انواع مبدل‌های حرارتی استخری کدامند؟ مبدل پوسته – لوله چیست و چگونه کار می‌کند؟ آب استخر در پوسته مبدل جریان یابد یا در لوله؟ مبدل پوسته – لوله افقی نصب شود یا عمودی؟ مبدل صفحه‌ای چیست و چرا در ایران کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد؟
در نوشته “چرا از مبدل حرارتی در استخر استفاده می‌شود؟” با مبدل حرارتی، نقش و ساختار وانواع متداول آن برای گرمایش آب استخر و جکوزی آشنا شدیم. دانستیم که مبدل پوسته – لوله و مبدل صفحه‌ای گونه‌های رایج مورد استفاده در استخر بوده که در ایران نوع پوسته – لوله رایج‌تر است. در این مطلب، این دو نوع مبدل را به تفصیل مورد بررسی قرار می‌دهیم.
مبدل حرارتی پوسته – لوله ( Shell & Tube Heat Exchanger)
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله شامل مجموعه‌ای از لوله‌های کوچک است که درون یک مخزن (پوسته) جانمایی شده‌اند. مکانیزم عملکرد آنها به این صورت است که یک سیال از داخل لوله‌ها و یک سیال در پیرامون لوله‌ها و در داخل پوسته جریان پیدا می‌کند. بواسطه اختلاف دمای این دو سیال، حرارت از سیال گرم از طریق دیواره لوله‌ها و بدون تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر، به سیال سرد منتقل می‌شود. شکل زیر شماتیکی از این گونه مبدل های حرارتی را نشان می‌دهد.
همچنانکه مشاهده می‌شود، در قسمت پوسته این نوع مبدل صفحاتی تحت عنوان بافل وجود دارد. بافل‌ها در واقع، صفحاتی سوراخکاری شده هستند که چیدمانی مشابه چیدمان دسته لوله‌ها داشته و درون دسته لوله‌ها به شکل منظم و با فواصل معین جانمایی می‌شوند. بافل‌ها به دو دلیل در مبدل‌های حرارتی نصب می‌شوند.
دلیل اول این است که باعث می‌شوند که سیال داخل پوسته بصورت مستقیم از میان لوله‌ها عبور نکند و در واقع مسیر عبور جریان را منحرف می‌نماید. انحراف مسیر جریان، سبب می‌شود که جریان حین عبور از میان لوله ها، شکل مارپیچی به خود گیرد که این باعث افزایش انتقال حرارت بین دو سیال می‌گردد.
دلیل دوم استفاده از بافل‌ها این است که فاصله بین دسته لوله‌ها حفظ شود. یکپارچه نبودن سطح انتقال حرارت و کم و زیاد شدن فاصله میان لوله‌ها مسیرهای عبور سیال ثانویه را دستخوش تغییر می‌کند که منجر به رسوب‌گذاری بیشتر و همینطور انتقال حرارت کمتر می‌شود.
مبدل پوسته – لوله استخری
حال که با مکانیزم عمل این نوع مبدل آشنا شدیم، به توضیحاتی در خصوص نحوه کارکرد این مبدل در استخر پرداخته می‌شود. در این نوع مبدل، آب گرم‌کننده (از بویلر) بسته به نوع مبدل و جنس ماده سازنده پوسته و لوله از سمت پوسته یا لوله وارد می‌شود. آب گرم‌شونده (از استخر) که دارای ترکیبات شیمیایی (کلر و سایر مواد شیمیایی) بوده و خاصیت خوردندگی بالایی دارد از سمت دیگر وارد مبدل شده، با آب گرم کننده تبادل حرارت کرده و دمای آن افزایش می‌یابد.
