انواع مبدل‌های حرارتی
قبل از پرداختن به انواع مبدل حرارتی، لازم است توضیحی درباره مبدل حرارتی داشته باشیم. در صنعت HVAC یکی از مهم‌ترین اجزا در تمامی سیستم‌ها مبدل حرارتی (Heat Exchanger) است. مبدل حرارتی تجهیزی است که در آن دو یا چند سیال با هم دیگر انتقال حرارت (تبادل حرارت) دارند. هدف از این انتقال حرارت خنک کردن یا گرم کردن یک سیال و یا یک محیط است. معمولا طراحی این تجهیز به‌گونه‌ایست که سیالات جاری در آن با هم هیچ‌گونه اختلاطی ندارند.
انواع مبدل حرارتی براساس آرایش جریان
مبدل حرارتی با جریان همسو (parallel Flow)
در این مبدل‌ها جهت جریان سرد و گرم موازی و همسو با یکدیگر هستند، به این ترتیب که جریان سرد و گرم از یک سمت مبدل وارد و از سمت دیگر خارج میشود. در ابتدای مسیر، دو سیال با یکدیگر بیشترین اختلاف دما را داشته و در انتها اختلاف به کمترین میزان می‌رسد. انتقال حرارت رابطه مستقیمی با اختلاف دما دارد و هرچه میزان اختلاف دمای دوسیال بیشتر باشد انتقال حرارت بیشتری نیز انجام می‌گیرد. در نتیجه در جریان همسو در ورودی مبدل بیشترین انتقال حرارت را داشته و رفته رفته از آن کاسته میشود. در مبدل‌ها با جریان همسو در هیچ نقطه‌ای از مسیر، دمای سیال خنک کننده بیشتر از دمای سیال گرم نمی‌شود.
مبدل‌های حرارتی با جریان غیر همسو (Countercurrent Flow)
در این مبدل‌ها جهت دو جریان دو سیال موازی با هم ولی در خلاف جهت همدیگر است. به این ترتیب که سیال سرد (خنک کننده) از یک سمت مبدل وارد و سیال گرم از سمت دیگر وارد میشود و در طول مسیر این دوجریان با همدیگر موازی هستند.
در این مبدل‌ها تقریبا اختلاف دمای دو سیال در هر مقطعی برابر است، بنابراین میزان انتقال حرارت نیز در همه مقاطع یکسان و یکنواخت است.
مبدل‌های حرارتی با جریان عمود برهم (Cross Flow)
در این مبدل‌ها جهت جریان‌های سرد و گرم عمود بر هم هستند. یکی از شناخته‌شده‌ترین مبدل‌ها با این طراحی، رادیاتور اتومبیل و رادیاتور شوفاژ است. در این مبدل‌ها که به مبدل با جریان متقاطع نیز معروف هستند دو مفهوم به نام جریان مخلوط و جریان غیرمخلوط وجود دارد. مخلوط و غیر مخلوط بودن به مولفه‌های سرعت بستگی دارد.
اگر جریان سیال در دو جهت مولفه داشته باشد این جریان را مخلوط گفته و سیالی که صرفا در یک جهت جریان دارد را جریان غیر مخلوط می‌گویند. در مبدل‌های حرارتی با جریان عمود بر هم، جریان داخل کویل‌ها غیر مخلوط است. اگر کویل‌ها پره داشته باشند جریان سیال بیرون نیز غیرمخلوط شده، در غیر این صورت جریان مخلوط به حساب می‌آید.
انواع مبدل حرارتی براساس ساختار طراحی
مبدل حرارتی لوله‌ای (Tubular Pipe)
در مبدل‌های حرارتی لوله‌ای، دو لوله با اندازه متفاوت یکی با قطر کمتر و دیگری با قطر بیشتر وجود دارد. لوله کوچک‌تر درون لوله بزرگ‌تر و هم‌مرکز با آن جای‌گیری میشود. نحوه کار در این مبدل‌ها به این صورت است که یکی از سیالات درون لوله کوچک‌تر و دیگری در فضای میانی دو لوله جاری میشود و دو سیال با هم تبادل حرارت می‌کنند. در این مبدل‌ها که به مبدل‌های لوله‌ای دوبل (Double Pipe) نیز معروف‌اند، دیواره لوله داخلی سطح انتقال حرارت را تشکیل می‌دهد، که معمولا برای افزایش سطح روی لوله داخلی را فین گذاری می‌کنند.
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube)
یکی از رایج‌ترین انواع مبدل‌های حرارتی، مبدل Shell and Tube است. در این مبدل که از یک پوسته استوانه‌ای شکل بزرگ ساخته شده و تعدادی لوله که داخل پوسته قرار می گیرد . یکی از سیالات به درون این لوله‌ها وارد شده و سیال دیگر وارد پوسته مبدل میشود. به این ترتیب از سطح لوله‌ها فرآیند انتقال حرارت انجام میشود.
سیالات به کار رفته در این مبدل می‌تواند هم به صورت مایع و هم گاز باشد. اگر درون مبدل فقط سیال مایع یا سیال گازی در جریان باشد، به این مدل تک فازی می‌گویند. در سایر موارد مبدل دوفازی است، به طور مثال سیال درون کویل به صورت مایع وارد شده و با انتقال حرارت تبخیر و به گاز تبدیل میشود. معمولا جنس کویل‌ها از مس است ولی در برخی موارد بسته به نوع کاربری می‌توان از آلومینیوم، استیل، برنج و … استفاده کرد.
مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate)
در مبدل‌های صفحه‌ای به جای استفاده از چند لوله، تعدادی صفحه که به صورت متوالی پشت سرهم و با فاصله اندک از همدیگر قرار گرفته اند وجود دارد. طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به گونه‌ای است که دوسیال از میان صفحات عبور کرده و با هم مخلوط نمی‌شوند. به زبان ساده‌تر دو سیال به صورت یک در میان، بین صفحات در جریان هستند. صفحات نیز، یک درمیان نسبت به هم آب‌بندی شده‌اند.
سطح این صفحات صاف یا به صورت موج‌دار هستند و معمولا به جهت مقاومت در برابر خوردگی و تحمل دمای بالا از جنس فولاد ضد زنگ هستند. از آنجایی که سیال بین صفحات حرکت می‌کنند، سطح بیشتری برای انتقال حرارت دارند و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری نیز انجام میشود. به همین دلیل برای ایجاد یک میزان مشخص انتقال حرارت، مبدل‌های صفحه‌ای از سایر مبدل‌ها اندازه کوچک‌تری دارند.
مبدل های هوا خنک یا فن دار
در این مبدل‌ها که تبادل حرارت میان هوا و یک سیال دیگر صورت می‌گیرد، تعدادی کویل و یک یا چند عدد فن قرار دارد. سیال گرم‌تر در درون کویل‌ها جاری میشود و هوا به وسیله فن در اطراف کویل‌ها به گردش در می‌آید. برای افزایش سطح تماس هوا با کویل‌ها و در نتیجه افزایش میزان انتقال حرارت، معمولا کویل‌ها را به پره‌هایی مجهز می‌کنند. ذرات هوا با برخورد به سطح گرم شده کویل و پره، حرارت را از سیال گرفته و باعث خنک‌کاری سیال میشود. مبدل‌های هوا خنک خود در سه دسته عمودی، افقی و V شکل تقسیم‌بندی می‌شوند.