مبدل حرارتی حلزونی که با نام‌دیگری چون مبدل حرارتی اسپیرال نیز شناخته می‌شود، به دلیل طراحی خاص و فشرده‌اش، کارایی بالا و مزایای متعددی در کاربردهای مختلف صنعتی دارد. در ادامه، اجزا، نحوه عملکرد و ویژگی‌های کلیدی این تجهیز حیاتی در فرآیندهای انتقال حرارت را بررسی خواهیم کرد.
مبدل حرارتی حلزونی چیست؟
مبدل حرارتی حلزونی (Spiral Heat Exchanger) نوعی از مبدل حرارتی است که از دو صفحه فلزی بلند و مسطح تشکیل شده است. این صفحات به صورت حلزونی به دور یک هسته مرکزی پیچیده شده‌اند و دو مسیر جریان متحدالمرکز حلزونی شکل ایجاد می‌کنند، یکی برای هر سیال!
| با بیانی ساده تر، این صفحات به صورت حلزونی (اسپیرال) و در کنار هم رول شده‌اند و دو کانال مجزا برای عبور سیالات ایجاد می‌کنند.
در این هیت اکسچنجر لبه‌های صفحات جوش داده می‌شوند تا هر سیال در مسیر خود باقی بماند و هیچ جریان جانبی یا مخلوط شدنی اتفاق نیفتد. این پیکربندی باعث ایجاد یک جریان متقابل واقعی می‌شود که کارایی انتقال حرارت را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و آن را برای کاربردهایی با فضای محدود و نیاز به بازیابی حرارت بالا ایده‌آل می‌سازد.
اجزای تشکیل‌دهنده مبدل حرارتی حلزونی به شرح زیر هستند:
- • صفحات حلزونی
- • نازل‌های ورودی و خروجی
- • پوشش (یا سرپوش)
- • بست‌های مکانیکی
- • پایه و تکیه‌گاه‌ها
- • و...
نحوه عملکرد مبدل حلزونی صنعتی
یکی از سیالات از مرکز حلزونی وارد شده و به سمت محیط آن حرکت می‌کند و سیال دیگر در جهت مخالف، از محیط حلزونی وارد شده و به سمت مرکز حرکت می‌کند. در طول این مسیر حلزونی، دو سیال در تماس با دیواره‌های مشترک، با یکدیگر تبادل حرارتی انجام می‌دهند.
- 1- ورود سیالات: دو سیال با دماهای متفاوت (یکی گرم و دیگری سرد) وارد مبدل می‌شوند. معمولاً یکی از سیالات از مرکز مبدل وارد شده و به سمت محیط بیرونی حرکت می‌کند، در حالی که سیال دیگر از محیط بیرونی وارد شده و به سمت مرکز جریان می‌یابد. این آرایش جریان، که به آن جریان متقابل (Counter-current flow) گفته می‌شود، حداکثر اختلاف دما را در طول مسیر حفظ کرده و بالاترین بازده انتقال حرارت را فراهم می‌کند.
- 2- انتقال حرارت: همانطور که سیالات در کانال‌های حلزونی و موازی با یکدیگر جریان پیدا می‌کنند، حرارت از سیال گرم‌تر از طریق دیواره فلزی نازک جداکننده به سیال سردتر منتقل می‌شود.
- 3- جریان آشفته: طراحی حلزونی کانال‌ها باعث ایجاد جریان آشفته در سیالات می‌شود. این آشفتگی باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می‌شود، زیرا لایه‌های مرزی سیال شکسته شده و تبادل حرارت بهبود می‌یابد.
- 4- خروج سیالات: پس از تبادل حرارت، سیال گرم که دمای آن کاهش یافته و سیال سرد که دمای آن افزایش یافته، از طریق خروجی‌های مربوطه از مبدل حلزونی خارج می‌شوند.
تفاوت مبدل حلزونی با مبدل مارپیچ و دولوله
مبدل‌های حرارتی، دستگاه‌هایی کاربردی برای انتقال گرما بین سیالات مختلف بدون تماس مستقیم هستند. تفاوت اصلی بین مبدل‌های حلزونی، مارپیچی، و دو لوله‌ای در طراحی و کاربرد آن‌هاست.
