مبدل های حرارتی صفحه ای

 

مبدل های حرارتی صفحه ای چیست؟

مبدل های حرارتی صفحه ای ( Plate Heat Exchanger ) یکی از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی هستند که امروزه استفاده می شود. نوع رایج دیگر مبدل حرارتی مبدل حرارتی پوسته و لوله است. مبدل حرارتی مارپیچی برای کاربردهای صنعتی نیز استفاده می شود، اما استفاده از آن در مقایسه با دو نوع مبدل حرارتی دیگر جزئی است.

 

 

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای کاربرد گسترده‌ای در سراسر جهان مهندسی پیدا کرده‌اند، زیرا کارآمد، مستحکم و نگهداری نسبتاً آسانی دارند.

 

مبدل حرارتی صفحه ای مونتاژ شده

 

اجزای مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل های حرارتی صفحه ای از قطعات نسبتا کمی تشکیل شده اند. از آنجایی که مبدل های حرارتی صفحه ای برای انتقال گرما استفاده می شوند، به ورودی ها و خروجی هایی نیاز دارند که سیالات بتوانند وارد مبدل حرارتی شده و از آن خارج شوند. سیال ممکن است مایع یا گاز باشد. ما در اینجا سیال را مایع فرض می کنیم.

 

مبدل های حرارتی صفحه ای

 

واشرها (Gaskets) و صفحات (plates) برای جداسازی سیالات و جلوگیری از اختلاط آنها استفاده می شود. واشرها فقط به یک طرف هر صفحه چسبانده می شوند. صفحات روی میله حمل (carry bar) قرار گرفته اند و با استفاده از پیچ و مهره های گیره به هم فشرده می شوند. هنگامی که صفحات به یکدیگر فشرده می شوند، به آنها “plate stack”  گفته می شود. یک نوار راهنما (guide bar) تضمین می کند که صفحات در هنگام باز و بسته شدن plate stack هم راستا باشند.

 

اجزای مبدل حرارتی صفحه ای

 

اجزای نهایی plate stack بین دو کاور که در مقابل هم هستند قرار می گیرند. یک پوشش متحرک و دیگری ثابت است. پوشش متحرک و پوشش ثابت گاهی اوقات به عنوان صفحه قاب و صفحه فشار نیز شناخته می شود. توجه داشته باشید که ورودی ها و خروجی ها فقط روی پوشش ثابت نصب می شوند.

 

 

 

مبدل های حرارتی صفحه ای چگونه کار می کنند

در طول این مقاله، فرض می کنیم که مبدل حرارتی صفحه ای، دارای دو سیال در حال جریان است، یکی سرد و دیگری گرم است. محیط گرم باید توسط محیط سرد خنک شود و این در مبدل حرارتی صفحه ای رخ می دهد.

 

 

 

سیال داغ از طریق ورودی مربوطه وارد مبدل حرارتی می شود. واشرها، سیال داغ را هنگام عبور از مبدل حرارتی هدایت می کنند. هر صفحه دارای یک الگوی متناوب است. سیال داغ در فضای بین یک جفت صفحه جریان می یابد، اما به فضای بین جفت صفحه بعدی جریان نمی یابد. زیرا واشرها از این امر جلوگیری می کنند. این روند به گونه ای ادامه می یابد که هر مجموعه که از دو صفحه تشکیل می شود با جریان سیال داغ پر می شود.

 

واشر مبدل حرارتی صفحه ای

 

در همان زمان، سیال سرد از طریق ورودی سرد وارد مبدل حرارتی می شود، اما این بار، واشرها طوری قرار می گیرند که به سیال سرد اجازه می دهند به فضایی که هیچ سیال گرمی وجود ندارد جریان یابد. مبدل حرارتی اکنون مملو از جریان هایی از سیالات گرم و سرد است. هر سیال از خروجی مربوط به خود خارج می شود و این فرآیند پیوسته ادامه دارد.

 

 

توجه داشته باشید که دو سیال همیشه در سراسر مبدل حرارتی مجاور یکدیگر قرار دارند. بنابراین، سیالات دارای یک الگوی جریان گرم، سرد، گرم، سرد هستند، زیرا از طریق مبدل حرارتی جریان می‌یابند. هر دو سیال توسط واشرها و صفحات کاملاً از یکدیگر جدا شده و با هم مخلوط نمی شوند.

 

الگوی متناوب سرد / گرم

 

به دلیل نزدیکی سیال های در جریان، گرما بین آنها رد و بدل می شود. سیال داغ صفحه را گرم می کند و صفحه مقداری از این گرما را به سیال سرد که در مجاورت آن در جریان است می دهد. بنابراین دمای سیال داغ کاهش یافته و دمای سیال سرد افزایش می یابد.

 

 

طراحی مبدل حرارتی صفحه ای

صفحات اصلی ترین دلیل کارآمد بودن مبدل های حرارتی صفحه ای هستند.

