ما مدى كفاءة مبادل الحرارة من النوع اللوحي؟

في التطبيقات الصناعية الحديثة، يُعد تحسين استخدام الطاقة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز أداء النظام. إن مبادل الحرارة اللوحي فعال للغاية، حيث تصل قدرته على نقل الحرارة في كثير من الأحيان إلى عدة مرات أكثر من مبادلات الحرارة من النوع الغطاء والأنابيب. ويمكنه العمل ب gradients حرارية أصغر، واستعادة الحرارة المهدورة بالكامل، وتحقيق وفورات كبيرة في الطاقة.

يتكون مبادل الحرارة اللوحي من سلسلة من الصفائح المعدنية الرفيعة والموازية لبعضها البعض. يتم إحكام إغلاق هذه الصفائح بواسطة ختم حراري (غaskets) أو اللحام الصفيحي (brazing)، مما يشكل قنوات مغلقة يتدفق من خلالها السوائل الساخنة والباردة بشكل متناوب. بالمقارنة مع مبادلات الحرارة التقليدية من نوع الغلاف والأنابيب، تكمن الميزة الأساسية للمبادلات اللوحية في تصميمها المجعد الفريد. هذا التصميم لا يزيد من مساحة سطح نقل الحرارة بشكل كبير فحسب، بل وقبل كل شيء، يولد اضطرابًا شديدًا داخل السائل. هذا الاضطراب يعمل بشكل فعال على تكسير الطبقة الحدية لتدفق السائل، مما يحسن بشكل ملحوظ كفاءة انتقال الحرارة بالحمل، ويمنح المبادل درجة من الخصائص التنظيفية الذاتية.

مزايا كفاءة مبادل الحرارة اللوحي

1) معامل انتقال الحرارة الكلي U أعلى

إن البنية المموجة أو على شكل عظم السمكة على سطح لوحة PHE تُنشئ اضطرابًا شديدًا في السائل، مما يعزز بشكل كبير كفاءة انتقال الحرارة. يمكن أن تصل معاملات انتقال الحرارة المركبة النموذجية إلى 2000–6000 واط/م²·ك، بينما تكون المبادلات الحرارية الأنبوبية ذات الغلاف عادةً في حدود 500–1500 واط/م²·ك. إن الألواح المعدنية الرقيقة (بسمك 0.5–0.8 مم تقريبًا) لها مقاومة حرارية منخفضة، وقنوات ضيقة، واضطراب عالي على السطح.

مقارنة مقاومة الحرارة (الفولاذ المقاوم للصدأ، k ≈ 15 واط/م·ك)
اللوحة: δ/k ≈ 0.0006 / 15 ≈ 4×10⁻⁵ م²·ك/واط
الأنبوب: δ/k ≈ 0.002 / 15 ≈ 1.33×10⁻⁴ م²·ك/واط

✅ المقاومة الحرارية للوحات تساوي تقريبًا ثلث المقاومة في المبادلات الحرارية الأنبوبية ذات الغلاف الشائعة، مما يساعد على تحسين قيم U.

2) أقرب إلى "التدفق العكسي الحقيقي"، معامل التصحيح F ≈ 1

تقترب المبادلات الحرارية اللوحية بشكل طبيعي من التدفق العكسي الخالص، حيث يتراوح عامل تصحيح التدفق F عادة بين 0.95–1.0. تتأثر المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنابيب في كثير من الأحيان بتدفق متعدد الممرات/التدفق المتقاطع، حيث يتراوح F حوالي 0.75–0.9.

✅ تحت نفس ظروف انتقال الحرارة، يكون مقدار الفرق الحراري الفعال (F·LMTD) للمبادلات اللوحية أعلى.

3) قدرة عالية على التعامل مع فرق درجات الحرارة الصغيرة (انتقال الحرارة بفرق درجة حرارة صغيرة)

يمكن أن يصل فرق درجة الحرارة النهائي للمبادل الحراري اللوحي (PHE) إلى 1–3 كلفن (يعتمد على الوسيط، والحمل، وقيود الانخفاض في الضغط)، حيث يمكن أن يصل أقل فرق حراري إلى 1°م.

