انتقال حرارت در مبدل‌ حرارتی صفحه‌ ای و پوسته و لوله

در فرآیندهای صنعتی، انتقال حرارت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و انتخاب مبدل حرارتی مناسب می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی در بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها داشته باشد.

از میان انواع مختلف مبدل‌ها، مبدل‌ های حرارتی صفحه‌ ای و پوسته و لوله به دلیل کاربرد گسترده و طراحی‌های متنوع، محبوب‌ترین گزینه‌ها هستند.

در این مقاله، با بررسی ویژگی‌ها، مزایا، معایب و مقایسه عملکرد این دو نوع مبدل، به شما در انتخاب بهینه کمک خواهیم کرد.

انتقال حرارت فرآیندی است که در آن انرژی گرمایی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌شود.

این پدیده نقشی حیاتی در صنایعی مانند تولید انرژی، پالایشگاه‌ها، تهویه مطبوع و صنایع غذایی ایفا می‌کند.

مبدل‌های حرارتی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین ابزارها در این صنایع، وظیفه انتقال حرارت بین سیالات با دماهای مختلف را بر عهده دارند.

در ادامه به بررسی دقیق‌تر این فرآیند و نحوه عملکرد مبدل‌های حرارتی می‌پردازیم.

مبدل‌ های حرارتی دستگاه‌هایی هستند که برای تبادل حرارت بین دو سیال (مایعات یا گازها) با دماهای متفاوت طراحی شده‌اند.

این تبادل حرارت بدون اختلاط سیالات صورت می‌گیرد و مکانیزم اصلی آن ترکیبی از رسانش و همرفت است.

اختلاف دمای بین دو سیال، نیروی محرکه‌ای است که این فرآیند را ممکن می‌سازد.

انتقال حرارت در مبدل‌ها به سه روش اصلی انجام می‌شود: هدایت، جابجایی، و تشعشع.

1. هدایت (رسانش)

این روش شامل انتقال حرارت از طریق تماس مستقیم بین دو سطح با دماهای مختلف است. عواملی که بر این نوع انتقال تأثیر می‌گذارند عبارتند از:

• جنس و ضخامت دیواره مبدل.
• ضریب هدایت حرارتی ماده.
• سطح تماس بین سیالات.

2. جابجایی (همرفت)

در این روش، انتقال حرارت از طریق حرکت سیال صورت می‌گیرد. جابجایی ممکن است به‌صورت طبیعی (جریان آزاد) یا اجباری (با کمک تجهیزات مانند پمپ یا فن) انجام شود. عوامل مؤثر بر این روش عبارتند از:

• سرعت جریان سیال.
• نوع جریان (لایه‌ای یا آشفته).
• خواص فیزیکی و ترمودینامیکی سیال.

3. تشعشع

تشعشع فرآیندی است که در آن گرما به‌صورت امواج الکترومغناطیسی از سطح گرم به سطح سرد منتقل می‌شود. میزان انتقال حرارت به عوامل زیر بستگی دارد:

• دمای سطح جسم.
• ضریب تابش سطح.
• فاصله بین دو سطح.

مبدل حرارتی صفحه‌ ای از صفحات فلزی نازک که به‌صورت موازی کنار هم قرار گرفته‌اند، تشکیل می‌شود.

سیالات گرم و سرد به‌طور متناوب بین این صفحات حرکت می‌کنند و حرارت از طریق سطح گسترده این صفحات منتقل می‌شود.

طراحی فشرده و جریان‌های آشفته باعث کارایی بالای این نوع مبدل می‌شود.

1. راندمان حرارتی بالا: انتقال حرارت سریع و مؤثر به دلیل سطح وسیع صفحات.
2. طراحی جمع‌وجور: فضای کمی اشغال می‌کند و برای مکان‌های محدود مناسب است.
3. قابلیت تنظیم ظرفیت: امکان اضافه یا کم کردن صفحات برای تغییر ظرفیت.
4. تمیزکاری آسان: صفحات به‌راحتی جدا و تمیز می‌شوند.

1. محدودیت فشار و دما: برای شرایط با فشار و دمای بسیار بالا مناسب نیست.
2. رسوب‌پذیری بیشتر: ذرات معلق ممکن است عملکرد را کاهش دهند.

قیمت مبدل‌های صفحه‌ ای به عوامل زیر بستگی دارد:

1. جنس صفحات: صفحات از جنس استیل، تیتانیوم یا مواد خاص قیمت متفاوتی دارند.
2. اندازه و ظرفیت: مبدل‌های بزرگ‌تر و با صفحات بیشتر، هزینه بیشتری دارند.
3. نوع طراحی: طراحی خاص یا نیاز به آب‌بندی‌های خاص ممکن است هزینه را افزایش دهد.
4. برند و کشور سازنده: برندهای معتبر یا تولیدات وارداتی معمولاً گران‌تر هستند.

به‌طور متوسط، قیمت مبدل‌های صفحه‌ای از چند میلیون تا ده‌ها میلیون تومان متغیر است.

مبدل حرارتی پوسته و لوله از مجموعه‌ای لوله نازک در داخل یک پوسته استوانه‌ای تشکیل شده است.

یکی از سیالات از داخل لوله‌ها و دیگری از فضای پوسته عبور می‌کند و انتقال حرارت از طریق دیواره‌های لوله انجام می‌شود.

