راندمان (توان) انواع مبدل حرارتی صفحه ای

راندمان انواع مبدل حرارتی صفحه ای به عنوان نسبت حرارتی بین انتقال حرارت و توان مصرفی آن تعریف می‌شود.

توان مبدل حرارتی صفحه ای معمولاً به صورت درصدی بیان می‌شود.

مبدل‌های صفحه‌ای به دلیل کارایی بالا و طراحی جمع‌وجور، در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اما راندمان یا توان این مبدل‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

در این مقاله، به بررسی انواع مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای و عوامل موثر بر راندمان آنها می‌پردازیم. هدف این است که ضمن ارائه اطلاعات مفید، راهکارهایی برای بهینه‌سازی این مبدل‌ها ارائه دهیم.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای از مجموعه‌ای از صفحات نازک که به صورت موازی قرار گرفته‌اند، تشکیل شده‌اند.

این صفحات امکان انتقال حرارت بین دو سیال (مایع یا گاز) را فراهم می‌کنند. مبدل‌های صفحه‌ای به دلیل طراحی خاصشان، انتقال حرارت بالا و افت فشار کم را ارائه می‌دهند.

راندمان مبدل صفحه ای به عوامل مختلفی مانند ناپایداری حرارتی، مقاومت حرارتی و افت فشار مربوط می‌شود.

در عملیات مبدل حرارتی صفحه ای، بخشی از انرژی حرارتی که به مبدل وارد می‌شود، در اثر این عوامل به طور ناخواسته از دست می‌رود و راندمان کارکرد مبدل حرارتی را کاهش می‌دهد.

برای محاسبه توان مبدل حرارتی صفحه ای، به صورت کلی می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

راندمان = (توان مصرفی مفید / توان ورودی) × 100

که در آن:

توان مصرفی مفید: توانی است که به صورت مفید در اثر انتقال حرارت به دست می‌آید و می‌تواند برای کارایی‌های مختلف، مانند گرمایش یا سرمایش استفاده شود.

توان ورودی: توانی است که به مبدل حرارتی وارد می‌شود.

به طور کلی، هر چقدر راندمان مبدل حرارتی صفحه ای بالاتر باشد، نسبت حرارت در آن بیشتر خواهد بود و مزیت‌های انرژی و توان مصرفی را افزایش می‌دهد.

مبدل‌های حرارتی معمولاً برای انتقال انرژی گرمایی از یک سیال به سیال دیگر طراحی شده‌اند.

توان انتقال حرارت (Q) را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

 Q=U×A×ΔTlm​

• Q = توان انتقال حرارت (W)
• U = ضریب کلی انتقال حرارت (W/m²K)
• A = مساحت سطح انتقال 
• ΔTlm​ = تفاوت دمای میانه لگاریتمی بین دو سیال (K)

راندمان مبدل‌های حرارتی را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

این نوع مبدل‌ها معمولاً دارای واشرهایی هستند که در اطراف صفحات نصب می‌شوند تا سیالات به درستی هدایت شوند.

یکی از مزایای اصلی این مبدل‌ها قابلیت تمیز کردن و نگهداری آسان است. این نوع برای کاربردهایی که نیاز به تمیزکاری دوره‌ای دارند، مانند صنایع غذایی و دارویی، مناسب است.

در این نوع، صفحات به هم جوش داده می‌شوند که باعث می‌شود مبدل بسیار مقاوم‌تر و فشرده‌تر شود.

این مبدل‌ها برای شرایطی که فشار و دمای بالا وجود دارد، مانند سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی، بسیار مناسب هستند.

این مبدل‌ها ترکیبی از دو نوع قبل هستند. برخی از صفحات به هم جوش داده شده و برخی از آنها دارای واشر هستند. این نوع مبدل‌ها در صنایعی که با سیالات خورنده یا سیالات پر فشار سروکار دارند، کاربرد دارند.

برای افزایش راندمان مبدل حرارتی، می‌توانید از راه‌های زیر استفاده کنید:

1. افزایش مساحت سطح تماس: با افزایش مساحت سطح تماس بین مبدل حرارتی و محیط، انتقال حرارت بیشتری امکان‌پذیر می‌شود. این را می‌توان با افزایش تعداد صفحات مبدل، افزایش طول صفحات یا استفاده از سطوح زیادتر و بزرگتری در ساختار مبدل حرارتی دست‌یافت.

