مبادل حراري

المبادل الحراري هو نظام يُستخدم لنقل الحرارة بين مصدر حراري وسائل عامل . تُستخدم المبادلات الحرارية في عمليات التبريد والتدفئة على حد سواء. ^{[ 1 ]} قد يفصل جدار صلب بين السوائل لمنع اختلاطها، أو قد تكون على اتصال مباشر. ^{[ 2 ]} تُستخدم المبادلات الحرارية على نطاق واسع في تدفئة المساحات ، والتبريد ، وتكييف الهواء ، ومحطات توليد الطاقة ، والمصانع الكيميائية ، ومصانع البتروكيماويات ، ومصافي البترول ، ومعالجة الغاز الطبيعي ، ومعالجة مياه الصرف الصحي . يُعد محرك الاحتراق الداخلي مثالًا كلاسيكيًا على المبادلات الحرارية ، حيث يتدفق سائل تبريد المحرك عبر ملفات المبرد ، بينما يمر الهواء فوق هذه الملفات، مما يُبرد سائل التبريد ويُسخن الهواء الداخل . مثال آخر هو المشتت الحراري ، وهو مبادل حراري سلبي ينقل الحرارة المتولدة من جهاز إلكتروني أو ميكانيكي إلى وسط سائل، غالبًا ما يكون الهواء أو سائل تبريد. ^{[ 3 ]}

وفقًا لترتيب تدفقها، توجد ثلاثة تصنيفات رئيسية للمبادلات الحرارية:

1. في المبادلات الحرارية ذات التدفق المتوازي ، تدخل السوائل إلى المبادل من نفس الطرف، وتتحرك بالتوازي مع بعضها البعض لتخرج من الطرف الآخر. يُفضل هذا التصميم على حساب الكفاءة عندما يكون الهدف هو وصول السائلين إلى نفس درجة الحرارة تمامًا، لأنه يقلل من الإجهاد الحراري وينتج عنه معدل انتقال حرارة أكثر انتظامًا.
2. في المبادلات الحرارية ذات التدفق المعاكس، تدخل السوائل إلى المبادل من طرفين متقابلين. ^{[ 4 ]} يُعدّ تصميم التدفق المعاكس الأكثر كفاءة، حيث تتراوح كفاءته بين 70 و90% تقريبًا، اعتمادًا على معدل التدفق وفرق درجة الحرارة، وذلك لقدرته على نقل أكبر قدر من الحرارة من وسط نقل الحرارة لكل وحدة كتلة، نظرًا لارتفاع متوسط ​​فرق درجة الحرارة على طول أي وحدة طول . [ ^{5 ] انظر} : التبادل الحراري ذو التدفق المعاكس .
3. في المبادل الحراري ذي التدفق المتقاطع أو ذي الألواح المتقاطعة ، تتحرك السوائل بشكل عمودي تقريبًا على بعضها البعض، مع كفاءة تتراوح بين 50-70% في الهواء. ^{[ 5 ]}

• 
  الشكل 1: مبادل حراري ذو غلاف وأنابيب ، مسار واحد (تدفق متوازٍ 1-1)
• 
  الشكل 2: مبادل حراري ذو غلاف وأنابيب، جانب الأنابيب ذو مسارين (تدفق متقاطع 1-2)
• 
  الشكل 3: مبادل حراري ذو غلاف وأنابيب، جانب الغلاف ذو مسارين، جانب الأنابيب ذو مسارين (تيار معاكس 2-2)

لزيادة الكفاءة، تُصمَّم المبادلات الحرارية لزيادة مساحة سطح الجدار الفاصل بين السائلين إلى أقصى حد، مع تقليل مقاومة (انخفاض الضغط) تدفق السائل عبر المبادل. ويمكن زيادة كفاءة المبادل الحراري بإضافة عناصر لنقل الحرارة، مثل الزعانف والتموجات والتجاويف أو الفتحات في اتجاه واحد أو كلا الاتجاهين، مما يزيد من مساحة السطح وقد يُحسِّن تدفق السائل أو يُحدث اضطرابًا . مع ذلك، يجب توخي الحذر عند إضافة عناصر نقل الحرارة التي قد تحبس أو تجذب الجزيئات مع مرور الوقت، مما يؤدي إلى الانسداد والتلوث وزيادة المقاومة، الأمر الذي يقلل، بل وربما يُزيل، أي فوائد أولية للكفاءة مقارنةً بمبادل حراري بدون هذه العناصر. ولإعادة كفاءة المبادل الحراري إلى حالته النظيفة الأصلية، قد يلزم إجراء صيانة وقائية لاستعادة الكفاءة المصممة.

تختلف درجة الحرارة المحركة عبر سطح نقل الحرارة باختلاف الموضع، ولكن يمكن تحديد متوسط ​​تقريبي لدرجة الحرارة. في معظم الأنظمة البسيطة، يكون هذا المتوسط ​​هو " فرق متوسط ​​درجة الحرارة اللوغاريتمي " (LMTD). أحيانًا لا تتوفر معرفة مباشرة بـ LMTD، ويتم استخدام طريقة NTU .

يخضع تصميم وتصنيع المبادلات الحرارية للعديد من اللوائح، والتي تختلف باختلاف المنطقة التي سيتم استخدامها فيها.

تشمل معايير التصميم والتصنيع ما يلي: معيار ASME لأوعية الغلايات والضغط (الولايات المتحدة)؛ PD 5500 (المملكة المتحدة)؛ BS 1566 (المملكة المتحدة)؛ ^{[ 6 ]} EN 13445 (الاتحاد الأوروبي)؛ ^{[ 7 ]} CODAP (الفرنسية)؛ ​​لوائح سلامة معدات الضغط 2016 (PER) (المملكة المتحدة)؛ توجيه معدات الضغط (الاتحاد الأوروبي)؛ NORSOK (النرويجية)؛ TEMA ؛ ^{[ 8 ]} API 12؛ API 560 ^{[ 9 ]} ؛ API 660 ^{[ 10 ]} .

تأتي المبادلات الحرارية بتصاميم فريدة، ولكنها تندرج عمومًا ضمن الفئات العامة التالية:

• أنبوب مزدوج
• غلاف وأنبوب
• أنبوب وزعانف (صفيحة ذات زعانف)
• صفيحة وزعانف
• طبق وصدفة
• عجلة أديباتية
• طبق الوسادة
• الاتصال المباشر

تُعدّ المبادلات الحرارية ذات الأنابيب المزدوجة أبسط أنواع المبادلات، مما يُتيح أقل تكلفة وأسهل صيانة. في الماضي، كانت تُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات العملية، ولكنها تُستخدم الآن في الغالب لتعليم الطلاب أساسيات تصميم المبادلات الحرارية، نظرًا لأن القواعد الفيزيائية الأساسية لجميع المبادلات الحرارية واحدة. وقد دفع انخفاض كفاءتها، إلى جانب حجمها الكبير نسبيًا، الصناعات الحديثة إلى التحول نحو استخدام مبادلات حرارية أكثر كفاءة، مثل المبادلات الأنبوبية أو المبادلات ذات الألواح.

عندما يتدفق أحد السوائل عبر الأنبوب الأصغر، يتدفق الآخر عبر الفجوة الحلقية بين الأنبوبين. وقد يكون هذان التدفقان متوازيين أو متعاكسين في مبادل حراري ذي أنبوبين.

يوضح الشكل أعلاه اتجاهات التدفق المتوازية والمتعاكسة لمبادل السوائل.

