در این مقاله سعی داریم در مورد انواع مختلف مبدل های حرارتی مورد استفاده در تهویه مطبوع که در بخش های مسکونی و تجاری استفاده میشوند بحث کنیم. همچنین به نحوه بکار رفتن این مبدل ها در چیلر خواهیم پرداخت.

مبدل حرارتی چیست؟

مبدل حرارتی همان طور که از اسمش مشخص است، وسیله ای است که برای انتقال گرما یا انرژی حرارتی استفاده میشود. به هر مبدل حرارتی دو سیال عامل گرم و سرد وارد میشود.

  • سیال مورد استفاده میتواند مایع یا گاز باشد
  • حرارت همواره از ناحیه گرم به سرد جریان می یابد.
  • برای انتقال گرما از یک بخش به بخش دیگر حتما باید بین دو ناحیه اختلاف دما وجود داشته باشد.

گرما به چه روش هایی انتقال می یابد؟

  • هدایت
  • جابجایی
  • تشعشع

بیشتر مبدل های حرارتی در تهویه مطبوع از روش های هدایت و جابجایی برای انتقال حرارت استفاده میکنند. انتقال حرارت به روش تشعشع نیز اتفاق می افتد اما درصد آن ناچیز است.

انتقال حرارت هدایتی:

انتقال حرارت هدایتی

انتقال حرارت هدایتی زمان رخ میدهد که دو ماده با دماهای مختلف با یکدیگر تماس فیزیکی داشته باشند.به عنوان مثال فنجان قهوه داغ را برای چند دقیقه روی میز قرار میدهیم،سپس فنجان را برمیداریم، میز مقداری از این انرژی حرارتی را از طریق هدایت از لیوان دریافت میکند.

انتقال حرارت جابجایی:

انتقال حرارت جابجایی

انتقال حرارت جابجایی زمانی اتفاق می افتد که سیالی حرکت کرده و انرژی حرارتی را با خود حمل میکند.این جابجایی میتواند به صورت آزاد و یا اجباری انجام شود. به عنوان مثال هنگامی که یک قاشق سوپ داغ را فوت میکنید، هوای عبوری از سوپ بخشی از گرمای آن را با خود جابجا کرده و سوپ سرد میشود.

انتقال حرارت تشعشعی:

انتقال حرارت تشعشعی

تشعشع زمانی رخ میدهد که یک سطح از خود، موج ساطع میکند. همه چیز، حتی انسان از خود حرارت تشعشعی ساطع میکند.هرچقدر یک سطح داغ تر باشد، انتقال از ان سطح بیشتر خواهد بود. انتقال حرارت تشعشع نیازی به محیط مادی جهت انتقال ندارد. به عنوان مثال امواج الکترو مغناطیس خورشید در فضا حرکت کرده و به زمین میرسد.

سیال واسط یا سیال مورد استفاده:

سیال مورد استفاده در تهویه مطبوع عموما آب،هوا،بخار،مبرد و یا روغن میباشد. مبدل های مورد استفاده در تهویه مطبوع عموما یکی از این دو کار را انجام میدهند: سرد یا گرم کردن هوا و یا آب .

مبدل های کویلی:

مبدل های کویلی

مبدل های کویلی ساده ترین نوع مبدل ها میباشند که متشکل از یک یا چند لوله هستند که در چند ردیف قرار میگیرند.لوله ها برای جدا سازی سیال های سرد و گرم استفاده میشود. یک سیال درون لوله ها و دیگری بر روی لوله ها جریان مییابد. فرض کنید سیال گرم درون لوله قرار دارد. در این حالت حرارت سیال گرم به روش هدایت از جداره لوله به سطح بیرونی لوله میرسید و در انجا به کمک انتقال حرارت جابجایی ، گرمای خود را به سیال دوم انتقال میدهد.

مبدل های صفحه ای:

مبدل های صفحه ای

در این نوع مبدل ها از صفحات فلزی برای جداسازی دو سیال استفاده میشود.جهت حرکت سیال ها برای انتقال حرارت بیشتر، عکس یکدیگر میباشد . گرمای سیال اول از طریق دیواره بین دو سیال و به روش هدایت منتقل شده و به روش جابجایی سیال دوم را گرم میکند.

با نگاهی دقیق تر به بررسی مبدل های مورد استفاده در تهویه مبطوع میپردازیم و هرکدام را با جزییات بیشتری توضیح خواهیم داد.

