مقدمه
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.
مبدل حرارتی صفحه ای یک نوع مبدل حرارتی است که برای انتقال حرارت بین دو سیال یا سهام استفاده میشود.
این نوع مبدل حرارتی دارای سطوح صاف و صفحهای است که بین دو جداره قرار دارند.
سیال گرم در یک طرف از جداره صفحهای جریان دارد و سیال سرد به طرف مقابل جریان دارد.
در این فرآیند، حرارت از سیال گرم به سیال سرد منتقل میشود.
نحوه محاسبه راندمان مبدل حراتی صفحه ای
راندمان مبدل حرارتی 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.
راه های افزایش راندمان مبدل حرارتی
برای افزایش راندمان مبدل حرارتی، میتوانید از راههای زیر استفاده کنید:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
راندمان حرارتی در انواع مبدل های حرارتی
راندمان حرارتی مبدلهای گرمایی نسبت توان خروجی حرارتی به توان ورودی حرارتی مبدل را نشان میدهد.
این راندمان معمولاً به صورت درصد بیان میشود و نشان دهنده بهرهوری مبدل حرارتی در انتقال حرارت است.
در زیر، به برخی از نوع مبدلهای گرمایی و راندمانهای مرتبط آنها اشاره میکنم:
- مبدل حرارتی صفحهای: در مبدل حرارتی صفحهای، راندمان حرارتی بستگی به عواملی مانند مساحت سطح تماس، ماده سازنده صفحات، ضخامت صفحات و شرایط حرارتی دارد. معمولاً راندمان این مبدلها بین 70 تا 90 درصد قرار میگیرد.
- مبدل حرارتی لولهای: راندمان مبدل حرارتی لولهای بستگی به عواملی مانند طول لولهها، قطر لولهها، جریان سیال و خواص حرارتی ماده سازنده لولهها دارد. راندمان این مبدلها معمولاً بین 80 تا 95 درصد قرار میگیرد.
- مبدل حرارتی پرهای: راندمان مبدل حرارتی پرهای به عواملی مانند طراحی پرهها، سرعت جریان، خواص حرارتی ماده سازنده پرهها و شرایط حرارتی بستگی دارد. معمولاً راندمان این مبدلها بین 80 تا 95 درصد قرار میگیرد.
- مبدل حرارتی برج خنککننده: در مبدل حرارتی برج خنککننده، راندمان حرارتی به عواملی مانند طراحی برج، شرایط جریان هوا، ماده سازنده برج و شرایط حرارتی بستگی دارد. راندمان این مبدلها معمولاً بین 70 تا 90 درصد قرار میگیرد.
مهم است بهخاطر داشته باشید که راندمان حرارتی مبدلهای حرارتی ممکن است در شرایط مختلف متغیر باشد و بسته به عواملی مانند دما، فشار، جریان و خواص مواد، تغییر کند.
همچنین، برای بهبود توان حرارتی مبدلهای حرارتی، میتوان از روشها و تکنیکهایی، مانند افزایش مساحت سطح تماس، بهینهسازی طراحی هندسی، استفاده از مواد با هدایت حرارتی بالا و کاهش مقاومت حرارتی، استفاده کرد.
همچنین، توجه به شرایط عملکرد و نیازهای خاص برای انتخاب مناسبترین نوع و طراحی مبدل حرارتی نیز اهمیت دارد.
مزایای استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای
- کارایی بالا: به دلیل نیاز به مساحت کمتر برای انتقال حرارت، مبدل حرارتی صفحه ای دارای کارایی بالایی است. این به معنای این است که میزان انتقال حرارت در یک واحد سطح بیشتر است.
- قدرت تطبیق بالا: مبدل حرارتی صفحه ای قادر به تنظیم مناسب برای تغییر در شرایط سیالها است. با تنظیم زاویه بین سطوح صفحه، میزان تماس و انتقال حرارت را می توان تنظیم کرد.
- شکل ساختاری ناهمسانگرد: دارای ساختاری ناهمسانگرد است که منجر به زیاد شدن جریان سیال در نقاط انتقال حرارتی و کاهش ایجاد وقفه سیال میشود.
- تمیزکاری و حمل و نقل آسان: ساختار صفحهای مبدل حرارتی خود را برای تمیزکاری آسان میکند و باعث میشود حمل و نقل ، نصب و نگهداری راحت و ساده باشد.
- مناسب برای کاربردهای صنعتی: با توجه به قدرت تطبیق و دقت بالا در تنظیم شرایط، مبدل حرارتی صفحه ای برای کاربردهای صنعتی و صنایع پرکاربرد مانند پتروشیمی، نفت و گاز، غذایی و دارویی مورد استفاده قرار میگیرد.