همانطوور که گفتیم مبدل حرارتی حلزونی از دو صفحه فلزی بلند تشکیل شده که به شکل یک حلزون پیچیده شده‌اند و دو کانال مجزا و پیوسته برای سیالات ایجاد می‌کنند. این طراحی به دلیل ایجاد جریان آشفته و قابلیت خودتمیزشوندگی، برای سیالات حاوی ذرات جامد، لجن‌ها یا مایعات با ویسکوزیته بالا بسیار مناسب است و راندمان بالایی در فضایی فشرده ارائه می‌دهد.
در مقابل، مبدل حرارتی مارپیچی شامل یک یا چند لوله پیچیده شده به شکل فنر (هلیکس) است که معمولاً درون یک پوسته قرار می‌گیرد. این ساختار نیز فضای کمی اشغال می‌کند و به دلیل ایجاد تلاطم در سیال، انتقال حرارت بسیار بالایی دارد. این نوع مبدل اغلب برای تحمل دما و فشارهای بالا و در مواردی که فضای محدودی در دسترس است، به کار می‌رود.
اما مبدل حرارتی دو لوله‌ای ساده‌ترین نوع است که از دو لوله هم‌مرکز تشکیل شده؛ یک سیال در لوله داخلی و دیگری در فضای حلقوی بین دو لوله جریان می‌یابد. اگرچه ساخت و تمیزکاری آن ساده است و برای ظرفیت‌های حرارتی پایین و دبی کم مناسب است، اما راندمان پایین‌تری دارد و برای انتقال حرارت بالا به فضای بیشتری نیاز پیدا می‌کند. انتخاب هر یک از این مبدل‌ها به عواملی مانند نوع سیالات، دما، فشار، خواص فیزیکی و محدودیت‌های فضای موجود بستگی دارد.
کاربردهای مبدل حرارتی حلزونی
هیت اکسچنجر حلزونی به دلیل طراحی خاص و کارایی بالا در انتقال حرارت، در صنایع مختلفی کاربرد دارند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای مبدل حرارتی اسپیرال عبارتند از:
- • گرمایش یا سرمایش سیالات ویسکوز (با گرانروی بالا)
- • بازیابی حرارت از سیالات حاوی ذرات جامد یا الیاف
- • کندانسورها و ریبویلرها در فرآیندهای تقطیر
- • خنک‌کاری واکنش‌گاه‌ها (راکتورها)
- • بازیابی حرارت از مایعات حاوی الیاف و ذرات معلق
- • گرمایش و سرمایش مایعات فرآیند تولید خمیر و کاغذ
- • گرمایش و سرمایش محصولات با ویسکوزیته بالا (مانند سس‌ها، رب گوجه‌فرنگی)
- • فرآوری محصولات حاوی ذرات (مانند مربا، پوره میوه)
- • پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون
- • گرمایش و سرمایش محلول‌های دارویی حساس
- • کاربرد در فرآیندهای تولید استریل
صنایع فولاد و فلزات
- • خنک‌کاری روغن‌های هیدرولیک و روان‌کننده‌ها
- • بازیابی حرارت از پساب‌های صنعتی
صنایع فاضلاب و تصفیه آب
- • پیش‌گرمایش لجن فاضلاب قبل از هضم بی‌هوازی
- • خنک‌کاری آب تصفیه شده
- • انتقال حرارت در سیستم‌های بازیافت آب
سیستم‌های بازیابی انرژی
- • بازیابی حرارت از گازهای دودکش یا مایعات داغ در صنایع مختلف برای بهبود بهره‌وری انرژی.