تتكون المبادلات الحرارية الأنبوبية من سلسلة من الأنابيب التي تحتوي على سائل يُراد تسخينه أو تبريده. يمر سائل ثانٍ، موجود داخل غلاف خارجي، فوق الأنابيب المراد تسخينها أو تبريدها، ليقوم إما بتوفير الحرارة أو امتصاصها. تُسمى مجموعة الأنابيب حزمة الأنابيب، ويمكن أن تتكون من أنواع مختلفة من الأنابيب: أنابيب عادية، وأنابيب ذات زعانف طولية، وأنابيب منحنية، وأنابيب على شكل حرف U، وغيرها. تُستخدم المبادلات الحرارية الأنبوبية عادةً في التطبيقات ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (بضغوط تزيد عن 30 بار ودرجات حرارة تزيد عن 260 درجة مئوية) ^{[ 21 ]،} وذلك لمتانتها بفضل تصميمها. تتعدد أشكال تصميم المبادلات الأنبوبية، ولكن يجب أن يتم بناؤها وفقًا لمعايير الصناعة، مثل معيار TEMA ^{[ 22 ]} . عادةً، تُوصل نهايات كل أنبوب بغرف تجميع (تُسمى أحيانًا صناديق الماء) عبر فتحات في صفائح الأنابيب.

تتميز المبادلات الحرارية الأنبوبية والصدفية بتنوع كبير نظراً لتعدد ميزات التصميم المتاحة:

• قطر الأنبوب: استخدام أنبوب ذي قطر صغير يجعل المبادل الحراري اقتصاديًا وصغير الحجم. مع ذلك، يزداد احتمال تراكم الرواسب داخله بسرعة، كما أن صغر حجمه يُصعّب عملية التنظيف الميكانيكي لهذه الرواسب. وللتغلب على مشكلتي تراكم الرواسب والتنظيف، يمكن استخدام أنابيب ذات أقطار أكبر. لذا، لتحديد قطر الأنبوب الأمثل، يجب مراعاة المساحة المتاحة والتكلفة وطبيعة الرواسب التي تُسببها السوائل.
• شكل الأنبوب: يمكن أن يكون شكل الأنبوب بيضاويًا أو انسيابيًا لتحسين نقل الحرارة مع تقليل انخفاض الضغط. ^{[ 23 ]}
• سُمك الأنبوب: عادةً ما يتم تحديد سُمك جدار الأنابيب لضمان ما يلي:
  • هناك مساحة كافية للتآكل
  • هذا الاهتزاز الناتج عن التدفق له مقاومة
  • القوة المحورية
  • توافر قطع الغيار
  • قوة الحلقة (لتحمل ضغط الأنبوب الداخلي)
  • قوة الانبعاج (لتحمل الضغط الزائد في الغلاف)
• طول الأنابيب: عادةً ما تكون المبادلات الحرارية أرخص عندما يكون قطر غلافها أصغر وطول أنابيبها أطول. لذا، يُسعى عادةً إلى جعل المبادل الحراري أطول ما يمكن عمليًا دون تجاوز إمكانيات الإنتاج. مع ذلك، توجد العديد من القيود، منها المساحة المتاحة في موقع التركيب، وضرورة توفير أنابيب بأطوال ضعف الطول المطلوب (لتسهيل سحبها واستبدالها). كما أن الأنابيب الطويلة والرفيعة يصعب إخراجها واستبدالها.
• تباعد الأنابيب: عند تصميم الأنابيب، من العملي التأكد من أن تباعد الأنابيب (أي المسافة بين مركزي الأنابيب المتجاورة) لا يقل عن 1.25 ضعف القطر الخارجي للأنابيب. يؤدي تباعد الأنابيب الأكبر إلى زيادة القطر الكلي للغلاف، مما ينتج عنه مبادل حراري أكثر تكلفة.
• تموج الأنابيب: هذا النوع من الأنابيب، المستخدم بشكل أساسي للأنابيب الداخلية، يزيد من اضطراب السوائل ويكون التأثير مهمًا جدًا في نقل الحرارة مما يعطي أداءً أفضل.
• تخطيط الأنابيب: يشير إلى كيفية وضع الأنابيب داخل الغلاف. هناك أربعة أنواع رئيسية لتخطيط الأنابيب، وهي: المثلث (30 درجة)، والمثلث المائل (60 درجة)، والمربع (90 درجة)، والمربع المائل (45 درجة). تُستخدم الأنماط المثلثية لزيادة نقل الحرارة، حيث تُجبر السائل على التدفق بشكل أكثر اضطرابًا حول الأنابيب. أما الأنماط المربعة فتُستخدم في الحالات التي تكثر فيها الترسبات وتتطلب تنظيفًا دوريًا.
• تصميم الحواجز: تُستخدم الحواجز في المبادلات الحرارية الأنبوبية لدعم الأنابيب وتوجيه السائل بشكل طبيعي أو لإحداث اضطراب (لزيادة اختلاط السائل) عبر حزمة الأنابيب. تمتد هذه الحواجز عموديًا على الغلاف وتُثبّت الحزمة، مانعةً الأنابيب من الترهل على امتداد طول كبير. كما أنها تمنع اهتزاز الأنابيب. يُعد الحاجز القطاعي النوع الأكثر شيوعًا. تُوجّه الحواجز القطاعية نصف الدائرية بزاوية 180 درجة بالنسبة للحواجز المجاورة، مما يُجبر السائل على التدفق لأعلى ولأسفل بين حزمة الأنابيب. تُعدّ المسافة بين الحواجز من أهم العوامل الديناميكية الحرارية عند تصميم المبادلات الحرارية الأنبوبية. يجب تحديد المسافة بين الحواجز مع مراعاة تحويل انخفاض الضغط وانتقال الحرارة. لتحقيق الكفاءة الحرارية والاقتصادية المثلى، يُقترح ألا تقل المسافة بين الحواجز عن 20% من القطر الداخلي للغلاف. يؤدي تقارب الحواجز الشديد إلى زيادة انخفاض الضغط نتيجة لإعادة توجيه التدفق. نتيجةً لذلك، فإنّ تباعد الحواجز بشكلٍ كبير قد يؤدي إلى وجود مناطق أكثر برودة في الزوايا بينها. ومن المهم أيضًا التأكد من تقارب الحواجز بما يكفي لمنع ترهل الأنابيب. أما النوع الرئيسي الآخر من الحواجز فهو حاجز القرص والحلقة، والذي يتكون من حاجزين متحدي المركز. يشبه الحاجز الخارجي الأوسع شكل الحلقة، بينما يكون الحاجز الداخلي على شكل قرص. يجبر هذا النوع من الحواجز السائل على المرور حول كل جانب من جوانب القرص ثم عبر حاجز الحلقة، مما يُولّد نوعًا مختلفًا من تدفق السائل. تُستخدم الحواجز لدعم الأنابيب، وتوجيه تدفق السائل إليها بطريقة طبيعية تقريبًا، وزيادة اضطراب سائل الغلاف إلى أقصى حد. توجد أنواع عديدة من الحواجز، ويعتمد اختيار شكل الحاجز وتباعده وهندسته على معدل التدفق المسموح به، وانخفاض القوة على جانب الغلاف، والحاجة إلى دعم الأنابيب، والاهتزازات الناتجة عن التدفق. تتوفر عدة أنواع من المبادلات الحرارية الأنبوبية؛ وتكمن الاختلافات في ترتيب تكوينات التدفق وتفاصيل البناء.
• تصميم الأنابيب والزعانف: في تطبيقات تبريد الهواء بتقنية الأنابيب والغطاء (مثل المبرد البيني / مبرد هواء الشحن لمحركات الاحتراق الداخلي )، قد يكون الفرق في انتقال الحرارة بين الهواء والسائل البارد كبيرًا لدرجة تستدعي زيادة مساحة انتقال الحرارة على جانب الهواء. ولتحقيق هذه الوظيفة، يمكن إضافة زعانف إلى الأنابيب لزيادة مساحة انتقال الحرارة على جانب الهواء، مما يُنشئ تصميمًا للأنابيب والزعانف.

