان آنرا ایجاد می‌کند که مجموعه‌ای از صفحات توسط پیچ‌هایی که از صفحات ابتدایی و انتهایی نیز می‌گذرند در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. صفحات می‌توانند تا چند صد عدد پشت سر هم قرار بگیرند. واشرها از نشتی به بیرون جلوگیری می‌کنند و سیال را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می‌کنند.

مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار

شکل جریان عموما به نحوی انتخاب می‌شود که جریان سیال‌ها در خلاف یکدیگر باشند. مبدل‌های گرمای صفحه‌ای معمولا به جریان سیال با فشار پایینتر از bar 25 و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه سانتیگراد محدود می‌شود. از آنجایی که گذرگاه‌های جریان کوچک هستند، جریان قوی گرداب‌های موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال گرما و افت فشارها می‌گردد. همچنین بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می‌شود. این مبدل‌ها به آسانی تمیز و استرلیزه می‌شوند زیرا می‌توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده‌ای در صنایع غذایی دارند. این مبدلها برای کاربردهای انتقال گرمای مایع/ مایع، در فشار کم و متوسط میتوانند جایگزین مناسبی برای مبدل‌های پوسته لوله‌ای باشند.

اجزاء اصلی این مبدل‌ها عبارتند از: چهارچوب، صفحه ثابت، صفحه فشار، تجهیزات فشاردهنده و مجاری اتصال دهنده.

از مزایای این نوع مبدل‌ها می‌توان به تلفات گرمایی بسیار پایین، عدم نیاز به عایق کاری، حداقل رسوب بدلیل آشفتگی جریان و زمان سکون کم، امکان جریان بیش از دو سیال در یک مبدل، به حداقل رسیدن خطر ناشی از نشتی داخلی، قابلیت انعطاف پذیری در طراحی با توجه به نیاز، قابلیت دسترسی به سطوح انتقال حرارت مختلف با تغییر در ساختار و تعداد صفحات اشاره کرد. همچنین ضرایب انتقال گرما با توجه به آشفتگی جریان و قطر هیدرولیکی کوچک برای هر دو سیال، بزرگ هستند و این سبب کارآمد بودن انتقال گرما می‌شود.

این نوع مبدل‌ها جهت کاربرد و استفاده، دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشند که از آن جمله می‌توان به حداکثر فشار کار کرد bar ۲۵ و با ساخت ویژه bar ۳۰، حداکثر دما ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد و با واشرهای ویژه ۲۵۰ درجه سانتی گراد، حداکثر نرخ جریان m^۳/hr 3600، سطح انتقال گرما m^۳/hr 2200- 1/0، ضریب انتقال گرما w/m^۲k 7500- 3500،  اشاره کرد.

مبدل حرارتی صفحه‌ای مارپیچ یا حلزونی (Spiral Plate Heat Exchanger)

مبدل‌های صفحه‌ای مارپیچ با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل حلزونی با استفاده از یک میله اصلی و جوش دادن به لبه‌های صفحات مجاور بصورتی که یک کانال را تشکیل دهند، ساخته می‌شوند. فاصله بین صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی با استفاده از پین‌های فاصله انداز که به ورق جوش می‌شوند حفظ می‌شود. طول این پین‌ها بین ۵ تا ۲۰ میلیمتر متغیر است و به همین دلیل با توجه به نرخ جریان می‌توان فواصل مختلفی را برای کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل، و بنابراین کوچکترین سطح گرمایش ممکن بدست می‌آید.

مبدل حرارتی صفحه‌ای مارپیچ یا حلزونی

مبدل‌های صفحه‌ای مارپیچ در سه نوع زیر که در اتصالات و آرایش‌های جریان تفاوت دارند ساخته می‌شوند؛

نوع I: دارای دو پوشش مسطح بر روی کانال‌های حلزونی است، جریان‌های سیال بصورت مختلف الجهت از داخل کانال‌ها از طریق اتصالات در مرکز و پیرامون جریان می‌یابد. این نوع برای مبادله گرما بین دو سیال بدون تغییر از قبیل مایع- مایع، گاز مایع و گاز – گاز استفاده می‌شود. یک جریان در وسط مبدل وارد شده و از داخل به سمت خارج جریان می‌یابد. جریان دیگر در پیرامون وارد شده و به طرف مرکز جاری می‌شود.

نوع II: برای حالت جریان متقاطع طراحی شده است. لبه‌های یک کانال در هر دو انتهای میدل به صورت کاملا آب بندی شده جوش داده می‌شود. در حالیکه دهانه کانال دیگر در هر دو انتهای میدل باز است. بنابراین در این نوع مبدل یک سیال دارای جریان حلزونی و دیگری دارای جریان متقاطع می‌باشد. گذرگاه سیال دارای جریان متقاطع از میان فضای بین دو دیواره حلزونی باز عبور می‌کند. دو بدنه حلزونی اغلب در داخل یک پوسته قرار می‌گیرند به طوریکه یکی در بالای دیگری سوار شده است. این مبدل در اصل به عنوان چگالنده سطحی در واحدهای تبخیری استفاده می‌شود و همچنین به صورت تبخیر کننده بسیار کارا می‌باشد.

