مبدل های حرارتی پوسته لوله از یک محفظه بیرونی (پوسته ) و تعدادی لوله درون محفظه (لوله) تشکیل شده اند.
در این مبدل ها یک سیال از داخل پوسته (بیرون لوله ها) و سیال دیگر از داخل لوله ها جریان می یابد.
این نوع مبدل ها به دلیل فرایند طراحی و ساخت ساده، در صنعت محبوب هستند.
در این نوع مبدل حرارتی نیز دو جریان سیال از بین صفحات مبدل حرارتی عبور می کنند به نحوی که اختلاط بین دو سیال صورت نمیگیرد.
همانطور که گفته شد مبدل های حرارتی صنعتی عمدتا از انواع پوسته و لوله هستند چرا که طراحی و تولید آن ها بسیار ساده است با این حال تقاضا برای مبدل های حرارتی صفحه ای در صنعت روز به روز در حال افزایش است چرا که این مبدل ها بازدهی انرژی بالاتری نسبت به مبدل های پوسته لوله دارند. بالاترین بازدهی مبدل های حرارتی در حجم ثابت متعلق به مبدل های حرارتی حلزونی (صفحه ای و فضایی) است. لذا ما به صورت گذرا به بررسی عملکرد این نوع مبدل می پردازیم.
مبدل حرارتی حلزونی صفحه ای به خاطر ساختار هیدرودینامیکی خود جریان سیال را به خوبی مغشوش می کند این مسئله باعث افزایش ضریب انتقال حرارت (h) برای سیال می گردد. در عین حال بر خلاف مبدل های دارای بافل، باعث افت فشار شدید سیال در مبدل نمی شود.
با استناد به مقاله پیوست شده، تصویر a وکتور های سرعت سیال سرد و تصویر b وکتورهای سرعت سیال گرم را در مبدل حرارتی حلزونی صفحه ای نشان می دهند. همان طور که از خروجی جریان سیال سرد پیداست ساختار هیدرو دینامیکی مبدل به گونه ای است که باعث ایجاد چرخش در جریان سیال شده این مسئله بهبود انتقال حرارت در مبدل را به دنبال دارد.
همان طور که در وکتورها نیز قابل مشاهده است در مبدل حرارتی حلزونی صفحه ای عمده جریان سیال سرد از نیمه سمت چپ مبدل عبور می کند حال آن که عمده جریان سیال گرم در رینولدز های پایین از نیمه سمت راست مبدل عبور می کند. البته در رینولدزهای بالاتر عمده جریان سیال گرم نیز از سمت چپ مبدل عبور می کند. این پدیده عملا باعث می شود نصف سمت چپ این مبدل نسبت به نصف دیگر آن انتقال حرارت بالاتری داشته باشد. در شکل زیر نیز ایزوسرفیس ها این پدیده را تایید می کنند.
سیال گرم با رینولدز 3000
سمت راست ایزو سرفیس 320 کلوین و سمت چپ ایزو سرفیس 310 کلوین
با توجه به این که سیال گرم از سمت راست به مرکز مبدل وارد می گردد و دمای آن رفته رفته کم می شود ایزو سرفیس ها نیز ثابت می کنند بیشترین انتقال حرارت مبدل در سمت چپ آن انجام می شود.
شایان ذکر است دیتاهای مربوط به این شبیه سازی از نظر علمی معتبر هستند و مقاله استخراج شده از آن نیز به پیوست ارائه می گردد.
مطابق با نتیجه شبیه سازی ها و تست ها این نوع از مبدل های حرارتی در حجم برابر نسبت به سایر مبدل های حرارتی عملکرد بهتری دارند (ارجاع به مقاله پیوستی)
این نوع از مبدل ها دارای توان حرارتی و بازدهی بالاتر نسبت به سایر مبدل های موجود هستند. با توجه به کاربرد این نوع از مبدل های حرارتی می توان آن ها را به نحوی طراحی کرد که در بهینه ترین حالت ممکن قرار داشته باشند.
<h3>ضعف های این نوع مبدل حرارتی</h3>
گاهی عمده جریان سیال گرم از یک سمت مبدل (سمت راست) و عمده جریان سیال دیگر از سمت دیگر مبدل(سمت چپ) عبور می کند. این موضوع عملا باعث کاهش انتقال حرارت در مبدل های حرارتی حلزونی می شود.
استفاده از دو مجرا با حجم برابر عملا باعث می شود که این نوع مبدل ها در بسیاری از موارد بلا استفاده شوند. چرا که گاهی نیاز است یک سیال با دبی بالا به مبدل وارد شود و سیال دیگر با دبی پایین وارد مجرای خود شود. در این صورت ایجاد فشار لازم برای دبی بالا، نیازمند کار بسیار بیشتری نسبت به سیال دیگر است.
حد اکثر فشار قابل تحمل در مبدل های حرارتی حلزونی صفحه ای، کمتر از مبدل های پوسته لوله است که بااعث ایجاد محدودیت در به کار بردن این نوع مبدل های حرارتی می گردد.