يمكن تجميع المبادلات الحرارية ذات العمر التشغيلي الطويل والمناسبة تمامًا للبيئات البحرية والقاسية باستخدام أغلفة نحاسية، وأنابيب نحاسية، وحواجز نحاسية، ومحاور طرفية متكاملة من النحاس المطروق ^{[ 24 ]} ، أو الفولاذ المقاوم للصدأ، أو التيتانيوم. ^{[ 25 ]} (انظر: النحاس في المبادلات الحرارية ).

غلاف وأنبوب حلزوني

يتضمن تعديل التدفق العمودي في المبادل الحراري ذي الغلاف الحلزوني التقليدي استبدال الغلاف بأنبوب حلزوني آخر، مما يسمح بتدفق السائلين بالتوازي، ويتطلب ذلك استخدام حسابات تصميم مختلفة. ^{[ 30 ]} هذه هي المبادلات الحرارية الحلزونية (SHE)، والتي قد تشير إلى تكوين أنبوب حلزوني (ملفوف)، وبشكل أعم، يشير المصطلح إلى زوج من الأسطح المستوية الملفوفة لتشكيل قناتين في ترتيب تدفق معاكس. تحتوي كل قناة من القناتين على مسار منحني طويل. يتم توصيل زوج من منافذ السوائل بشكل مماس بالأذرع الخارجية للحلزون، والمنافذ المحورية شائعة ولكنها اختيارية. ^{[ 31 ]}

تتمثل الميزة الرئيسية للمبادل الحراري ذي المبادلات الحرارية في كفاءته العالية في استغلال المساحة. غالبًا ما تُستغل هذه الميزة ويُعاد تخصيص جزء منها لتحقيق تحسينات أخرى في الأداء، وفقًا للمفاضلات المعروفة في تصميم المبادلات الحرارية. (ومن أبرز هذه المفاضلات التكلفة الرأسمالية مقابل تكلفة التشغيل). يمكن استخدام مبادل حراري صغير الحجم لتقليل المساحة المطلوبة وبالتالي خفض التكاليف الرأسمالية الإجمالية، أو يمكن استخدام مبادل حراري كبير الحجم لتقليل انخفاض الضغط ، واستهلاك طاقة الضخ ، وزيادة الكفاءة الحرارية ، وخفض تكاليف الطاقة.

بناء

تُحافظ على المسافة بين الصفائح في القنوات الحلزونية باستخدام مسامير فاصلة ملحومة قبل عملية الدرفلة. بعد درفلة الحزمة الحلزونية الرئيسية، تُلحم الحواف العلوية والسفلية بالتناوب، ويُغلق كل طرف بغطاء مسطح أو مخروطي مزود بحشية، مثبت بمسامير في جسم الجهاز. يضمن هذا عدم اختلاط السائلين. أي تسرب يكون من الغطاء المحيطي إلى الغلاف الجوي، أو إلى ممر يحتوي على السائل نفسه. ^{[ 32 ]}

التنظيف الذاتي

تُستخدم المبادلات الحرارية الحلزونية غالبًا في تسخين السوائل التي تحتوي على مواد صلبة، مما يؤدي إلى تراكم الرواسب داخلها. ويُسهّل انخفاض الضغط فيها عملية التخلص من هذه الرواسب. تعتمد هذه المبادلات على آلية "التنظيف الذاتي"، حيث تُسبب الأسطح المتسخة زيادة موضعية في سرعة السائل، مما يزيد من مقاومة الاحتكاك على السطح المتسخ، وبالتالي يُساعد على إزالة الانسداد والحفاظ على نظافة المبادل. تتميز الجدران الداخلية التي تُشكل سطح نقل الحرارة بسماكتها، مما يجعل هذه المبادلات متينة للغاية وقادرة على العمل لفترات طويلة في البيئات القاسية. كما أنها سهلة التنظيف، حيث تُفتح كالفرن، ويمكن إزالة أي تراكم للرواسب باستخدام الغسيل بالضغط .

تُستخدم فلاتر المياه ذاتية التنظيف للحفاظ على نظافة النظام واستمرار تشغيله دون الحاجة إلى إيقاف التشغيل أو استبدال الخراطيش والأكياس.

ترتيبات التدفق

توجد ثلاثة أنواع رئيسية من التدفقات في المبادل الحراري الحلزوني:

• التدفق المعاكس : تتدفق السوائل في اتجاهين متعاكسين. تُستخدم هذه التقنية في تطبيقات تبريد السوائل، والتكثيف، وتبريد الغازات. عادةً ما تُركّب الوحدات عموديًا عند تكثيف البخار، وأفقيًا عند التعامل مع تركيزات عالية من المواد الصلبة.
• التدفق الحلزوني/التدفق العرضي: يتدفق أحد السائلين بشكل حلزوني والآخر بشكل عرضي. تُلحم ممرات التدفق الحلزوني على جانبي هذا النوع من المبادلات الحرارية الحلزونية. يُناسب هذا النوع من التدفق معالجة الغازات منخفضة الكثافة، التي تمر عبر التدفق العرضي، مما يمنع فقدان الضغط. ويمكن استخدامه في تطبيقات السوائل إذا كان معدل تدفق أحد السائلين أكبر بكثير من الآخر.
• التدفق البخاري الموزع/الحلزوني: هذا التصميم هو تصميم مكثف، وعادةً ما يُركّب عموديًا. وهو مصمم لتبريد كل من المكثفات والغازات غير القابلة للتكثيف. يتحرك سائل التبريد بشكل حلزوني ويخرج من الأعلى. أما الغازات الساخنة الداخلة فتخرج كمكثفات من المخرج السفلي.

التطبيقات

يُعدّ المبادل الحراري الحلزوني مناسبًا لتطبيقات مثل البسترة، وتسخين الهاضمات، واستعادة الحرارة، والتسخين المسبق (انظر: المُسترجع الحراري )، وتبريد النفايات السائلة. في معالجة الحمأة، تكون المبادلات الحرارية الحلزونية أصغر حجمًا من أنواع المبادلات الحرارية الأخرى، وتُستخدم لنقل الحرارة.

يُعدّ المبادل الحراري ذو الألواح نوعًا آخر من المبادلات الحرارية . يتكون هذا النوع من ألواح رقيقة متباعدة قليلاً، ذات مساحات سطحية كبيرة جدًا وممرات صغيرة لتدفق السوائل لنقل الحرارة. تعمل الحشيات على إحكام إغلاق الفراغات بين كل زوج من الألواح المتجاورة، مما يُنشئ قناتين مستقلتين لتدفق السوائل. يسمح هذا التصميم بتدفق سائلين مختلفين عبر قنوات متبادلة دون اختلاط. تُثبّت الألواح معًا باستخدام اللحام والربط بالمسامير لضمان السلامة الهيكلية ومنع التسرب. وقد ساهمت التطورات في تقنيات الحشيات واللحام في جعل المبادل الحراري ذي الألواح أكثر عملية.

في تطبيقات التكييف والتهوية ، تُسمى المبادلات الحرارية الكبيرة من هذا النوع بمبادلات الألواح والإطارات ؛ وعند استخدامها في الدوائر المفتوحة، تكون هذه المبادلات الحرارية عادةً من النوع المزود بحشية لتسهيل فكها وتنظيفها وفحصها دوريًا. توجد أنواع عديدة من المبادلات الحرارية ذات الألواح الملحومة بشكل دائم، مثل الملحومة بالغمس، والملحومة بالتفريغ، والملحومة بالصفائح، وغالبًا ما تُستخدم في تطبيقات الدوائر المغلقة مثل التبريد . تختلف المبادلات الحرارية ذات الألواح أيضًا في أنواع الألواح المستخدمة، وفي تصميماتها. قد تكون بعض الألواح منقوشة بنقوش على شكل حرف "V" أو ذات تجاويف أو أنماط أخرى، بينما قد تحتوي ألواح أخرى على زعانف و/أو أخاديد مصنعة آليًا.