نوع III: مشابه مبدل نوع می‌باشد. این مبدل با کانال‌های یک در میان جوشکاری شده است، با این تفاوت که درپوش بالایی آن بطور مخصوص طراحی شده است. این نوع مبدل اساسا برای چگالش بخارها با مادون سرد کردن چگالیده با وجود گازهای غیرقابل چگالش مطلوب است. مبدل حلزونی اغلب به عنوان چگالنده استفاده میشود. بخار به لوله باز مرکزی وارد میشود و جهت جریان در امتداد پوسته بالایی معکوس شده و بخار در حرکت رو به پایین در المان حلزونی چگالش می‌شود در حالیکه چگالیده با سیال سرد، دارای جریان متقاطع است. 

مبدل حرارتی لاملا (Lamella Heat Exchanger)

مبدل حرارتی نوع لاملا شامل مجموعه کانالهای ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که به طور موازی جوشکاری شده اند و به شکل لایه‌ای از ورق‌های تخت یا کانال‌های مستطیلی می۔ باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند. این مبدل شکل اصلاح شده‌ای از مبدل پوسته و لوله‌ای با صفحه لوله شناور است. شکل دهی خاص صفحات فضای باریک داخل لاملاها را ایجاد می‌کند و برجستگی‌های به سمت خارج بیرون می‌زند که به صورت فاصله دهنده بین لاملاها برای ایجاد مقطع جریان در سمت پوسته بکار می‌رود. لاملاها در هر دو انتها با قرار دادن میله‌های فولادی در وسط آنها با یکدیگر جوش می‌شوند.

اختلاف انبساط بین سطح گرمایی و پوسته، به دقت توسط جعبه‌ای در انتهای متحرک و یا شناور در نظر گرفته شده است. این طرح قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد و دسته لاملا را در برابر شکست ناشی از تنش‌های حرارتی و کرنش ناشی از نیروهای خارجی محافظت می‌کند. سطوح ما بین لاملاها برای تمیز کاری شیمیایی مناسب هستند. بنابراین سیال‌های رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند. دیوارهای کانال بصورت ساده و یا دارای فرورفتگی هستند، بدلیل آشفتگی زیاد جریان، لاملاها بسادگی رسوب نمی‌گیرند. هیچگونه دیوار کی در سمت پوسته وجود ندارد بنابراین مبدل‌های لاملا می‌توانند برای آرایش جریان مخالف در جهت واقعی بکار گرفته شوند. 

مبدل حرارتی لاملا

 مبدل‌های حرارتی با سطوح پره دار

هنگامی که لازم باشد اختلاف زیادی بین ضریب انتقال حرارت ورود و خروج سیال وجود داشته باشد از پره استفاده می‌شود. وجود پره‌ها باعث افزایش سطح انتقال حرارت و در نتیجه ی آن، بالا رفتن میزان انتقال حرارت می‌شود. به عنوان مثال در مبدل‌های گاز / مایع، در طرف گاز از پره‌های بلند استفاده می‌شود و یا در مبدل‌های گاز / گاز، به علت کم بودن ضریب انتقال حرارت، در هر دو طرف به وسیله پره‌ها سطح انتقال حرارت را افزایش می‌دهند. از آنجا که ضریب انتقال حرارت در سمت گاز بسیار کوچکتر از مایع است، سطوح انتقال حرارت پره دار در سمت گاز برای افزایش سطح انتقال گرما استفاده می‌شوند.

این نوع مبدل‌ها دارای پره‌ها و یا تیغه‌هایی در سطح اصلی لوله یا صفحه، به منظور افزایش انتقال حرارت در این سطح هستند. پره‌ها به صورت وسیع در مبدل گرمایی گاز/ گاز یا گاز/ مایع، در جایی که ضریب انتقال حرارت در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل فشرده گرما نیاز باشد استفاده می‌گردند. پره‌ها می‌توانند پیچشی و منقطع نیز باشند تا بدین وسیله سیال داخل حلقه بهتر مخلوط شود. اما در عمل مشاهده می‌شود که افت فشار را به مقدار زیادی افزایش می‌دهند. مبدل‌های حرارتی با سطوح پره دار به دو دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند؛

• صفحه‌ای پره دار (Fin Plate)
• لوله‌ای پره دار (Fin Tube)

مبدل‌های صفحه‌ای پره دار عمدتا برای کاربردهای گاز / گاز و مبدل‌های لوله‌ای پره دار برای کاربردهای مایع/ هوا استفاده می‌شوند.