نکته مهم در خصوص نصب و کاربری این مبدل‌ها این است که حتما باید بدانیم که کدام سمت این مبدل‌ها آبکاری شده و در برابر مواد ضدعفونی‌کننده موجود در آب مقاومت دارد. چراکه به منظور کاهش هزینه، تولیدکننده‌ها گاها یک سمت (عموما بخش دسته لوله) را آبکاری کرده یا از مواد مقاوم ساخته و سمت دیگر (پوسته) را از مواد معمول (چدن یا … ) که در برابر مواد ضدعفونی مقاومت خوبی ندارند، می‌سازند. البته در برخی گونه‌های موجود در بازار ایران سمت پوسته را از مواد مقاوم و سمت لوله را از مواد غیرمقاوم در برابر خوردگی می‌سازند. بنابراین حتما لازم است تا پیش از نصب این نوع مبدل‌ها بدانیم که کدام بخش آنها مقاوم است و کدام بخش غیرمقاوم و آب استخر را حتما به به بخش مقاوم متصل نماییم.
یکی از روش‌هایی که از طریق ظاهری می‌توان به جهت اتصال آب گرم‌شونده و گرم‌کننده پی برد، به این صورت است که سایز کانکشن بزرگتر مبدل مربوط به بخشی است که آب استخر از داخل آن عبور می‌کند. چراکه دبی آب استخر نسبت به دبی آب بویلر بیشتر بوده و بنابراین سایز کانکشن ورودی و خروجی بزرگتری مورد نیاز می‌باشد.
مبدل‌هایی که آب استخر در قسمت پوسته آنها در جریان است، بهتر است به شکل عمودی نصب شوند. چراکه بافل‌هایی که در قسمت پوسته نصب شده اند، محل مناسبی برای انباشته شدن رسوب هستند که در صورت رسوب‌گذاری عملکرد مبدل را تحت الشعاع قرار خواهند داد. بنابراین در صورتیکه این مبدل‌ها به شکل عمودی نصب شوند، رسوب از بین این صفحات عبور می‌کند و همراه آب از مبدل خارج می‌شوند.
مطلب کاربردی دیگر در خصوص نحوه نصب مبدل‌های پوسته – لوله اینکه لوله کشی ورودی و خروجی سیستم را به گونه‌ای انجام دهیم که جهت جریان آب بویلر درون مبدل و جهت جریان آب استخر به شکل جریان مخالف (Counter flow) باشند. چراکه در این حالت راندمان حرارتی مبدل بالاتر بوده و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری نسبت به وضعیت جریان موازی (Parallel flow) اتفاق می‌افتد.
مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger)
مبدل حرارتی صفحه‌ای شامل مجموعه‌ای از صفحات موج‌دار است که به شکل موازی در کنار یکدیگر قرار گرفته و کانال‌هایی را جهت عبور سیال شکل می‌دهند. در واقع، قرار گرفتن این صفحات فلزی توسط واشرهای لاستیکی مخصوص (Gasket) در کنار هم، کانال‌های عبور سیال را به وجود می‌آورند. کانال‌های ایجاد شده جهت انتقال حرارت بین دو سیال بدون تماس مستقیم آنها مورد استفاده قرار می‌گیرد. موج‌دار بودن صفحات باعث آشفتگی جریان شده که منجر به افزایش ضریب انتقال حرارت نسبت به کانال‌های متشکل از صفحات بدون موج می‌شود.نحوه کار این نوع مبدل به این صورت است که یک لوله جهت ورود و خروج سیال گرم‌کننده وجود دارد که فقط با صفحات به شکل یک در میان در ارتباط است. این لوله، سیال گرم‌کننده را وارد این صفحات کرده و از سمت دیگر آن خارج می‌نماید. یک لوله دیگر جهت ورود و خروج سیال گرم‌شونده وجود دارد که با صفحات دیگری که سیال گرم‌کننده به آنها متصل نیست، ارتباط دارد.