بالمقارنة مع المبادلات الحرارية الأنبوبية، تتميز المبادلات الحرارية ذات الألواح المتراصة بانخفاض حجمها وتكلفتها. ومن الفروق الأخرى بينهما أن المبادلات الحرارية ذات الألواح تُستخدم عادةً مع السوائل ذات الضغط المنخفض إلى المتوسط، بينما تُستخدم المبادلات الحرارية الأنبوبية مع السوائل ذات الضغط المتوسط ​​والعالي. وثمة فرق ثالث مهم يتمثل في أن المبادلات الحرارية ذات الألواح تعتمد على التدفق المعاكس بدلاً من التدفق المتقاطع، مما يسمح بانخفاض فروق درجات الحرارة، وارتفاع تغيرات درجات الحرارة، وزيادة الكفاءة.

تؤدي الأنماط السطحية المموجة على الألواح وظيفتين أساسيتين: فهي تزيد من مساحة السطح المتاحة لانتقال الحرارة، وتُحدث تدفقًا مضطربًا يُحسّن الأداء الحراري. في التكوين ذي التيار المعاكس، يتدفق السائلان في اتجاهين متعاكسين عبر قنوات متجاورة، مما يزيد من فرق درجة الحرارة المتاح للتبادل الحراري، ويُحسّن الكفاءة.

تُؤمِّن الحشيات الموضوعة بين ألواح الإطار الخارجي وألواح الضغط الداخلية إحكامًا موثوقًا يمنع التلوث المتبادل. ويضمن تصميم التوزيع تدفق السوائل عبر كامل سطح نقل الحرارة، مما يمنع تكوّن مناطق راكدة قد تتراكم فيها الرواسب. تُصنَّع المبادلات الحرارية اللوحية بتكوينات متنوعة، تشمل الألواح والإطار، والألواح والغطاء، والتصاميم الحلزونية، بأعماق وأحجام وأنماط تمويج مختلفة لتناسب تطبيقات ومتطلبات أداء محددة.

يستخدم هذا النوع من المبادلات الحرارية ممرات "متداخلة" تحتوي على زعانف لزيادة كفاءة الوحدة. وتشمل التصاميم التدفق المتقاطع والتدفق المعاكس، بالإضافة إلى تكوينات مختلفة للزعانف مثل الزعانف المستقيمة والزعانف المنزاحة والزعانف المتموجة.

تُصنع المبادلات الحرارية ذات الألواح والزعانف عادةً من سبائك الألومنيوم، مما يوفر كفاءة عالية في نقل الحرارة. تُمكّن هذه المادة النظام من العمل عند فرق درجة حرارة أقل، وتُقلل من وزن المعدات. تُستخدم هذه المبادلات الحرارية في الغالب في التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة منخفضة، مثل محطات تسييل الغاز الطبيعي والهيليوم والأكسجين ، ومحطات فصل الهواء ، وقطاعات النقل مثل محركات السيارات والطائرات .

مزايا المبادلات الحرارية ذات الألواح والزعانف:

• كفاءة عالية في نقل الحرارة خاصة في معالجة الغاز
• مساحة أكبر لنقل الحرارة
• أخف وزناً بحوالي 5 مرات من وزن المبادل الحراري الأنبوبي.
• قادر على تحمل الضغط العالي

عيوب المبادلات الحرارية ذات الألواح والزعانف:

• قد يتسبب ذلك في انسداد لأن المسارات ضيقة للغاية
• من الصعب تنظيف الممرات
• تُعد سبائك الألومنيوم عرضة لفشل التقصف الناتج عن الزئبق السائل

يُصنع المبادل الحراري ذو الألواح والغطاء بالكامل بدون حشيات، مما يوفر حمايةً من التسرب عند الضغوط ودرجات الحرارة العالية. يحتوي الغطاء الداخلي للمبادل الحراري على مجموعة ألواح دائرية ملحومة بالكامل، مصنوعة عن طريق ضغط وقطع ألواح دائرية ولحامها معًا. تقوم فوهات بنقل التدفق داخل وخارج مجموعة الألواح (مسار التدفق من جانب الألواح). تُجمّع مجموعة الألواح الملحومة بالكامل في غطاء خارجي يُشكّل مسار تدفق ثانٍ (مسار التدفق من جانب الغطاء). توفر تقنية الألواح والغطاء نقلًا حراريًا عاليًا، وضغطًا عاليًا، ودرجة حرارة تشغيل عالية ، وحجمًا صغيرًا، وتراكمًا منخفضًا للرواسب، وتقاربًا في درجة الحرارة.

تستخدم المبادلات الحرارية ذات العجلات الأديباتية سائلاً أو مادة صلبة وسيطة لتخزين الحرارة، والتي تُنقل بعد ذلك إلى الجانب الآخر من المبادل الحراري لإطلاقها. ومن الأمثلة على ذلك العجلات الأديباتية، التي تتكون من عجلة كبيرة ذات خيوط دقيقة تدور عبر السوائل الساخنة والباردة، والمبادلات الحرارية السائلة.

يُستخدم مبادل حراري ذو ألواح وسادة بشكل شائع في صناعة الألبان لتبريد الحليب في خزانات التخزين المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ . يمكن دمج هذا المبادل الحراري مع كامل مساحة سطح الخزان تقريبًا، دون وجود فجوات كما هو الحال عند لحام الأنابيب بالسطح الخارجي للخزان. كما يمكن تصنيع ألواح الوسادة على شكل ألواح مسطحة تُكدس داخل الخزان. يتيح السطح المستوي نسبيًا لهذه الألواح سهولة التنظيف، خاصةً في التطبيقات المعقمة.

يمكن تصنيع لوحة الوسادة إما باستخدام صفيحة معدنية رقيقة ملحومة بالسطح السميك للخزان أو الوعاء، أو صفيحتين رقيقتين ملحومتين معًا. يُلحم سطح اللوحة بنمط منتظم من النقاط أو بنمط متعرج من خطوط اللحام. بعد اللحام، يُضغط الحيز المغلق بقوة كافية لتسبب تمددًا مباشرًا للمعدن الرقيق، مما يؤدي إلى انتفاخه حول اللحامات، موفرًا مساحة لتدفق سوائل المبادل الحراري، ومُعطيًا مظهرًا مميزًا لوسادة منتفخة مصنوعة من المعدن.

تعتمد المبادلات الحرارية ذات التلامس المباشر على نقل الحرارة بين تيارات ساخنة وباردة من طورين في غياب جدار فاصل. ^{[ 33 ]} وبالتالي، يمكن تصنيف هذه المبادلات الحرارية على النحو التالي:

• غاز – سائل
• سائل غير قابل للامتزاج – سائل
• صلب-سائل أو صلب-غاز

تندرج معظم المبادلات الحرارية ذات التلامس المباشر ضمن فئة الغاز - السائل، حيث يتم نقل الحرارة بين الغاز والسائل على شكل قطرات أو أغشية أو رذاذ. ^{[ 21 ]}

تُستخدم هذه الأنواع من المبادلات الحرارية بشكل أساسي في تكييف الهواء ، والترطيب ، وتسخين المياه الصناعية ، وتبريد المياه ، ومحطات التكثيف. ^{[ 34 ]}

يُعدّ استخدام الزعانف في المبادلات الحرارية الأنبوبية شائعًا عندما يكون أحد الموائع العاملة غازًا منخفض الضغط، وهو أمر شائع في المبادلات الحرارية التي تعمل بالهواء المحيط، مثل مشعات السيارات ومكثفات الهواء في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء . تزيد الزعانف بشكل كبير من مساحة السطح التي يمكن تبادل الحرارة من خلالها، مما يُحسّن كفاءة توصيل الحرارة إلى سائل ذي موصلية حرارية منخفضة جدًا ، مثل الهواء. تُصنع الزعانف عادةً من الألومنيوم أو النحاس لأنها تنقل الحرارة من الأنبوب على طول الزعانف، التي عادةً ما تكون رقيقة جدًا.