مزیت‌های مبدل حرارتی حلزونی در صنایع
مبدل‌های حرارتی حلزونی به دلیل طراحی منحصربه‌فردشان، مزایای قابل توجهی نسبت به سایر انواع مبدل‌های حرارتی دارند که آن‌ها را برای کاربردهای خاصی ایده‌آل می‌کند. در اینجا به برخی از مهم‌ترین مزیت‌های آن‌ها اشاره می‌کنیم:
✅ راندمان بالا در انتقال حرارت
طراحی حلزونی باعث ایجاد کانال‌های جریان طولانی و پیوسته می‌شود. این طول زیاد و همچنین جریان آشفته (توربولانس) ایجاد شده حتی در سرعت‌های پایین، انتقال حرارت را به شدت کارآمد می‌کند. به عبارت دیگر، حرارت بین دو سیال با بیشترین سطح تماس ممکن و کمترین اتلاف منتقل می‌شود.
✅ مقاومت عالی در برابر گرفتگی
یکی از بزرگ‌ترین نقاط قوت مبدل اسپیرال، توانایی آن‌ها در مقابله با گرفتگی است. به دلیل جریان یکنواخت و آشفته در کانال‌ها، ذرات معلق و رسوبات به سختی می‌توانند روی سطوح ته‌نشین شوند. همچنین، هرگونه رسوب تشکیل شده به دلیل سرعت بالای جریان و اثر "خود تمیزشوندگی" به راحتی کنده می‌شود. این ویژگی آن‌ها را برای سیالات کثیف، ویسکوز و حاوی ذرات جامد بسیار مناسب می‌سازد.
✅ قابلیت پردازش سیالات ویسکوز (چسبناک)
ساختار کانال‌های باز و یکنواخت در مبدل SHE به آن‌ها اجازه می‌دهد تا سیالات با ویسکوزیته بسیار بالا را به راحتی مدیریت کنند. در مقایسه با مبدل‌های لوله‌ای یا صفحه‌ای که ممکن است در برابر سیالات غلیظ مقاومت زیادی نشان دهند و نیاز به پمپ‌های قدرتمندتری داشته باشند، مبدل‌های حلزونی عملکرد بهتری دارند.
✅ طراحی فشرده و کم‌جا
با وجود سطح انتقال حرارت بسیار زیاد، مبدل‌های حلزونی فضای بسیار کمی را اشغال می‌کنند. این طراحی فشرده آن‌ها را برای فضاها و مکان‌های محدود و کاربردهایی که محدودیت جا یک فاکتور مهم است، ایده‌آل می‌کند.
✅ کاهش هزینه‌های نگهداری و تمیزکاری
به دلیل مقاومت بالا در برابر گرفتگی، نیاز به تمیزکاری و نگهداری مکرر کاهش می‌یابد که به نوبه خود زمان توقف عملیات و هزینه‌های عملیاتی را پایین می‌آورد. همچنین، دسترسی به کانال‌ها برای تمیزکاری در مبدل حلزونی (در صورت نیاز) نسبتاً آسان است.
✅ جریان کاملاً متقابل
طراحی حلزونی ذاتاً یک جریان کاملاً متقابل را بین دو سیال ایجاد می‌کند که بالاترین راندمان انتقال حرارت ترمودینامیکی را امکان‌پذیر می‌سازد و به هیت اکسچنجر حلزونی اجازه می‌دهد تا اختلاف دمای بسیار کم بین سیالات را نیز مدیریت کنند.
این مزایا باعث شده‌اند که مبدل‌های حرارتی حلزونی در صنایع مختلفی از جمله شیمیایی، پتروشیمی، فاضلاب، غذایی و کاغذسازی که با سیالات پیچیده و چالش‌برانگیز سروکار دارند، به گزینه‌ای محبوب تبدیل شوند.
خرید و قیمت مبدل حرارتی حلزونی از آرکاصدر
برای خرید و استعلام قیمت مبدل حرارتی حلزونی، می‌توانید با اطمینان کامل به آرکاصدر مراجعه کنید. این شرکت به عنوان یکی از پیشروترین و معتبرترین تولیدکنندگان انواع مبدل‌های حرارتی، از جمله مبدل حرارتی صفحه‌ای، واشردار و سایر مدل‌ها، شناخته می‌شود و محصولات با کیفیت بالا و مطابق با استانداردهای روز دنیا را ارائه می‌دهد.