2.استفاده از مواد با هدایت حرارتی بالا: استفاده از موادی با هدایت حرارتی بالا، مانند فلزات، می‌تواند به افزایش سرعت انتقال حرارت کمک کند. این مواد عموماً دارای هدایت حرارتی بالا و مقاومت حرارتی کمتری هستند.

3.بهینه‌سازی شکل و طراحی هندسی: با بهینه‌سازی شکل و طراحی هندسی مبدل حرارتی، می‌توانید جریان حرارتی را بهبود بخشید. این شامل استفاده از ریب‌ها، فنون انتقال حرارت متقاطع (cross-flow)، ساختارهای متراکم و غیره است.

4.کاهش مقاومت حرارتی: با کاهش مقاومت حرارتی در مسیر انتقال حرارت، از افت دمایی کمتری بین مبدل حرارتی و محیط استفاده می‌شود. مثلاً می‌توان با کاهش ضخامت صفحات مبدل یا افزایش هدایت حرارتی لایه‌های میانی، مقاومت حرارتی را کاهش داد.

5.استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته: استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته مانند نانومواد، پوشش‌های خاص، ساختارهای میکرو یا ماکرو، روش‌های انتقال حرارت نوین و غیره می‌تواند به افزایش راندمان مبدل حرارتی کمک کند.

مجموعاً، با بهره‌گیری از این راهکارها و ترکیب آن‌ها، می‌توان توان مبدل حرارتی را بهبود بخشید و انتقال حرارت موثرتری را داشت.

1.انتخاب مواد مناسب:
انتخاب مواد مناسب برای صفحات مبدل بسیار مهم است. صفحات از جنس استنلس استیل یا تیتانیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و هدایت حرارتی بالا معمولاً بهترین انتخاب‌ها هستند.

2.نگهداری منظم:
یکی از بهترین راه‌ها برای حفظ راندمان بالا، انجام نگهداری منظم است. واشرها باید به طور دوره‌ای بررسی شوند تا از نشت سیالات جلوگیری شود. همچنین، تجمع رسوبات بر روی صفحات می‌تواند راندمان را به شدت کاهش دهد، بنابراین تمیزکاری دوره‌ای ضروری است.

3.بهینه‌سازی دبی سیالات:
تنظیم دبی سیالات به گونه‌ای که بهینه‌ترین شرایط برای انتقال حرارت فراهم شود، یکی دیگر از راهکارهای افزایش راندمان است. دبی بیش از حد یا کمتر از حد مناسب می‌تواند راندمان مبدل را کاهش دهد.

4.استفاده از صفحات موج‌دار:
صفحات با شیارها و طرح‌های موج‌دار می‌توانند با ایجاد جریان توربولنت، انتقال حرارت را افزایش دهند. این طرح‌ها همچنین به کاهش رسوبات کمک می‌کنند.

اگر بخواهیم انواع مختلف مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای را از نظر راندمان مقایسه کنیم، مبدل‌های حرارتی جوشی معمولاً راندمان بالاتری دارند.

این مبدل‌ها به دلیل ساختار فشرده و عدم وجود واشرها، کمترین افت فشار را دارند و در نتیجه انتقال حرارت بهتری ارائه می‌دهند.

در مقابل، مبدل‌های واشردار به دلیل قابلیت تمیزکاری آسان و انعطاف‌پذیری بیشتر، برای کاربردهایی که نیاز به نگهداری و تمیزکاری مکرر دارند، مناسب‌تر هستند.

راندمان مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به عوامل مختلفی از جمله طراحی، مواد استفاده‌شده، و شرایط عملیاتی وابسته است. با انتخاب صحیح نوع مبدل و انجام نگهداری منظم، می‌توان بهره‌وری این تجهیزات را به حداکثر رساند.

همچنین، بهینه‌سازی جریان سیالات و استفاده از صفحات با طراحی مناسب می‌تواند نقش مهمی در افزایش راندمان ایفا کند.

اگر به دنبال راه‌هایی برای کاهش هزینه‌های انرژی و افزایش کارایی سیستم‌های حرارتی خود هستید، بهینه‌سازی مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای یک گام مهم است.