أنواع البناء الرئيسية للمبادلات الحرارية ذات الأنابيب المزودة بزعانف هي:

• تُستخدم مجموعة من الصفائح المعدنية المتباعدة بانتظام كزعانف، وتُضغط الأنابيب عبر فتحات مُجهزة مسبقًا في هذه الزعانف، ويتحقق التوصيل الحراري الجيد عادةً عن طريق تشوه الزعانف حول الأنبوب. هذا تصميم نموذجي لملفات الهواء في أنظمة التكييف والتهوية ومكثفات التبريد الكبيرة .
• يتم لف الزعانف بشكل حلزوني على الأنابيب الفردية كشريط متصل، ويمكن بعد ذلك تجميع الأنابيب في مجموعات، أو ثنيها بنمط متعرج، أو لفها في حلزونات كبيرة.
• تُوضع شرائح معدنية متعرجة بين أنابيب مستطيلة مسطحة، وغالبًا ما تُلحم أو تُربط معًا لضمان متانة حرارية وميكانيكية عالية. يُعدّ هذا شائعًا في المبادلات الحرارية منخفضة الضغط، مثل مشعات التبريد المائي . تتمدد الأنابيب المسطحة العادية وتتشوه عند تعرضها لضغوط عالية، لكن أنابيب القنوات الدقيقة المسطحة تسمح باستخدام هذا التصميم في ظروف الضغوط العالية. ^{[ 36 ]}

يمكن استخدام تصميم الزعانف المتراصة أو الملفوفة حلزونياً للأنابيب داخل المبادلات الحرارية الأنبوبية عندما يكون نقل الحرارة عالي الكفاءة إلى الغاز مطلوبًا.

في مجال تبريد الإلكترونيات، يمكن أن تحتوي مشتتات الحرارة ، وخاصة تلك التي تستخدم أنابيب الحرارة ، على بنية ذات زعانف متراصة.

تُعدّ المكثفات والغلايات والمبخرات من المبادلات الحرارية التي تستخدم نظام نقل حرارة ثنائي الطور. المكثفات هي أجهزة تستقبل الغاز أو البخار الساخن وتبرده حتى يصل إلى درجة التكثيف، ثم تحوله إلى الحالة السائلة. تُسمى نقطة تحول السائل إلى غاز بالتبخر، والعكس صحيح، يُسمى بالتكثيف. يُعدّ المكثف السطحي النوع الأكثر شيوعًا، حيث يتضمن جهازًا لتزويد الماء. يوضح الشكل 5 أدناه مكثفًا سطحيًا ثنائي المسار.

يكون ضغط البخار عند مخرج التوربين منخفضًا في المناطق ذات الكثافة المنخفضة جدًا، بينما يكون معدل التدفق مرتفعًا جدًا. ولمنع انخفاض الضغط أثناء انتقال البخار من التوربين إلى المكثف، توضع وحدة المكثف أسفل التوربين وتُوصل به. داخل الأنابيب، يتدفق ماء التبريد بشكل متوازٍ، بينما يتحرك البخار عموديًا إلى الأسفل من الفتحة العلوية الواسعة ويمر عبر الأنبوب.

علاوة على ذلك، تُصنّف الغلايات ضمن التطبيقات الأولية للمبادلات الحرارية. ويُستخدم مصطلح "مولد البخار" عادةً لوصف وحدة الغلاية التي يكون فيها تيار السائل الساخن مصدر الحرارة بدلاً من نواتج الاحتراق. وتُصنّع الغلايات وفقًا لأبعادها وتكويناتها. فبعضها يُنتج سائلاً ساخناً فقط، بينما يُصنّع البعض الآخر لإنتاج البخار.

إضافةً إلى تسخين أو تبريد السوائل في طور واحد ، يمكن استخدام المبادلات الحرارية إما لتسخين سائل لتبخيره (أو غليه) أو كمكثفات لتبريد البخار وتكثيفه إلى سائل. في المصانع الكيميائية ومصافي النفط ، غالبًا ما تكون أجهزة إعادة الغليان المستخدمة لتسخين المواد الخام الداخلة إلى أبراج التقطير من المبادلات الحرارية. ^{[ 42 ] [ 43 ]} تستخدم وحدات التقطير عادةً المكثفات لتكثيف أبخرة المقطرات وتحويلها إلى سائل. تستخدم محطات توليد الطاقة التي تعمل بالتوربينات البخارية المبادلات الحرارية لغلي الماء وتحويله إلى بخار . تُسمى المبادلات الحرارية أو الوحدات المشابهة لإنتاج البخار من الماء بالغلايات أو مولدات البخار. في محطات الطاقة النووية التي تُسمى مفاعلات الماء المضغوط ، تنقل مبادلات حرارية كبيرة خاصة الحرارة من النظام الأساسي (محطة المفاعل) إلى النظام الثانوي (محطة البخار)، منتجةً البخار من الماء في هذه العملية. تُسمى هذه مولدات البخار . تحتوي جميع محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري والمحطات النووية التي تستخدم توربينات بخارية على مكثفات سطحية لتحويل بخار العادم من التوربينات إلى مكثف (ماء) لإعادة استخدامه. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} وللحفاظ على الطاقة وقدرة التبريد في المصانع الكيميائية وغيرها، يمكن للمبادلات الحرارية التجديدية نقل الحرارة من تيار يحتاج إلى التبريد إلى تيار آخر يحتاج إلى التسخين، مثل تبريد المقطرات وتسخين تغذية المُسخِّن.

يُستخدم هذا المصطلح أيضًا للإشارة إلى المبادلات الحرارية التي تحتوي على مادة داخل بنيتها تتغير حالتها. وعادةً ما تكون هذه الحالة من صلبة إلى سائلة نظرًا لصغر فرق الحجم بين هاتين الحالتين. يعمل هذا التغير في الحالة كعازل حراري فعال لأنه يحدث عند درجة حرارة ثابتة، ولكنه يسمح في الوقت نفسه للمبادل الحراري باستقبال حرارة إضافية. ومن الأمثلة على ذلك استخدامه في إلكترونيات الطائرات عالية الطاقة.

قد تتعرض المبادلات الحرارية التي تعمل في أنظمة التدفق متعدد الأطوار لعدم استقرار ليدينج .

وحدة استعادة الحرارة المهدرة (WHRU) هي مبادل حراري يستعيد الحرارة من تيار غاز ساخن وينقلها إلى وسيط تشغيل، عادةً ما يكون الماء أو الزيوت. قد يكون تيار الغاز الساخن غاز عادم من توربين غازي أو محرك ديزل، أو غاز نفايات من الصناعة أو مصفاة نفط.

يمكن للأنظمة الكبيرة ذات التدفقات الغازية عالية الحجم والحرارة، الشائعة في الصناعة، الاستفادة من دورة رانكين البخارية في وحدة استعادة الحرارة المهدرة، إلا أن هذه الدورات مكلفة للغاية بالنسبة للأنظمة الصغيرة. تتطلب استعادة الحرارة من الأنظمة منخفضة الحرارة سوائل تشغيل مختلفة عن تلك المستخدمة مع البخار.

يمكن أن تكون وحدة استعادة الحرارة المهدرة في دورة رانكين العضوية (ORC) أكثر كفاءة في نطاق درجات الحرارة المنخفضة باستخدام مواد تبريد تغلي عند درجات حرارة أقل من الماء. ومن مواد التبريد العضوية الشائعة الأمونيا ، وخماسي فلورو البروبان (R-245fa وR-245ca)، والتولوين .