مبدل های فین تیوب:

مبدل های فین تیوب

به این مبدل ها به اختصار کویل سرمایی یا گرمایی گفته میشود.این مبدل ها در فن کویل ها، کویل ها،هواساز ها و … یافت میشود.در این مبدل ها عموما آب،مبرد و یا بخار از درون لوله ها جریان یافته و هوا نیز از روی کویل ها عبور داده میشود. به عنوان مثال برای گرم کردن هوا ، آب گرم از درون لوله ها عبور داده میشود. گرمای آب ابتدا به روش انتقال حرارت هدایتی و سپس به کمک انتقال حرارت جابجایی به هوای عبوری از روی کویل منتقل شده و باعث گرم شدن هوای عبوری از روی کویل میشود. فین ها نیز بر روی لوله با فواصلی استاندارد قرار میگیرند. فین ها برای افزایش انتقال حرارت بکار میروند. زیرا هرچه سطح انتقال حرارت افزایش یابد ، حرارت بیشتری نیز انتقال خواهد یافت.

مبدل های حرارتی صفحه ای کانالی:

مبدل های حرارتی صفحه ای کانالی

این مبدل ها در هواساز ها استفاده میشود. زمانی که میخواهیم انتقال حرارت از یک جریان هوایی با جریان هوایی دیگری داشته باشیم بدون اینکه این دو جریان با یکدیگر مخلوط شوند از این نوع مبدل ها استفاده میکنیم. این مبدل ها عموما از صفحات الومینیومی تشکیل شده اند و جریان های هوایی در جهت عکس یکدیگر از بین این صفحات عبور کرده و گرما از یک سیال به سیال دیگر منتقل میشود. در نهایت نیز دو جریان هوایی بدون ترکیب شدن با یکدیگر از مبدل خارج میشوند. در این مبدل ها نیز هر دو نوع انتقال حرارت هدایت و جابجایی را داریم.

ترنچ هیتر (trench heater) :

ترنج هیتر (trench heater)

ترنچ هیتر ها معمولا دور تا دور محیط ساختمان و معمولا زیر پنجره ها و یا دیوار های شیشه ای نصب میشوند. ترنچ هیتر ها بر روی زمین نصب شده و برای کاهش اتلاف انرژی از طریق پنجره ها استفاده میشوند. در واقع ترنچ هیتر ها همانند یک پرده هوای گرم عمل میکنند. در ترنج هیتر ها معمولا از آب گرم و یا کویل های برقی استفاده میشود. از انجایی که ترنچ هیتر ها بر روی زمین نصب میشوند در مجاورت هوای سرد قرار دارند. این هوا به روش جابجایی گرم شده و به بالا حرکت میکند. ضمن حرکت هوای گرم شده به سمت بالا،هوای سرد تر جای آن را میگیرد و به کمک این چرخه فضا گرم میشوند. همچنین حرکت هوای به سمت بالا باعث ایجاد یک پرده هوا بین پنجره و محیط داخل میشود که موجب کاهش تلفات حرارتی خواهد شد.

هیتر برقی کانالی المنت :

هیتر برقی کانالی – المنت

این کویل ها معمولا درون کانال هوا و بعضا در فن کویل ها بکار میروند.این مبدل ها از لوله های مارپیچ فلزی با مقاومت بسیار بالا برای تولید گرما استفاده میکنند. هوا از روی این کویل ها عبور کرده و گرما به هوا از روش جابجایی منتقل میشود. در این مبدل ها، گرمایش یکنواختی در سراسر جریان هوا فراهم میشود. ایمنی در استفاده از این کویل ها به دلیل دمای بالای آن اهمیت زیادی دارد.

مبدل های میکروچنل :

مبدل های میکروچنل

مبدل های حرارتی میکروچنل نوع پیشرفته ای از مبدل های فین تیوب میباشند که انتقال حرارت بالایی را ارائه میدهند. این مبدل ها را میتواند در چیلر،کندانسینگ یونیت،خشک کن هوا و روفتاپ پکیج ها و… مشاهده کرد.

این نوع مبدل های حرارتی از انتقال حرارت جابجایی به عنوان روش اصلی انتقال حرارت استفاده می کنند. در هر طرف یک هدر وجود دارد که بین هدر ها چند لوله صاف با فین وجود دارد. هوا از درون فواصل بین فین ها عبور کرده و گرمای سیال درون لوله ها را با خود حمل میکند.

مبرد از هدر درون لوله ها جریان می یابد تا به هدر دیگر برسد. درون هدرها ، بفل هایی برای کنترل جهت جریان و همچنین به حرکت در آوردن مبرد درون لوله به منظور افزایش زمان انتقال حرارت بین مبرد و هوا قرار گرفته است.

درون هر کدام از لوله ها حفره های کوچکی وجود دارد که به آنها میکروچنل گفته میشود که در تمام طول لوله ها ادامه دارند. این میکروچنل ها به مقدار قابل توجهی سطح انتقال حرارت را افزایش میدهند.