 

 

صفحات مبدل حرارتی صفحه ای ممکن است به نظر برسند که طراحی ساده ای داشته باشند، اما هر صفحه پر از ویژگی های طراحی مهندسی جالب است. مثلاً :

 

• هنگامی که صفحات (Plates) به یکدیگر فشرده می شوند تا یک plate stack را تشکیل دهند، شکاف بین هر یک از صفحات بسیار کوچک است که باعث می شود تماس حرارتی خوبی بین دو محیط گرم و سرد بوجود بیاید. شکاف بین صفحات “لقی” (clearance) نامیده می شود.
• صفحات نازک هستند و سطح تماس زیادی دارند، در نتیجه هر صفحه سرعت انتقال حرارت بالایی دارد.
• صفحات از ماده ای با رسانایی حرارتی بالا ساخته می شوند که سرعت انتقال حرارت را بیشتر می کند.
• موج‌های روی سطوح صفحه (Corrugations) از جریان آرام (laminar flow) جلوگیری می‌کنند و جریان آشفته (turbulent flow) را تقویت می‌کنند، که درنتیجه باعث می شود سرعت انتقال حرارت را افزایش ‌دهد و در عین حال احتمال تجمع رسوبات روی سطوح صفحه کاهش پیدا می کند.

 

 

از طرفی کارایی دوم موج‌ها، برای بالا بردن استحکام ساختار صفحه ها می باشد، که اجازه می‌دهد از صفحه نازک‌تری در مقایسه با صفحه‌ای که موج‌دار نیست، استفاده شود. توجه داشته باشید که موج‌های روی صفحات، گاهی اوقات به نام الگوی ” استخوان شاه ماهی”  (herringbone) شناخته می‌شوند.

 

الگوی استخوان شاه ماهی

 

صفحات (Plates) تنها بخشی از مبدل حرارتی صفحه ای با ویژگی های طراحی گسترده نیستند، واشرها (gaskets) نیز ویژگی های طراحی جالبی دارند:

 

• واشرها می توانند حتی زمانی که فشار و دمای سیستم تغییر می کند، آببندی بین صفحات را حفظ کنند.
• پارگی موجود در هر واشرکه معروف به telltales می باشد، برای شناسایی نشتی در واشرهای استفاده می‌شود. این ویژگی به اپراتورها اجازه می‌دهد تا قبل از اینکه سیال در اثر نشتی از واشر نشت کند و سیال دیگری را آلوده کند، صفحه آسیب‌دیده را عوض کنند.

 

Telltale مبدل حرارتی صفحه ای

 

از آنجایی که واشر ها جریان سیال را در مبدل حرارتی هدایت می کنند، ضروری است که به ترتیب صحیح نصب شوند. به همین دلیل، واشرها اغلب با علامت گذاری نصب می شوند تا اپراتورها بتوانند بررسی کنند که هر صفحه به ترتیب صحیح در plate stack نصب شده است. راه دیگر برای اطمینان از درست بودن ترتیب plate stack ، این است که هنگام مونتاژ، یک خط مورب در کل plate stack رنگ کنید.

 

خط رنگی مورب بروی plate stack

 

واشرها در سرتاسر مبدل حرارتی به جز اولین و آخرین صفحات داخل plate stack که به روکش های ثابت و متحرک فشار می آورند، بصورت متناوب نصب می شوند. صفحاتی که به روکش های ثابت و متحرک فشار می آورند به دلیل موقعیت آنها در داخل plate stack به صفحات شروع و پایان معروف هستند.

 

هدف صفحات شروع و پایان جلوگیری از جریان به فضای بین پوشش ثابت و صفحه شروع و جلوگیری از جریان در فضای بین پوشش متحرک و صفحه انتهایی است. به این ترتیب، پوشش ها به طور فعال برای تبادل گرما استفاده نمی شوند. این منطقی است زیرا روکش‌ها کاملاً ضخیم هستند، موج‌دار نیستند و برای تبادل گرما مناسب نیستند.

 

واشر صفحات (در سمت راست، واشر صفحه انتهایی نشان داده شده است)

 

تغییر ظرفیت خنک کننده

روش های مختلفی برای تغییر ظرفیت خنک کننده مبدل حرارتی صفحه ای وجود دارد:

 

• شیرهای خروجی را طوری تنظیم کنید که جریان کم یا زیاد شود. این روش مفید است زیرا هیچ گونه تغییری در ساختار مبدل حرارتی رخ نمی دهد. شیرهای ورودی جریان سرد را بطور کامل نبندید. زیرا ممکن است باعث ایجاد گرمای بیش از حد موضعی شود.
• تعداد صفحات در plate stack را افزایش یا کاهش دهید. افزایش تعداد صفحات در plate stack رابطه مستقیم با افزایش ظرفیت خنک کنندگی دارد. کاهش تعداد صفحات در plate stack رابطه مستقیم با کاهش ظرفیت خنک کنندگی دارد. به طور خلاصه، صفحات بیشتر برابر با ظرفیت خنک کنندگی بیشتر و صفحات کمتر برابر با ظرفیت خنک کنندگی کمتر است.
• از طرح تک پاس (single pass) یا چند پاس (multi-pass) استفاده کنید. مبدل های حرارتی تک پاس به دو سیال اجازه می دهند که فقط یک بار از کنار یکدیگر عبور کنند. مبدل های حرارتی چند پاس به سیال های جاری اجازه می دهند تا چندین بار از کنار یکدیگر عبور کنند. اکثر مبدل های حرارتی صفحه ای از طرح تک پاس استفاده می کنند.