يُغلى المُبرّد بواسطة مصدر الحرارة في المُبخر لإنتاج بخار مُحمّص. يتمدد هذا السائل في التوربين لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية، والتي تُحوّل بدورها إلى كهرباء في المولد الكهربائي. تُخفّض عملية نقل الطاقة هذه درجة حرارة المُبرّد، الذي يتكثف بدوره. تُغلق الدورة وتُستكمل باستخدام مضخة لإعادة السائل إلى المُبخر.

يُعرف نوع آخر من المبادلات الحرارية باسم " المبادل الحراري ذو السطح المكشوط (الديناميكي) ". يُستخدم هذا النوع بشكل أساسي في تسخين أو تبريد المنتجات عالية اللزوجة ، وعمليات التبلور ، والتبخير ، والتطبيقات التي تتعرض للترسبات الكثيفة . ويُمكن تحقيق فترات تشغيل طويلة بفضل الكشط المستمر للسطح، مما يمنع الترسبات ويضمن معدل نقل حرارة مستدام أثناء العملية.

يُعدّ التبريد وتكييف الهواء من أكثر استخدامات المبادلات الحرارية شيوعًا . يُطلق على هذا النوع من المبادلات الحرارية عادةً اسم " ملفات الهواء" ، أو ببساطة " ملفات" نظرًا لأنابيبها الداخلية المتعرجة في كثير من الأحيان، أو " المكثفات" في حالة التبريد ، وهي عادةً من النوع ذي الأنابيب المزودة بزعانف. أما ملفات التكييف من نوع سائل-هواء أو هواء-سائل، فتكون عادةً ذات ترتيب تدفق متقاطع مُعدّل. وفي المركبات، تُسمى ملفات التسخين غالبًا " لبّات السخان" .

في الجانب السائل من هذه المبادلات الحرارية، تشمل السوائل الشائعة الماء، ومحلول الماء والجليكول، والبخار، أو مادة التبريد . بالنسبة لملفات التسخين ، يُعد الماء الساخن والبخار الأكثر شيوعًا، ويتم توفير هذا السائل الساخن من الغلايات ، على سبيل المثال. أما بالنسبة لملفات التبريد ، فيُعد الماء المبرد ومادة التبريد الأكثر شيوعًا. يتم توفير الماء المبرد من مبرد قد يكون موقعه بعيدًا جدًا، بينما يجب أن تأتي مادة التبريد من وحدة تكثيف قريبة. عند استخدام مادة التبريد، يكون ملف التبريد هو المبخر ، وملف التسخين هو المكثف في دورة التبريد بضغط البخار . تُسمى ملفات التكييف التي تستخدم هذا التمدد المباشر لمواد التبريد عادةً بملفات DX . بعض ملفات DX من نوع "القنوات الدقيقة". ^{[ 36 ]}

يوجد فرقٌ كبيرٌ في جانب الهواء من ملفات التكييف والتهوية بين تلك المستخدمة للتدفئة وتلك المستخدمة للتبريد. فبسبب علم قياس الرطوبة ، غالبًا ما يتكثف بخار الماء من الهواء المبرد، باستثناء تيارات الهواء الجافة للغاية. يؤدي تسخين بعض الهواء إلى زيادة قدرته على الاحتفاظ بالماء. لذا، لا تحتاج ملفات التدفئة إلى مراعاة تكثف الرطوبة على جانب الهواء، بينما يجب تصميم ملفات التبريد واختيارها بعناية للتعامل مع أحمالها الكامنة ( الرطوبة) بالإضافة إلى أحمال التبريد المحسوسة . يُطلق على الماء المُزال اسم المُكثّف .

في العديد من المناخات، قد تتعرض ملفات التبريد والتدفئة المائية أو البخارية لظروف التجمد. ونظرًا لتمدد الماء عند تجمده، فإن هذه المبادلات الحرارية ذات الجدران الرقيقة، والتي تُعدّ باهظة الثمن ويصعب استبدالها، قد تتلف أو تُدمّر بسهولة بمجرد تجمدها مرة واحدة. ولذلك، تُعدّ حماية الملفات من التجمد مصدر قلق بالغ لمصممي ومركبي ومشغلي أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.

أدى إدخال تجاويف داخل زعانف التبادل الحراري إلى التحكم في التكثيف، مما سمح لجزيئات الماء بالبقاء في الهواء المبرد. ^{[ 47 ]}

لا تُعدّ المبادلات الحرارية في أفران الاحتراق المباشر ، الشائعة في العديد من المنازل، ملفاتٍ ملفوفة. بل هي مبادلات حرارية من نوع الغاز إلى الهواء، مصنوعة عادةً من صفائح فولاذية مختومة. تمر نواتج الاحتراق من جانبٍ واحدٍ من هذه المبادلات، بينما يمر الهواء المراد تسخينه من الجانب الآخر. لذا، يُعدّ وجود تشققات في المبادل الحراري حالةً خطيرةً تتطلب معالجةً فوريةً، لأن نواتج الاحتراق قد تتسرب إلى أماكن المعيشة.

نظراً لكثرة المتغيرات، قد يكون اختيار المبادلات الحرارية المثلى لسعة مستهدفة (كيلوواط) أمراً صعباً. صحيح أن الحسابات اليدوية ممكنة، لكنها تتطلب عادةً العديد من المحاولات. ولذلك، غالباً ما يتم تغيير معايير المبادلات الحرارية ومحاكاتها بواسطة برامج الحاسوب حتى يتم اختيار المبادل الحراري المطلوب، إما من قبل مصممي الأنظمة، وهم عادةً مهندسون ، أو من قبل موردي المعدات.

يمكن لبرامج الحاسوب تغيير معلمات المحاكاة البُعدية التالية

• عدد النوى
• عدد الممرات وألواح/أنابيب القنوات الدقيقة لكل ممر
• نصف قطر الأنبوب
• ارتفاع/طول/عمق القناة الدقيقة، عدد القنوات لكل لوحة، نصف قطر القناة أو عرضها/ارتفاعها، المسافة بين القنوات والمسافة إلى السطح
• شكل الزعنفة، نوعها، سمكها، طولها، درجة ميلها

لاختيار مبادل حراري مناسب، ينظر مصممو النظام (أو مورّدو المعدات) أولاً في قيود التصميم لكل نوع من أنواع المبادلات الحرارية. ورغم أن التكلفة غالباً ما تكون المعيار الأساسي، إلا أن هناك معايير اختيار أخرى مهمة أيضاً:

• سعة التبادل الحراري (كيلوواط)
• حدود الضغط العالي/المنخفض
• الأداء الحراري
• نطاقات درجات الحرارة
• مزيج المنتجات (سائل/سائل، جزيئات أو سائل عالي المواد الصلبة)
• انخفاض الضغط عبر المبادل الحراري
• سعة تدفق السوائل
• سهولة التنظيف والصيانة والإصلاح
• المواد اللازمة للبناء
• القدرة على التوسع المستقبلي وسهولة توسعه
• ^{اختيار المواد ،} مثل النحاس والألومنيوم والفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل والسيراميك والبوليمر والتيتانيوم . [ ^{50 ]} [ ⁵¹ ]
• الحجم. ^{[ 52 ]}

يمكن تزويد مبادل حراري لمبخر ببيانات الأداء عند معدلات تدفق هواء مختلفة، مع الحفاظ على درجة حرارة ورطوبة ثابتة للهواء المختلط (الهواء النقي والهواء المعاد تدويره). ويمكن استخدام عوامل تصحيح لتقدير الأداء عند درجات حرارة أو رطوبة هواء أخرى.