کویل اواپراتور بوته ای:

کویل اواپراتور کوره ای

این نوع مبدل ها معمولا در خانه های بزرگ و املاک تجاری کوچک استفاده میشود. کویل درون اواپراتور بوته ای همچون مبدل حرارتی فین تیوب عمل میکند و از یک مبرد در داخل لوله و هوا در بیرون لوله استفاده میکند. هوای عبوری از روی کویل حرارت خود را به روش جابجایی اجباری منتقل میکند. مبرد درون لوله گرما را از هوای عبوری گرفته و سپس به کمپرسور وارد میشود. مبرد پس از عبور از کمپرسور وارد کندانسور شده و پس از سرد شدن، دوباره مبرد سرد وارد اواپراتور بوته ای میشود .

رادیاتور:

رادیاتور

رادیاتور ها به صورت گسترده در کاربری های خانگی مورد استفاده قرار گرفته اند. رادیاتور ها عموما در زیر پنجره و بر روی دیوار نصب میشوند. آب گرم از بویلر وارد رادیاتور میشود. گرما از طریق هدایت از لوله ها به صفحات فلزی روی رادیاتور منتقل میشود. هوا نیز از طریق جابجایی گرما را از صفحات گرفته و به سمت بالا حرکت میکند. هوای سردتر جایگزین جریان هوای قبلی شده و پس از گرم شدن به سمت بالا حرکت میکند .  به شکل کلی هوا در یک مسیر دایره ای شکل حرکت کرده و گرما را از رادیاتور میگیرد. در رادیاتور های جدید از فین هایی استفاده میشود که هدف آنها افزایش سطح انتقال حرارت میباشد. در برخی کاربری های خاص از بخار و یا روغن نیز بجای آبگرم استفاده میشود.

المنت گرمایشی آب:

المنت گرمایشی آب

این المنت ها معمولا در گرم کن ها و آبگرم ها مشاهده میشود.بعضی اوقات نیز در تشت برج های خنک کننده بکار میرود که هدف آن جلوگیری از یخ زدن آب برج خنک کننده میباشد. در این مبدل ها از لوله های فلزی با مقاومت بالا استفاده میشود. این مقاومت باعث تولید گرما میشود. این کویل به گونه ای عایق شده است که جریان سیال را در خود نگه داشته اما اجازه انتقال حرارت را میدهد. المنت گرمایشی در مخزن آب غوطه ور میشود و گرما از المنت به داخل آب منتقل میشود. آبی که در اطراف المنت قرار گرفته گرم شده و به سمت بالا حرکت میکند. سپس آب خنک تر برای جایگزینی این آب گرم شده جریان می یابد. این چرخه تا گرم شدن تمامی آب مخزن ادامه خواهد داشت.

چرخ دوار:

چرخ دوار

این مبدل ها عموما داخل هواساز ها بین جریان هوای تازه و هوای برگشت مورد استفاده قرار میگیرند. در چرخ دوار، یک موتور الکتریکی که با تسمه به دیسک وصل شده، دیسک مبدل حرارتی را به آرامی به چرخش در می آورد. این دیسک مستقیما در جریان هوای تازه و هوای برگشت قرار گرفته است. هوا مستقیما از دیسک عبور میکند، اما در حین عبور با سطوح دیسک در تماس است. سطوح دیسک انرژی حرارتی را از یک جریان هوا جذب کرده و با چرخش وارد جریان هوای دوم میشوند و این انرژی حرارتی جذب شده را آزاد میکنند. در این مبدل ها مقدار کمی از هوای تازه و برگشتی با یکدیگر به ناچار ترکیب خواهند شد. از این مبدل ها برای بدست اوردن انرژی موجود در هوای برگشت استفاده میشود.

بویلر آب:

بویلر آب

بویلر ها در اکثر ساختمان های مسکونی و تجاری یافت میشوند. نوع کوچکتر آنها که در کاربری های مجزای  ساختمانی بکار میروند و بر روی دیوار نصب میشود. بویلر ها انواع مختلفی دارند که طریقه عملکرد کلی آن ها به صورت زیر است:

سوخت در محفظه احتراق با اکسیژن ترکیب شده و بر اثر جرقه، احتراق صورت میپذیرد. گاز های حاصل از احتراق وارد لوله های بویلر شده و پس از طی مسیر لوله ها از اگزوز بویلر وارد اتمسفر میشوند. لوله ها و محفظه احتراق توسط آب احاطه شده است. حرارت از روش جابجایی به لوله ها منتقل شده و این حرارت از روش هدایت به آب منتقل میشود. سپس حرارت منتقل شده به آب به روش جابجایی در سراسر سیال جریان می یابد. بر اساس نوع بویلر و طراحی آن، سیال خروجی به صورت آب گرم یا بخار آب خواهد بود. حرکت آب در این سیکل توسط پمپ انجام میشود. سرعت پمپ و مقدار سوخت مصرفی در دمای آب خروجی تاثیرگذار میباشد.