✅ مما يجعل استعادة الحرارة منخفضة الجودة أكثر عملية ويزيد من كفاءة النظام من حيث استهلاك الطاقة (مثل COP واستهلاك الطاقة الأولية/الثانوية).

4) مقاومة الترسبات والصيانة

velocities الانسيابية العالية والاضطراب القوي داخل قنوات اللوحة يمنعان تشكيل الرواسب. عادةً ما يكون معامل القياس Rf في التصميم 2×10⁻⁵–1×10⁻⁴ م²·ك/و (نوع الأنبوب والقشرة عادةً ما يكون 2×10⁻⁴–4×10⁻⁴). إذا تدهور الأداء، يمكن تنظيف الألواح/CIP استعادة الأداء، مما يسهل الصيانة ويقلل من وقت التوقف.

✅ كفاءة مكافئة أعلى على المدى الطويل

5) كفاءة حرارية أعلى (ε، طريقة NTU)

بسبب قيمته العالية لمعامل U و F≈1، تحقق مبادلات الحرارة من النوع اللوحي قيم NTU أعلى لنفس المساحة، وفروق حرارة أقل بالقرب من النهاية الساخنة، وكفاءة حرارية أعلى (ε).

✅ تحت نفس متطلبات ε، فإن حجم ووزن النوع اللوحي لا يزيد عن 1/3 إلى 1/5 من حجم ووزن مبادلات الأنبوب والقشرة، مما يؤدي إلى معدات أكثر إحكاماً وانخفاضاً في فقدان الحرارة.

6) مثال

مقارنة بين المساحات المطلوبة تحت نفس ظروف التشغيل

لتحقيق نفس ظروف التشغيل بقدرة 1 ميغاواط، تكون مساحة النوع الصفائحي حوالي 1/4.5 من مساحة النوع الغشائي. تقليل المساحة يقلل من فقد الحرارة ومساحة الأرضية والتكاليف المتعلقة بالمواد والتركيب.

7) الكفاءة في استخدام الطاقة على مدى العمر الافتراضي والفوائد على مستوى النظام

المبادلات الحرارية الصفائحية مدمجة، ولها حجم منخفض من السائل المتراكم، وتتميز بسرعة أكبر في بدء التشغيل وإيقافه، ومتابعة التحميل، وتحسين كفاءة التنظيم. كما أنها سهلة الصيانة، وتحافظ على قيمة U مرتفعة على مر الزمن، وتتفادى تدهور الكفاءة بمرور الوقت. كما يمكن توسيعها بسهولة؛ إذ يكفي إضافة صفائح لزيادة المساحة/السعة، مما يقلل من استهلاك الطاقة وقت التحديث ويقلل من توقف التشغيل.

8) التكلفة والشروط الحدية

في عملية تبادل الحرارة، تأتي زيادة انتقال الحرارة مع ارتفاع أكبر في الانخفاض بالضغط. غالباً ما يتم تصميم مبادل الحرارة اللوحي ليتحمل 30–80 كيلو باسكال لكل جانب، في حين يستخدم مبادل الحرارة من النوع الغلاف وأنبوب عادةً 10–30 كيلو باسكال. يجب تحقيق توازن بين قوة الضخ والنقل الحراري وتحسينه. قد تكون مبادلات الحرارة من النوع الغلاف وأنبوب أكثر موثوقية عندما يكون الوسط ذو لزوجة عالية، أو يحتوي على نسبة عالية من المواد الصلبة، أو يحتوي على جسيمات خشنة، أو تُستخدم في درجات حرارة وضغوط مرتفعة جداً (على سبيل المثال، >180°م، >25 بار). لتحقيق فرق في درجة الحرارة من طرف إلى آخر يتراوح بين 1–3 كلفن، يجب توفير مساحة كافية وهامش كافٍ في الانخفاض بالضغط؛ وتجنّب خفض التكاليف بشكل عشوائي.