سیال گرم‌کننده از طریق لوله ورودی وارد کانال شکل گرفته بین دو صفحه و واشر آنها – به شکل یک در میان-شده اما طبیعتا راهی برای ورود به کانال‌های مجاور خود نمی‌یابد. سپس از طریق لوله خروجی از این کانال‌ها خارج می‌شود. این فرآیند برای هر یک از کانال‌ها به شکل یک در میان، ادامه می‌یابد. به شکل همزمان، سیال گرم‌شونده از طریق لوله ورودی سیال سرد، وارد کانال‌هایی می‌شود که درون آنها سیال گرم‌کننده وجود ندارد. بنابراین، سیال گرم‌شونده و گرم‌کننده به شکل یک در میان درون کانال‌های تشکیل شده از صفحات و بدون تماس مستقیم دو سیال جریان می‌یابند. مجاورت سیال گرم و سرد بواسطه ضخامت پایین و هدایت حرارتی بالای صفحات واسط و جریان مغشوش درون این کانال‌ها، سبب می‌شود تا حرارت بین دو سیال انتقال یابد. بطوریکه سیال گرم کننده، صفحات واسط را گرم کرده و این صفحات، گرما را به سیال گرم‌شونده انتقال می‌دهند.
ساختمان مبدل‌های صفحه‌ای به گونه‌ای طراحی شده که سطح انتقال حرارت و همچنین ضریب انتقال حرارت را افزایش داده و طبیعتا انتقال حرارت بین دو سیال تسهیل می‌گردد. این موضوع سبب می‌شود که این نوع مبدل‌ها در ظرفیت حرارتی برابر، اندازه کوچکتر و وزنی کمتر نسبت به مبدل‌های پوسته – لوله داشته باشند. در کنار مزایای گفته شده، این تجهیز معایبی نیز دارد که گران قیمت بودن، رسوب‌گذاری بیشتر و به تبع آن نیاز به تعمیر و نگهداری بیشتر از مهم‌ترین این معایب می‌باشد.
مبدل صفحه‌ای استخری
مبدل‌های صفحه‌ای استخری با همین مکانیزم آب استخر را گرم می‌نمایند. یعنی آب گرم‌کننده (از بویلر) از طریق لوله ورودی مربوطه وارد کانال‌های عبوری (به شکل یک در میان) شده و آب استخر نیز از طریق لوله ورودی آب گرم‌شونده وارد کانال‌های جریان مختص به خود می‌گردد و آب بویلر گرمای خود را از طریق صفحات واسط به آب استخر می‌دهد.
مقایسه مبدل حرارتی پوسته – لوله و صفحه‌ای استخری
در این بخش، با هدف جمع‌بندی مطالب ذکرشده در بخش‌های پیشینبه مقایسه این دو نوع مبدل حرارتی رایج در استخر به لحاظ پارامترهای مختلف عملکردی و نگهداری می‌پردازیم.
مهم‌ترین مزیت مبدل حرارتی پوسته – لوله در هزینه پایین‌تر اولیه آن و کیفیت بالاتر ساخت آن در ایران می‌باشد. سایر مزایا و معایب در جدول زیر آورده شده است.
در خصوص مبدل صفحه‌ای، ویژگی بارز آن ابعاد کوچکتر و به تبع آن حجم اشغالی کمتر آن در تصفیه‌خانه استخر است. سایر مزایا و معایب آن نیز در ادامه قابل مشاهده است.
همچنانکه پیشتر نیز ذکر شد، مبدل‌های صفحه‌ای در کشور کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از دلایل اصلی رواج کم آنها در فرآیند تولید می‌باشد. به علت کاهش هزینه و رقابتی شدن محصول، تولیدکنندگان عموما از جوش مس به جای جوش نیکل در فرآیند تولید بهره می‌گیرند. با این کار راندمان مبدل عموما پایین آمده و رسوب‌گذاری و خوردگی افزایش یافته که نیاز تعمیر و نگهداری این نوع مبدل را بیشتر می‌کند.
دو نوع مذکور، مبدل‌های رایج جهت گرم کردن آب استخر با استفاده از بویلر می‌باشند که در نوشته “ظرفیت مبدل حرارتی استخری” به نحوه تعیین ظرفیت آنها پرداختیم. البته روش‌های دیگری مانند استفاده از گرمکن‌های خورشیدی، استفاده از گرمکن‌های الکتریکی و بسیاری روش‌های دیگر، برای گرم کردن آب استخر وجود دارد که نوشته روش‌های گرمایش استخر، 11 روش آن به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است.
تهیه شده توسط تیم مهندسی پولونی
