مبدل حرارتی چیست و چه کاربردهایی دارد؟

مبدل حرارتی یک دستگاه گرمایی است که امکان تبادل گرما بین دو سیال را بدون ادغام آن‌ها ممکن می‌‌سازد. درواقع، مبدل حرارتی گرما یا سرما را از یکی به دیگری منتقل می‌کند. هدف، انتقال گرما به محیط‌های سرد، یا کاهش فشار دما در محیط‌های داغ مانند موتور دستگاه‌های صنعتی و خانگی است.
به ویژه، مبدل حرارتی یک دستگاه حیاتی برای تنظیم گرما یا سرما در محدوده‌های مشخص است. وقتی دما از آستانه خطر عبور کند، مبدل با ایجاد پل بین سیال سرد و گرم، دمای دستگاه داغ را کاهش می‌دهد و دمای محیط سرد را بالا می‌برد.
در ساده‌ترین حالت، مبدل حرارتی سه محفظه مجزاء است که دوتای آن‌ها دماهای متفاوتی دارند و سیالی در آن‌ها جریان دارد. پس از پایان تبادل گرما، دمای سیال ارائه‌دهنده گرما پایین‌تر از دمایی ابتدایی سیال سرد که گرما را دریافت کرده ‌است نخواهد بود.
پل واسطه شبیه به یک لوله یا صفحه تونل مانند است. نمونه‌ای از این نوع از تبادل غیرمستقیم، برج‌های خنک‌کننده در کارخانه‌های مختلف هستند که وظیفه انتقال گرما از دستگاه‌های داخل کارخانه به محیط بیرون را دارند.

انواع مختلفی از مبدل‌های حرارتی وجود دارند؛ از مبدل‌های حرارتی کوچک که در موتور خودروها استفاده می‌شوند، مبدل‌های حرارتی که در سرورها به کار می‌روند تا انواع صنعتی که در تولید انرژی هسته‌ای یا در کارخانه‌جات عظیم به کار گرفته می‌شوند.

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله شامل یک لوله است که حاوی سیال خاصی است که بسته به کاربرد، به گرما یا سرما نیاز دارد. اطراف این لوله توسط پوسته‌ای احاطه شده است که سیالی در خود دارد که سیال داخل لوله را سرد یا گرم می‌کند.
انواع مختلفی از مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله وجود دارند که شامل جریان مخالف، جریان موازی و جریان متقاطع می‌شوند. هر کدام از این انواع به منظور خاصی تولید می‌شوند و کاربرد ویژه خود را دارند.

در مبدل‌ حرارتی صفحه‌ای از مساحت زیاد برای افزایش سرعت و کارایی فرایند انتقال گرما استفاده می‌کند. بخصوص وقتی که سیال یا محیط رسانایی حرارتی بسیار پایینی داشته باشد، این روش در انتقال گرما بسیار موثر است.

چنانکه از نام آن پیداست، مبدل حرارتی هوا خنک از هوای دمیده ‌شده برای خنک سازی یک سیال دیگر استفاده می‌کند. برای مثال، در رادیاتور انواع ماشین‌ها، سیال داغ آب درون رادیاتور است و سیالی که قرار است آن را خنک کند هوایی است که از طریق فن‌ها به آن دمیده می‌شود.

مبدل حرارتی کاربردهای فوق‌العاده زیادی دارد، هرچند ساختار و عملکرد آن بسیار ساده است. کاربردهای مبدل حرارتی شامل تولید برق در نیروگاه‌ها، استفاده در سیستم‌های گرمایش و تهویه مطبوع، تبرید، بخش تولید، فرآوری مواد غذایی، فرآوری مواد شیمیایی، رادیاتور خودروها و بسیاری دیگر است.
از مبدل‌های حرارتی در مکان‌های متنوع و به دلایل مختلفی استفاده می‌شود که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

از این تجهیزات حرارتی در منازل و بخصوص در موتورخانه‌ها و دیگ‌های گرمایش مرکزی استفاده می‌شود. برای مثال، چیلرها از مبدل‌های حرارتی استفاده می‌کنند تا تهویه مطبوع را در فصل‌های گرم و سرد برای آپارتمان‌ها به ارمغان آورند.
علاوه بر این، از این مبدل‌ها در تجهیزات الکتریکی چون یخچال برای خنک کردن موتور خودرو، انتقال هوای گرم داخل یخچال به بیرون و مواردی مشابه استفاده می‌شود. همچنین، رادیاتورهای خانه خود نوعی از مبدل حرارتی هستند که آب داغ موتورخانه را به گرمای مطبوعی برای اتاق‌ها تبدیل می‌کنند.

اگر تاکنون از یک مکان سرپوشیده عمومی استفاده کرده باشید، حتما نقش مبدل‌های حرارتی را در گوشه و کنار آن تشخیص داده‌اید. برای مثال، در استخرها از مبدل حرارتی برای گرم نگه‌داشتن دمای آب استفاده می‌شود.

صنایع اصلی‌ترین خواستگاه برای این تجهیزات تبادل گرما هستند. در کارخانه‌های بزرگ از مبدل‌های حرارتی برای انتقال دمای بالای دستگاه‌ها در فرایند تولید بهره گرفته می‌شود. بخصوص، در نیروگاه‌های تولید برق مبدل‌ها نقشی کلیدی در تولید برق دارند.

امروزه مبدل‌های حرارتی و حسگرهای تشخیص دما با یکدیگر در یک سیستم هوشمند کنترل دمای محیط به کار می‌روند. مبدل‌های حرارتی هوشمند از حسگرها برای تشخیص دمای محیط استفاده می‌کنند تا میزان و شدت انتقال گرما یا سرما به محیط هدف را در بازه‌های مختلف زمانی کنترل و درنتیجه، از هدر رفت انرژی جلوگیری کنند.

اصلی‌ترین مولفه در ساخت یک مبدل حرارتی، نوع موادی است که در ساخت مبدل‌ها به کار گرفته می‌شوند. این مواد باید رسانای گرمایی خوبی باشند تا عمل تبادل گرما را به مطلوب‌ترین شکل ممکن برقرار کنند. همچنین، مواد نباید به گونه‌ای باشند که در دماهای بالا یا بسیار پایین صدمه ببینند و عملکرد مبدل را دچار مخاطره کنند.
همچنین، جنس سیال مورد استفاده در مبدل حرارتی نقشی کلیدی در عملکرد بهینه آن دارد. برای مثال، در مبدل‌های حرارتی مورد استفاده در نیروگاه‌ها، از مبدل برای انتقال گرمای سیال مایع به سیال هوا بهره می‌گیرند تا امکان چرخش توربین و تولید برق حاصل شود.