این طراحی برای کاربردهای صنعتی با فشار و دمای بالا بسیار مناسب است.

1. تحمل فشار و دمای بالا: مناسب برای فرآیندهای سخت صنعتی.
2. دوام و استحکام: طراحی مقاوم با عمر طولانی.
3. تنوع طراحی: می‌توان طول و قطر لوله‌ها را برای نیازهای مختلف تغییر داد.

1. تحمل فشار و دمای بالا: مناسب برای فرآیندهای سخت صنعتی.
2. دوام و استحکام: طراحی مقاوم با عمر طولانی.
3. تنوع طراحی: می‌توان طول و قطر لوله‌ها را برای نیازهای مختلف تغییر داد.

قیمت مبدل‌های پوسته و لوله به عوامل زیر بستگی دارد:

1. جنس لوله‌ها و پوسته: استفاده از مواد مقاوم مانند استیل یا آلیاژهای خاص هزینه را افزایش می‌دهد.
2. طول و قطر لوله‌ها: هرچه لوله‌ها بزرگ‌تر باشند، قیمت بالاتر است.
3. پیچیدگی طراحی: طرح‌های خاص یا سفارشی معمولاً گران‌تر هستند.
4. برند و محل تولید: برندهای معروف یا وارداتی قیمت بالاتری دارند.

این مبدل‌ها نیز در بازه قیمتی چند میلیون تا صدها میلیون تومان قرار دارند.

مقایسه انتقال حرارت در مبدل حرارت صفحه‌ ای و مبدل حرارت پوسته و لوله به عوامل مختلفی بستگی دارد.

در اینجا تفاوت‌های کلیدی بین این دو نوع مبدل حرارتی بررسی می‌شود:

مبدل حرارت صفحه‌ ای: این مبدل‌ها از صفحات فلزی نازک و فشرده تشکیل شده‌اند که در آن‌ها جریان‌های سیال به صورت متناوب در دو طرف صفحه جریان دارند.

این طراحی سطح انتقال حرارت بسیار زیادی را فراهم می‌کند که باعث می‌شود انتقال حرارت در این مبدل‌ها بسیار کارآمدتر از مبدل‌های پوسته و لوله باشد.

مبدل حرارت پوسته و لوله: در این مبدل‌ها سیالات در داخل لوله‌ها و اطراف لوله‌ها در پوسته جریان دارند.

این طراحی ممکن است سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل‌های صفحه‌ای داشته باشد، زیرا اغلب جریان‌ها به صورت لایه‌ای و با نسبت سطح به حجم کمتری به حرکت درمی‌آیند.

مبدل حرارت صفحه‌ ای: به دلیل سطح بالای تماس و چیدمان صفحات فشرده، این نوع مبدل‌ها در انتقال حرارت به طور معمول بسیار کاراتر هستند و می‌توانند دمای بیشتری را با مصرف انرژی کمتری کنترل کنند.

مبدل حرارت پوسته و لوله: این مبدل‌ها معمولاً برای کاربردهایی با دما و فشار بالا مناسب‌تر هستند، اما از نظر کارایی در انتقال حرارت کمی ضعیف‌تر از مبدل‌های صفحه‌ای هستند.

مبدل حرارت صفحه‌ ای: این مبدل‌ها معمولاً جمع‌وجورتر هستند و برای فضاهای محدود مناسب‌ترند. به دلیل طراحی فشرده صفحات، می‌توانند انتقال حرارت مؤثر را در ابعاد کوچکتر انجام دهند.

مبدل حرارت پوسته و لوله: به دلیل نیاز به فضای بیشتر برای ساختار لوله‌ها و پوسته‌ها، این مبدل‌ها معمولاً بزرگ‌تر از مبدل‌های صفحه‌ای هستند.

مبدل حرارت صفحه‌ ای: این نوع مبدل‌ها معمولاً برای فشار و دماهای متوسط مناسب هستند و ممکن است در شرایط فشار و دمای بالا به مشکل برخورد کنند.

مبدل حرارت پوسته و لوله: این مبدل‌ها می‌توانند به راحتی در فشارها و دماهای بالا کار کنند، به همین دلیل در صنایع سنگین‌تر مانند پالایشگاه‌ها و نیروگاه‌ها بیشتر استفاده می‌شوند.

مبدل حرارت صفحه‌ ای: به دلیل ساختار پیچیده صفحات و فضاهای باریک بین آن‌ها، تمیز کردن این مبدل‌ها می‌تواند چالش‌برانگیزتر باشد.

مبدل حرارت پوسته و لوله: این مبدل‌ها معمولاً دسترسی آسان‌تری برای تمیزکاری دارند، به ویژه اگر لوله‌ها قابل شستشو باشند.

انتخاب بین مبدل‌های حرارتی صفحه‌ ای و پوسته و لوله بستگی به نیاز های شما دارد.

اگر به راندمان بالا، فضای کمتر و نگهداری آسان نیاز دارید، مبدل‌های صفحه‌ای انتخاب مناسبی هستند.

اما اگر شرایط عملیاتی سخت و تحمل فشار و دمای بالا اهمیت دارد، مبدل‌های پوسته و لوله گزینه بهتری خواهند بود

. همچنین، در هنگام خرید، توجه به عوامل مؤثر بر قیمت می‌تواند به صرفه‌جویی در هزینه‌ها کمک کند.