 

طرح تک پاس و چند پاس مبدل حرارتی صفحه ای

 

انواع جریان

جریان از طریق مبدل حرارتی صفحه ای ممکن است موازی (parallel )، متقاطع (cross) یا متقابل (counter) باشد. مبدل های حرارتی صفحه ای معمولاً از جریان مخالف استفاده می کنند زیرا این کارآمدترین نوع جریان برای انتقال حرارت است. جریان متقابل گاهی اوقات به عنوان جریان مخالف (contra flow) نیز شناخته می شود.

 

جریان های موازی، متقاطع و متقابل

 

ملاحظات طراحی صفحات

از آنجایی که مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای برای کاربردهای گسترده استفاده می‌شوند، باید طوری طراحی شوند که در شرایط فرآیندی که در آن کار می‌کنند مقاومت کنند، مانند محیط‌های خورنده و یا فرسایشی. ساخت مبدل های حرارتی صفحه ای از مواد مختلف از جمله فلزات، آلیاژها و پلاستیک ها امکان پذیر است. استفاده از مواد مختلف، مبدل حرارتی صفحه ای را برای کاربردهای مختلف مناسب تر می کند. به عنوان مثال، اگر جریان سیال خاصی هنگام تماس با فلزات واکنش تهاجمی نشان دهد، ممکن است به جای آن از مواد پلیمری مانند تفلون استفاده شود.

 

مزایای مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل های حرارتی صفحه ای مزایای متعددی دارند:

 

• مبدل های حرارتی صفحه ای وزن کمتری دارند، به فضای کمتری نیاز دارند و در مقایسه با سایر طرح های مبدل حرارتی با همان اندازه، کارایی بیشتری دارند.
• تعویض و تمیز کردن صفحات کار ساده ای است. زیرا پشته صفحه به راحتی باز می شود.
• بر خلاف مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای، مبدل های حرارتی صفحه ای به فضای اضافی برای جداسازی نیاز ندارند.

 

معایب مبدل حرارتی صفحه ای

اما برخی از معایب مربوط به مبدل های حرارتی صفحه ای نیز وجود دارد:

 

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای نسبت به دیگر مبدل‌های حرارتی گران‌تر هستند.

اگر در یک واشر (gasket) نشتی وجود داشته باشد که باعث شود یک سیال با سیال دیگری مخلوط شود، پیدا کردن صفحه نشتی اغلب دشوار است.

 

تعویض واشر صفحه در محل می تواند دشوار یا غیرممکن باشد. برخی از واشرهای صفحات باید برای تعویض به سازنده عودت داده شوند که هم هزینه دارد و هم زمان می برد.

 

هنگامی که صفحات به یکدیگر فشرده می شوند تا یک plate stack را تشکیل دهند، فاصله بین هر یک از صفحات کوچک است، این مسئله احتمال رسوب را افزایش می دهد، در نتیجه انتقال حرارت می تواند کاهش پیدا کند.

 

هنگام مونتاژ مجدد plate stack ، سفت کردن بیش از حد پیچ های گیره می تواند منجر به له شدن صفحات شود که به موج های صفحه آسیب می رساند و واشرها را فشرده می کند. اگر واشرها فشرده شوند، صفحه دیگر به درستی آب بندی نمی شود.

 

مبدل های حرارتی صفحه ای برای کاربردهای فشار بالا مناسب نیستند. زیرا واشرها در اثر فشار سیستم از محل خود خارج می شوند. این وضعیت به عنوان “فشار واشر” (gasket blow-out) نامیده می شود. با این حال، می توان با استفاده از طراحی بدون واشر، این مشکل را برطرف کرد. این طرح ها معمولاً از صفحات لحیم کاری (brazed) یا جوش داده شده (welded plates) استفاده می کنند. مبدل های حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده و جوش داده شده برای کاربردهای دما و فشار بالاتر مناسب تر هستند، اما همچنین برای کاربردهایی که نشت سیال جاری در آن می تواند خطرناک یا فاجعه بار باشد، به عنوان مثال:  سیالات سمی.

 

 

مترجم : حجت الله کاتوزی

منبع :

www.savree.com/en/encyclopedia/plate-heat-exchanger-phe