تتم مراقبة أداء المبادلات الحرارية التجارية عبر الإنترنت من خلال تتبع معامل انتقال الحرارة الكلي. ويميل هذا المعامل إلى الانخفاض بمرور الوقت نتيجة لتراكم الرواسب.

من خلال حساب معامل انتقال الحرارة الإجمالي بشكل دوري من معدلات تدفق المبادل ودرجات الحرارة، يمكن لمالك المبادل الحراري تقدير متى يكون تنظيف المبادل الحراري مجديًا اقتصاديًا.

يمكن أن يكون الحفاظ على سلامة المبادل الحراري وتحديد فترات فحصه نتيجة لتقييم المخاطر أو بشكل أوسع ممارسة تصنيعية جيدة . ^{[ 53 ]} تستخدم العديد من الصناعات المبادلات الحرارية لتبريد المنتجات: الحليب، والأغذية، والبيرة، والمكونات الصيدلانية الفعالة ^{[ 54 ]} والتي قد تخضع لتنظيم أكثر صرامة وتحديدًا ^{[ 53 ]} من قبل هيئة تنظيمية، مثل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (من خلال قانون تحديث سلامة الأغذية ) أو وكالة التفتيش الكندية للأغذية ، باستخدام معايير صناعية مختلفة: 3-أ ^{[ 55 ]} .

يمكن الحفاظ على التبادلات الحرارية من خلال الاختبارات غير المتلفة الأنبوبية وغيرها من التقنيات لتحقيق الأداء الأمثل، وذلك لمنع التلوث المتبادل أو التسربات باستخدام طرق الفحص والاختبار المختلفة:

• مرئي (منخفض التكلفة) ^{[ 56 ]} للمسامير، والمثبتات، والوصلات، والهيكل، والأسطح، والحشيات، والزعانف، والمراوح، والهيكل، وما إلى ذلك.
• اختراق الصبغة للشقوق
• اختبار تسرب الغاز باستخدام الضغط والهيليوم والهواء والأصباغ وما إلى ذلك.
• اختبار الضغط الهيدروستاتيكي
• يمكن أن يكشف اختبار الموجات فوق الصوتية (UT) عن سمك الجدار المتبقي ومدى التآكل
• اختبار التوصيلية باستخدام التيارات الدوامية
• تسرب التدفق المغناطيسي (MFL) ^{[ 57 ]}
• منظار داخلي أو منظار ألياف ضوئية للرؤية الداخلية
• تحليل انخفاضات الضغط
• تسجيل الأداء الحراري

يحدث التلوث عندما تترسب الشوائب على سطح التبادل الحراري. ويمكن أن يؤدي ترسب هذه الشوائب إلى انخفاض فعالية نقل الحرارة بشكل ملحوظ مع مرور الوقت، وينتج ذلك عن:

• إجهاد قص منخفض على الجدار
• سرعات منخفضة للسوائل
• سرعات عالية للسوائل
• ترسيب صلب ناتج التفاعل
• ترسب الشوائب الذائبة نتيجة ارتفاع درجة حرارة الجدار

يتحدد معدل ترسب الرواسب في المبادل الحراري بمعدل ترسب الجسيمات مطروحًا منه معدل إعادة دخولها/كبحها. وقد اقترح كيرن وسيتون هذا النموذج لأول مرة عام 1959.

ترسبات مبادلات النفط الخام . في تكرير النفط الخام التجاري، يُسخّن النفط الخام من 21 درجة مئوية (70 درجة فهرنهايت) إلى 343 درجة مئوية (649 درجة فهرنهايت) قبل دخوله إلى برج التقطير. عادةً ما تقوم سلسلة من المبادلات الحرارية الأنبوبية بتبادل الحرارة بين النفط الخام وتيارات النفط الأخرى لتسخين النفط الخام إلى 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) قبل تسخينه في الفرن. يحدث الترسب على جانب النفط الخام في هذه المبادلات بسبب عدم ذوبان الأسفلتين. وقد نجح ويهي وكينيدي في نمذجة طبيعة ذوبان الأسفلتين في النفط الخام. ^{[ 59 ]} كما نجح إيبرت وبانشال في نمذجة ترسب الأسفلتين غير القابل للذوبان في وحدات التسخين المسبق للنفط الخام كتفاعل من الدرجة الأولى، وقد توسعا في عمل كيرن وسيتون. ^{[ 60 ]}      

ترسبات مياه التبريد . تُعد أنظمة مياه التبريد عرضةً للترسبات. عادةً ما تحتوي مياه التبريد على نسبة عالية من المواد الصلبة الذائبة والمواد الصلبة الغروية العالقة. يحدث ترسب موضعي للمواد الصلبة الذائبة على سطح التبادل الحراري نتيجةً لارتفاع درجة حرارة الجدران عن درجة حرارة السائل.  تسمح سرعات السائل المنخفضة (أقل من 3 قدم/ثانية) بترسب المواد الصلبة العالقة على سطح التبادل الحراري. عادةً ما تكون مياه التبريد في جانب الأنابيب من مبادل حراري ذي غلاف وأنابيب لسهولة تنظيفها. لمنع الترسبات، يحرص المصممون عادةً على أن تكون سرعة مياه التبريد أكبر من 0.9 متر/ثانية وأن تبقى درجة حرارة السائل أقل من 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت) . تتضمن الطرق الأخرى للتحكم في الترسبات استخدام المبيدات الحيوية والمواد الكيميائية المضادة للترسبات بشكل عشوائي مع إجراء اختبارات معملية دورية.  

تُستخدم المبادلات الحرارية على نطاق واسع في الصناعة لتبريد وتسخين العمليات الصناعية واسعة النطاق. ويمكن اختيار نوع وحجم المبادل الحراري المناسب لكل عملية بناءً على نوع السائل، وحالته، ودرجة حرارته، وكثافته، ولزوجته، وضغوطه، وتركيبه الكيميائي، وخصائصه الديناميكية الحرارية الأخرى.

في العديد من العمليات الصناعية، يُهدر جزء من الطاقة أو الحرارة، ويمكن استخدام المبادلات الحرارية لاستعادة هذه الحرارة وإعادة استخدامها في تسخين تيار آخر ضمن العملية. توفر هذه الممارسة مبالغ طائلة في الصناعة، إذ أن الحرارة التي تُزود بها التيارات الأخرى من المبادلات الحرارية كانت ستُستمد من مصدر خارجي أكثر تكلفة وأكثر ضرراً بالبيئة.

تُستخدم المبادلات الحرارية في العديد من الصناعات، بما في ذلك:

• معالجة مياه الصرف الصحي
• تبريد
• صناعة النبيذ والبيرة​
• تكرير البترول
• الطاقة النووية

في معالجة مياه الصرف الصحي، تلعب المبادلات الحرارية دورًا حيويًا في الحفاظ على درجات الحرارة المثلى داخل الهاضمات اللاهوائية لتعزيز نمو الكائنات الدقيقة التي تزيل الملوثات. ومن الأنواع الشائعة للمبادلات الحرارية المستخدمة في هذا التطبيق المبادل الحراري ذو الأنبوب المزدوج، بالإضافة إلى المبادل الحراري ذي الألواح والإطارات.

