چرا صفحات مبدل های حرارتی صفحه ای اعوجاج دارند؟

اگر تا به حال پلیت یک مبدل حرارتی صفحه ای را از نزدیک دیده باشید متوجه طرح های برجسته و فرورفته منظم روی آن شده اید. این طرح های منظم اعوجاج دار با دستگاه پرس هیدرولیک بر روی ورق نازک استیل ایجاد می شود.

برای پاسخ سوال چرا صفحات مبدل های حرارتی صفحه ای اعوجاج دارند؟ با ما همراه باشید .

بسیاری از علاقه مندان به تکنولوژی و نحوه ساخت مبدل های حرارتی، درباره دلیل علمی این موضوع کنجکاوند. در این مطلب به پاسخ این سوال از منظر علم مکانیک سیالات می پردازیم.

 برای پاسخ به این پرسش باید ابتدا درباره مفهومی علمی به نام توربولانس صحبت کنیم.

به طور کلی جریان سیال می‌تواند به دو حالت آرام (لامینار) یا متلاطم (توربولانس) باشد. در حالت توربولانس، ذرات سیال به صورت آشفته و غیرخطی حرکت می‌کنند. بر خلاف جریان لایه‌ای که در آن حرکت ذرات سیال به‌شکل لایه‌هایی است که روی هم سر می خورند. بیش از ۹۰ درصد از جریان‌هایی که در روزمره و در صنعت با آن‌ها مواجه هستیم، جزء جریان‌های توربولانس محسوب می شوند.

توربولانس بودن جریان سیال تأثیر بسیار مهمی بر عملکرد مبدل‌های حرارتی دارد. در یک مبدل حرارتی، هدف اصلی این است که گرما با بیشترین بازدهی از یک سیال به سیال دیگر منتقل شود. همین باعث می‌شود که انتقال حرارت به‌شکل مؤثرتری صورت گیرد. در ادامه، تأثیرات توربولانس را بر عملکرد مبدل حرارتی بررسی می‌کنیم.

توربولانس و طراحی مبدل حرارتی

تا اینجا مقداری از جواب سوال (چرا صفحات مبدل های حرارتی صفحه ای اعوجاج دارند) را متوجه شدیم .

 در مبدل‌های صفحه‌ای، صفحات موج‌دار یا راه‌راه طراحی می‌شوند تا جریان سیال را به‌طور عمدی آشفته یا توربولانس کنند. در مبدل‌های پوسته و لوله نیز بافل‌ها (صفحات نازک دایروی) در داخل شل اصلی قرار داده می‌شوند تا مسیر سیال را تغییر داده و جریان توربولانس ایجاد شود.

توربولانس بودن جریان سیال در مبدل های حرارتی صفحه ای تغییرات زیر را در عملکرد مبدل حرارتی صفحه ای به دنبال دارد:

1. افزایش انتقال حرارت

در این مدل جریان آشفته است. و لایه‌های سیال به‌طور مداوم با یکدیگر مخلوط می‌شوند. این اختلاط باعث می‌شود که مولکول‌های گرم‌تر و سردتر به‌سرعت جایگزین هم شوند و گرادیان دمایی در نزدیکی سطح تبادل حرارت کاهش یابد. در نتیجه، نرخ انتقال حرارت افزایش پیدا می‌کند.

2. کاهش مقاومت حرارتی در لایه مرزی

در جریان آرام (لامینار)، یک لایه مرزی ضخیم از سیال بدون حرکت در نزدیکی دیواره تشکیل می‌شود که به‌عنوان عایق عمل کرده و انتقال حرارت را کاهش می‌دهد. اما در وضعیت متلاطم ، این لایه مرزی نازک‌تر شده و باعث کاهش مقاومت حرارتی می شود. در نتیجه، انتقال حرارت بین سیال و سطح تبادل حرارت بهبود می‌یابد.

3. افزایش افت فشار

یکی از معایب توربولانس این است که باعث افزایش افت فشار در مبدل حرارتی می‌شود. به دلیل اینکه جریان توربولانس نیاز به انرژی بیشتری برای حرکت دارد. افت فشار بیشتر می شود و برای جبران آن ممکن است نیاز به پمپ‌های قوی‌تری باشد. بنابراین، همیشه باید بین بازده انتقال حرارت و افت فشار تعادل ایجاد شود.

جمع‌بندی

به‌طور کلی، توربولانس باعث افزایش بازده انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی می‌شود اما ممکن است باعث افت فشار هم بشود. بنابراین، در طراحی مبدل‌ها از توربولانس برای افزایش بازده انتقال حرارت استفاده می‌شود، در حالی که به مقدار افت فشار هم توجه می‌شود تا بازده کلی سیستم حفظ گردد.