انتقال حرارت میان دو سیال جاری یکی از مهمترین فرآیندهای فیزیکی مورد استفاده در صنایع مختلف است. تعداد زیادی از انواع مختلف مبدلهای حرارتی در کاربردهای متفاوتی همچون صنایع تولیدی نیروگاه های هسته ای صنایع گرمایشی و تهویه مطبوع مواد غذایی تبرید و مانند اینها به کار گرفته شده اند. هدف از ساخت یک مبدل حرارتی استفاده از روشی مؤثر برای انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر است. روشهای متعددی برای افزایش کارایی حرارتی مبدلها ابداع شده و مورد استفاده قرار گرفته اند. 
در یک نگاه کلی میتوان این روشها را در یکی از قالبهای تکنیکهای فعال تکنیکهای غیر فعال و یا ترکیبی از آنها دسته بندی نمود. تکنیکهای فعال نیازمند اعمال نیروهای خارجی مانند ارتعاش سیال میدان الکتریکی و ارتعاش سطوح میباشند و تکنیکهای غیر فعال نیز هندسه هایی خاص را برای سطوح ایجاد می کنند یا از افزودنیهای سیال بهره می برند. نمونه هایی از این هندسه های ویژه را میتوان به شکل سطوح زبر، سطوح گسترش یافته ابزار جریان گردابه ای لوله های کویل شده ابزارهای ایجاد تنش در سطح و …. در کاربردهای مختلف یافت. در این مقاله مزایای بکارگیری یکی از تکنیکهای فوق یا همان استفاده از لوله های اسپیرال به اختصار توضیح داده می شود. لازم به ذکر است که در سالهای اخیر این مبدلها به سرعت در حال جایگزینی مبدلهای پوسته و لوله شكل متداول می باشند. شکل ۱ تصویری شماتیک از مبدلهای حرارتی اسپیرال را نشان میدهد.
عمده تفاوت آن با مبدلهای U شکل مرسوم در شکل مسیر عبوری سیال عامل می باشد. در اثر این شکل خاص یک جریان ثانویه علاوه بر جریان اصلی وجود خواهد داشت که سبب ایجاد گرادیان فشار طولی میشود. خطوط جریان مستقیم در یک لوله استوانه ای مستقیم با خطوط جریان خمیده در کویلها جایگزین میشوند که نرخهای بالاتر اندازه حرکت و انتقال حرارت را در پی خواهد داشت. در نتیجه ضرایب انتقال حرارت بالاتری در قیاس با لوله های مستقیم قابل حصول بوده و به همین خاطر دستیابی به طرحهایی با اندازه های کوچکتر به راحتی امکان پذیر خواهد بود.
جریان ثانویه ایجاد شده توسط نیروی گریز از مرکز توانایی قابل توجهی در افزایش نرخ انتقال حرارت در کویلهای اسپیرال خواهد داشت. ضرایب انتقال حرارت بالا در هر دو سمت کویل و پوسته حاصل می شوند. مسیر جریان مارپیچی نرخهای برشی و آشفتگی بالاتری را در یک افت فشار مشخص ایجاد می کند که می تواند منجر به ضرایب انتقال حرارت بالاتر از مبدلهای پوسته و لوله متداول گردد این واقعیت را می توان در شکل ۲ مشاهده نمود.
در این شکل مقدار ضرایب انتقال حرارت در مورد مبدلهای جریان همسو و جریان مخالف و در حالتهای لوله مستقیم و لوله اسپیرال بر حسب دبی آب سرد ورودی به پوسته نشان داده شده است. همانطور که از شکل پیداست بالاترین مقادیر ضریب انتقال حرارت مربوط به حالت استفاده از مبدل اسپیرال با جریان مخالف میباشد.
جریانهای کاملا ناهموی دو سمت لوله اجازه استفاده کامل ازLMID موجود را میدهد و بدون بهره گیری از واحدهای متعدد با آرایش سری میتواند منجر به حالتی شود که اصطلاحاً دمای متقاطع خوانده میشود. در این حالت دمای خروجی سیال داغ پایین تر از دمای خروجی سیال سرد خواهد بود. هندسه جریان یک واحد مارپیچی به گونه ای است که میتواند در یک واحد منفرد به شکل گیری دمای متقاطع بیانجامد. دلیل اصلی این امر جریان کاملا ناهمسویی است که اجازه دستیابی به دماهای نزدیکتر و بهبود بازیابی حرارتی را میدهد. نحوه قرارگیری کویل نیز مزیتهایی را به دنبال دارد که کوچک شدن مبدل و نیاز به حداقل فضا در محل نصب از جمله آنها میباشد. شکل فنر مانند کوپلهای مبدل حرارتی از بروز انبساط حرارتی و مسائل مرتبط با شوک حرارتی که معمولاً در خلال آغاز به کار یا در دماهای بالا روی میدهند جلوگیری می کند. علاوه بر این فشارهای بالای کاری در سمت کویلها به راحتی قابل دستیابی هستند و بدون نیاز به تیوب شیت موجود در مبدلهای شکل حتی در فشارهای کاری بالا ضخامتهای مورد نیاز کمیته خواهند بود. یکی دیگر از مزیتهای مهم مبدلهای اسپیرال این است که تنشهای برشی بالا و آشفتگی ایجاد شده در این مبدل تمایل به رسوبگذاری را تا حد بسیار زیادی کاهش می دهند که این امر منجر به گردشهای کاری طولانی تر بین عمليات تمیزکاری می گردد.
شکل ۳ پارامترهای هندسی عمدة تأثیرگذار بر کارایی مبدلهای اسپیرال را نشان می دهد. در این نوع مبدلها نیز همانند هر مبدل حرارتی دیگری دبی جریان فشار مجاز و خصوصیات فیزیکی سیال و ماده بکار رفته در ساخت لوله و پوسته پارامترهایی هستند که طراحی نهایی را کنترل میکنند. ب
ه منظور بهینه سازی نیازمندیهای حرارتی و هیدرولیکی پروژه میتوان تعداد لوله ها (کویلها)، فضای بین آنها با طولشان را تغییر داد. این تغییرات امکان طراحی مناسب حرارتی و هیدرولیکی را هم برای سیال داخل لوله ها و هم برای سیال داخل پوسته فراهم می سازد. بنابراین می توان طرحی ارائه نمود که نیاز حرارتی مورد نظر را با در نظر گرفتن محدودیتهای هیدرولیکی برآورده سازد.
یکی دیگر از مزایای مبدلهای اسپیرال در قیاس با مبدلهای U شکل متداول از شکل ٤ قابل استنباط میباشد. در مبدلهای پوسته و لوله U شکل چنانچه به هر دلیلی سیال در قسمت پایینی پوسته که منبع حرارتی در آن قرار گرفته گرم نشود، فرصت دیگری برای جذب انرژی و افزایش دما نخواهد داشت. این در حالی است که در مبدلهای اسپیرال با توجه به توزیع یکنواخت سطح انتقال حرارت در کل پوسته این عیب پوشش داده شده است.
نتیجه گیری
مبدلهای اسپیرال دارای مزایای متعددی در قیاس با مبدلهای پوسته و لوله U شکل متداول میباشند که در این مقاله به تعدادی از آنها بطور کلی اشاره گردید. برخورداری از چنین مزیتهایی سبب شده تا در کشورهای توسعه یافته و پیشرفته از مبدلهای اسپیرال به عنوان نسل جدید مبدلها استفاده شود