في الطائرات التجارية، تُستخدم المبادلات الحرارية لنقل الحرارة من نظام زيت المحرك لتسخين الوقود البارد. ^{[ 67 ]} وهذا يُحسّن كفاءة استهلاك الوقود، ويقلل من احتمالية تجمد الماء المحتبس في الوقود داخل المكونات. ^{[ 68 ]}

يُقدّر حجم سوق المبادلات الحرارية عالميًا بنحو 17.5 مليار دولار أمريكي في عام 2021، ومن المتوقع أن يشهد نموًا قويًا بنسبة 5% سنويًا خلال السنوات القادمة. ومن المتوقع أن تصل قيمة السوق إلى 27 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2030. ومع تزايد الإقبال على الخيارات الصديقة للبيئة، وتوسع قطاعات المكاتب والتجزئة والمباني العامة، من المتوقع أن ينمو هذا السوق. ^{[ 69 ]}

يمكن اعتبار عملية تبادل حراري بسيطة ^{[ 70 ] [ 71 ]} بمثابة أنبوبين مستقيمين يتدفق فيهما سائل، وهما متصلان حراريًا. لنفترض أن الأنبوبين متساويان في الطول L ، ويحملان سوائل ذات سعة حرارية${\displaystyle C_{i}}$(الطاقة لكل وحدة كتلة لكل وحدة تغير في درجة الحرارة) ولنفترض أن معدل تدفق كتلة السوائل عبر الأنابيب، في نفس الاتجاه، هو${\displaystyle j_{i}}$(الكتلة لكل وحدة زمنية)، حيث يشير الرمز السفلي i إلى الأنبوب 1 أو الأنبوب 2.

بيانات توزيع درجات الحرارة للأنابيب هي${\displaystyle T_{1}(x)}$و${\displaystyle T_{2}(x)}$حيث x هي المسافة على طول الأنبوب. افترض حالة استقرار حراري، بحيث لا تكون توزيعات درجة الحرارة دوالًا للزمن. افترض أيضًا أن انتقال الحرارة الوحيد من حجم صغير من السائل في أحد الأنابيب هو إلى عنصر السائل في الأنبوب الآخر عند الموضع نفسه، أي أنه لا يوجد انتقال للحرارة على طول الأنبوب بسبب اختلافات درجات الحرارة فيه. وفقًا لقانون نيوتن للتبريد، فإن معدل تغير طاقة حجم صغير من السائل يتناسب طرديًا مع فرق درجات الحرارة بينه وبين العنصر المقابل له في الأنبوب الآخر.

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=\gamma (T_{1}-T_{2})}$

(هذا ينطبق على التدفق المتوازي في نفس الاتجاه وتدرجات درجة الحرارة المتعاكسة، أما بالنسبة لتبادل الحرارة بالتدفق المعاكس، فإن الإشارة تكون معاكسة في المعادلة الثانية أمامها)${\displaystyle \gamma (T_{1}-T_{2})}$ )، أين${\displaystyle u_{i}(x)}$تمثل الطاقة الحرارية لكل وحدة طول، وγ ثابت التوصيل الحراري لكل وحدة طول بين الأنبوبين. يؤدي هذا التغير في الطاقة الداخلية إلى تغير في درجة حرارة عنصر المائع. معدل التغير الزمني لعنصر المائع الذي يحمله التدفق هو:

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=J_{1}{\frac {dT_{1}}{dx}}}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=J_{2}{\frac {dT_{2}}{dx}}}$

أين${\displaystyle J_{i}={C_{i}}{j_{i}}}$يمثل "معدل تدفق الكتلة الحرارية". ويمكن الآن كتابة المعادلات التفاضلية التي تحكم المبادل الحراري على النحو التالي:

${\displaystyle J_{1}{\frac {\partial T_{1}}{\partial x}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle J_{2}{\frac {\partial T_{2}}{\partial x}}=\gamma (T_{1}-T_{2}).}$

بما أن النظام في حالة استقرار، فلا توجد مشتقات جزئية لدرجة الحرارة بالنسبة للزمن، وبما أنه لا يوجد انتقال حراري على طول الأنبوب، فلا توجد مشتقات ثانية في x كما هو الحال في معادلة الحرارة . يمكن حل هاتين المعادلتين التفاضليتين من الدرجة الأولى المترابطتين للحصول على:

${\displaystyle T_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}\,e^{-kx}}$

${\displaystyle T_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}\,e^{-kx}}$

أين${\displaystyle k_{1}=\gamma /J_{1}}$،${\displaystyle k_{2}=\gamma /J_{2}}$،

${\displaystyle k=k_{1}+k_{2}}$

(هذا ينطبق على التدفق المتوازي، أما بالنسبة للتدفق المعاكس، فالعلامة التي أمامه ${\displaystyle k_{2}}$ سالبة، لذا إذا ${\displaystyle k_{2}=k_{1}}$بالنسبة لمعدل تدفق الكتلة الحرارية نفسه في كلا الاتجاهين المتعاكسين، يكون تدرج درجة الحرارة ثابتًا وتكون درجات الحرارة خطية في الموضع x بفارق ثابت${\displaystyle (T_{2}-T_{1})}$على طول المبادل، موضحًا لماذا يعتبر تصميم التيار المعاكس (مبادل التيار المعاكس ) هو الأكثر كفاءة.

و A و B ثابتان للتكامل لم يتم تحديدهما بعد.${\displaystyle T_{10}}$و${\displaystyle T_{20}}$ولتكن درجات الحرارة عند x=0 ولتكن${\displaystyle T_{1L}}$و${\displaystyle T_{2L}}$لنفترض أن درجات الحرارة عند نهاية الأنبوب عند x=L. عرّف متوسط ​​درجات الحرارة في كل أنبوب على النحو التالي:

${\displaystyle {\overline {T}}_{1}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{1}(x)dx}$

${\displaystyle {\overline {T}}_{2}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{2}(x)dx.}$

باستخدام الحلول المذكورة أعلاه، تكون درجات الحرارة كالتالي:

${\displaystyle T_{10}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}}$	${\displaystyle T_{20}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}}$
${\displaystyle T_{1L}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}e^{-kL}}$	${\displaystyle T_{2L}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}e^{-kL}}$
${\displaystyle {\overline {T}}_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k^{2}L}}(1-e^{-kL})}$	${\displaystyle {\overline {T}}_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k^{2}L}}(1-e^{-kL}).}$

باختيار أي درجتي حرارة من الدرجات المذكورة أعلاه، نتخلص من ثوابت التكامل، مما يسمح لنا بإيجاد درجات الحرارة الأربع الأخرى. نجد إجمالي الطاقة المنقولة بتكامل تعابير معدل تغير الطاقة الداخلية لكل وحدة طول مع الزمن.

${\displaystyle {\frac {dU_{1}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{1}}{dt}}\,dx=J_{1}(T_{1L}-T_{10})=\gamma L({\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1})}$

${\displaystyle {\frac {dU_{2}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{2}}{dt}}\,dx=J_{2}(T_{2L}-T_{20})=\gamma L({\overline {T}}_{1}-{\overline {T}}_{2}).}$

بحسب قانون حفظ الطاقة، فإن مجموع الطاقتين يساوي صفرًا. الكمية${\displaystyle {\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1}}$يُعرف باسم متوسط ​​فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي ، وهو مقياس لفعالية المبادل الحراري في نقل الطاقة الحرارية.

• كولسون، ج. وريتشاردسون، ج. (1999). الهندسة الكيميائية - تدفق الموائع. انتقال الحرارة وانتقال الكتلة - المجلد 1؛ دار ريد للنشر التعليمي والمهني المحدودة
• دوجان إيرينر (2005)، "التحسين الاقتصادي الحراري لتباعد الحواجز للمبادلات الحرارية الأنبوبية والصدفية"، الحفاظ على الطاقة وإدارتها، المجلد 47، العدد 11-12، الصفحات 1478-1489.
• GFHewitt، GLShires، TRBott (1994) نقل الحرارة في العمليات، CRC Press، Inc، الولايات المتحدة الأمريكية.

• برنامج تصميم المبادلات الحرارية الأنبوبية والصدفية للتطبيقات التعليمية (ملف PDF)
• المبادل الحراري ذو الألواح - كيف يعمل
• دليل الاتحاد الأوروبي لمعدات الضغط
• مفهوم إدارة الحرارة لتطبيقات أنظمة الطاقة الكهربائية للطائرات (ملف PDF)