لوله حرارتی (heat pipe):

لوله حرارتی (heat pipe)

این لوله ها عموما در سلول خورشیدی و بعضا در هواساز مورد استفاده قرار میگیرند. این مبدل از دو لوله داخل هم تشکیل شده که لوله بیرونی شیشه و لوله درونی شیشه و یا فلز میباشد. بین دو لوله باید خلا ایجاد شود. لوله بیرونی باید خاصیت جذب بالایی داشته باشد. همچنین برای لوله درونی از نوعی پوشش خاص استفاده میشود تا ضریب نشر آن به حداقل برسد. این پوشش و خلا بین دو لوله باعث میشود که گرما پس از ورود به لوله ، امکان خروج از آن را نداشته باشد.در انتهای لوله یک هدر قرار گرفته است. بر روی هدر جریان آب سرد حرکت میکند. درون لوله درونی، ترکیبی از آب و مواد دیگر در فشار پایین وجود دارد. فشار پایین باعث میشود با مقدار کمی گرما، سیال درون لوله تبخیر شده و به سمت هدر حرکت کند . در آنجا حرارت خود را به جریان آب سرد داده و پس از میعان دوباره به انتهای لوله هیت پایپ برگردد. حرارت خورشید به وسیله تشعشع جذب شده، سپس به روش هدایت به لوله منتقل میشود و در نهایت به کمک جابجایی در سیال درون لوله جریان می یابد.

بخاری کوره ای (اکونو پک):

بخاری کوره ای

این بخاری ها در خانه ها و با هوای کانال کشی شده بکار میروند. بخاری های کوره ای از یک مبدل حرارتی استفاده میکنند که مستقیما در مسیر هوای سرد قرار گرفته است. سوخت مشتعل شده و گاز های حاصل از احتراق مستقیما به درون لوله های مبدل حرارتی فرستاده میشوند. هوا از روی این مبدل حرارتی عبور کرده و گرمای حاصل از احتراق را جذب میکند. هوای گرم از بالای بخاری کوره ای خارج شده و گاز های حاصل از احتراق نیز از مبدل حرارتی به فضای بیرون فرستاده میشود.

مبدل صفحه ای:

دو نوع مبدل حرارتی صفحه ای وجود دارد، نوع واشری و نوع لحیم شده . هر دو در انتقال انرژی حرارتی بسیار موثر هستند. برای بهره وری بیشتر و طراحی فشرده تر میتوان از مبدل های حرارتی صفحه ای میکرو برا بسیاری از کاربردها استفاده کرد. نکته اساسی که در مورد این دو نوع مبدل حرارتی باید دانست این است که صفحات نوع گسکت یا واشری قابل جداسازی است. ظرفیت سرمایشی یا گرمایشی آن به راحتی با اضافه و کم کردن صفحات انتقال حرارتی قابل تغییر است. این نوع مبدل ها به وفور در چیلر ، بویلر و برج های خنک کننده قابل مشاهده هستند.

مبدل صفحه ای

نوع جوشی قابلیت جداسازی صفحات از یکدیگر را ندارد و ظرفیت سرمایشی یا گرمایشی آنها ثابت است. این نوع مبدل ها در هیت پمپ ها ، دیگ های ترکیبی و واحد های رابط حرارتی استفاده میشود.

مبدل پوسته و لوله:

مبدل پوسته و لوله

مبدل های لوله پوسته را میتوان به عنوان اواپراتور و یا کندانسور در چیلر های تراکمی مشاهده کرد. این مبدل تشکیل شده از یک جدار بیرونه به نام پوسته است که درون آن تعدادی لوله قرار گرفته است. درون لوله ها سیال اول و در فضای بین لوله ها و پوسته سیال دوم جریان می یابد. دو سیال به وسیله دیواره لوله ها از یکدیگر جدا شده و هیچگاه با یکدیگر ترکیب نمیشوند. به دلیل اختلاف دمایی بین دو سیال ، انتقال حرارت از سیال گرمتر به سیال سرد تر انجام میشود. سیال های مورد استفاده معمولا آب و مبرد میباشد. بسته به نوع طراحی ممکن است هر کدام درون لوله یا بیرون لوله مورد استفاده قرار گیرند.