در اکثر کاربردها کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. به همین خاطر از این مبدل‌ها بطور گسترده، در تبرید با دمای خیلی کم، بازیابی انرژی، صنایع فرآیندی، و سیستم‌های تهویه مطبوع استفاده می‌شود.

 مبدل حرارتی صفحه‌ای پره دار (Fin Plate Heat Exchanger)

در مبدل‌های صفحه‌ای پره دار، جریان‌های سیال با صفحات تخت که بین آنها پره‌های موجدار قرار داده شده اند از هم جدا می‌شوند و آنها می‌توانند با توجه به جریان‌های سیال با شکل بندیهای متفاوت آرایش داده شوند. ورق‌های موجدار بین صفحات باعث ایجاد سطح انتقال گرمای بیشتر و همچنین ایجاد تکیه گاهی برای صفحات تخت می‌شوند. صفحات عموما دارای ضخامت ۵/۰ تا ۱ میلیمتر و پره‌ها دارای ضخامت ۱۵/۰ تا ۷۵/۰ میلیمتر می‌باشند.

وسایل چند راهه خاصی در ورودی این مبدلها تعبیه شده است تا توزیع مناسب جریان میان صفحات و از صفحه‌ای به صفحه دیگر ایجاد نماید. کل میدل از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است و اجزاء مختلف در حمام نمک یا کوره خلاء به یکدیگر لحیم می‌شوند.

مبدل حرارتی صفحه‌ای پره دار

عمومی‌ترین ورق‌های موجدار عبارتند از:

• پره ساده (Plain fin)
• پره ساده سوراخدار (Plain – perforated fin)
• پره دندان‌های یا کنگره‌ای (Serrated fin)
• پره جناغی یا موجی شکل (Herringbone fin ). (شکل ۲۵)

بدلیل کوچک بودن کانالهای جریان در این مبدل ها، سرعت جرمی جریان نیز کوچک است و این موضوع کانال را مستعد تشکیل رسوب می‌نماید، با توجه به اینکه این مبدل‌ها بصورت مکانیکی قابل تمیز شدن نیستند استفاده از آنها منحصر به سیالهای تمیز می‌باشد.

مبدل‌های صفحه‌ای پره دار به وفور برای مصارف چگالش در واحد‌های مایع سازی بخار و همچنین در صنایع شیمیایی و تبرید، گرمایش و سرمایش، تهویه سیستم‌های بازیابی گرمای اضافی، در توربین‌های گازی، نیروگاه‌های هسته‌ای و مهندسی پیشرانه بوجود آمده اند.

 مبدل حرارتی لوله‌ای پره دار (Fin Tube Heat Exchanger)

این نوع مبدل جهت کاربرد مایع / هوا و مایع/ گاز استفاده میشود. ضرایب انتقال گرما در سمت گاز عموما بسیار کوچکتر از سمت مایع می‌باشد و به همین دلیل در سمت گاز، به پرهها به جهت بالا بردن ضریب انتقال حرارت نیاز است. مبدل لوله‌ای پره دار شامل آرایه‌ای از لوله‌ها با پره‌هایی که در سمت بیرونی ثابت شده اند می‌باشد. پره‌های سمت خارجی لوله‌ها ممکن است عمود بر محور لوله‌های اریب یا مارپیچ نسبت به محور، یا طولی و در امتداد محور لوله باشند.

لوله‌هایی با پره داخلی نیز وجود دارند ولی عموما در این مبدل‌ها بیشتر از پره‌های بلند طولی استفاده می‌شود که در خارج لوله‌ها تعبیه شده اند. سطوح پره دار در سمت داخلی لوله‌ها عموماً در چگالنده‌ها و تبخیر کننده‌های سیستم‌های تبرید استفاده می‌شوند. پره‌های طولی معمولا در مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای و یا پوسته لوله‌ای که دارای بافل نیستند استفاده می‌شوند. سیال‌ها می‌توانند هوا یا مایع لزج باشند.

مبدل‌های لوله‌ای پره دار معمولا دارای لوله‌هایی با مقاطع گرد، مستطیلی یا بیضوی می‌باشند. پره‌ها با جوشکاری، لحیم کاری، جوش برنجی، اکستروژن، جازدن مکانیکی، پیچاندن کششی و غیره به لوله وصل می‌شوند.

انواع لوله‌ها با توجه به حالات قرارگیری پره‌ها عبارتند از:

• پره حلقه‌ای (Circular)
• پره مارپیچی (Spiral)
• پره محوری (Axial)
• پره صفحه‌ای (Plate) 

از مبدل‌های حرارتی لوله‌ای پره صفحه ای، بطور متداول در سیستم‌های گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع استفاده می‌شود. سایر لوله‌های پره دار دارای کاربرد صنعتی بیشتری می‌باشند. بعنوان مثال از لوله‌های پره مارپیچی بطور گسترده در خنک کننده‌های هوایی استفاده می‌شود.