اصول طراحی مبدل‌های حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه‌ای اساساً" با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدل‌ها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدل‌های لوله‌ای) پیشی بگیرد. به دلیل تنوع بسیار زیاد محدوده‌های طراحی این نوع مبدل‌ها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکت‌های سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمی‌کنند.

مبدل‌های صفحه‌ای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا می‌کنند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند و به نحوی چیدمان شده‌اند که دو سیال عامل بصورت یک در میان میان صفحات جریان دارند. طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد می‌کند که مجموعه از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحه‌ای مناسب را بدهند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای معمولاً "در جریان سیالتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می‌شوند. از آنجا که کانالهای جریان کاملاً کوچک هستند جریان قوی گردابه‌ای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها می‌گردد بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب می‌شود. واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری می‌کنند و سیال‌ها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می‌نمایند. شکل جریان عموماً" به نحوی انتخاب می‌شوند که جریان سیالها خلاف جهت یکدیگر باشند.

انواع مبدل‌های صفحه ای

صفحه ای حلزونی

مبدل حرارتی حلزونی سیال گرم ۱ و سیال سرد ۲

با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبه‌های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده می‌شود. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد می‌شود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می‌دهد این نوع مبدل‌های حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعاً گران قیمت می‌باشند. سطح انتقال حرارت برای این مبدل‌ها در محدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشار کارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ سانتیگراد محدوده می‌شود. این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده می‌شود.

لاملا

مبدل حرارتی نوه لاملا (ریمن) شامل مجموعه کانالهای ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که بطور موازی جوشکاری شده است. بدلیل آشفتگی زیاد جریان توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف بسادگی رسوب نمی‌گیرند. این طرح از مبدل می‌تواند تحمل فشار تا ۳۵ بار و دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و ۵۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای آزبست می‌باشد.

صفحه ای واشردار

خصوصیات مکانیکی صفحه ای واشردار

یک مبدل حرارتی صفحه‌ای تشکیل شده است از صفحات ثابت، صفحات فشار دهنده و تجهیزات پنوماتیکی و یا مکانیکی متعلقه و connection ports ها. سطح انتقال حرارت از یک سری صفحات با مجاری ورودی و خروجی تشکیل می‌شود.

مجموعه صفحات و فریم اصلی

هنگامیکه تعدادی از صفحات این نوع مبدل‌ها بهم فشرده می‌شوند و تشکیل مبدل صفحه‌ای را می‌دهند سوراخهای واقع در گوشه‌های این صفحات تشکیل تونلها و یا مجاری پیوسته‌ای را می‌دهند که سیال را از مبدا ورودی به صفحات هدایت می‌کند که در آنجا با توجه به شکل شیارهای صفحات بین آنها توزیع می‌شود. مجموعه این دسته از صفحات با وسائل مکانیکی و یا هیدرولیکی بهم فشرده می‌شوند. جویهای جریان سیال که در مابین صفحات و خروجی گوشه‌های آن تشکیل می‌شود به نحوی چیدمان شده است که جریانهای سرد و گرم انتقال حرارت بشکل یک در میان در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند بطوریکه همیشه دارای چیدمان مخالف جهت حرکت جریان می‌باشند. در طی عبور از مبدل حرارتی، سیال گرمتر بخشی از انرژی حرارتی خود را از طریق دیواره صفحه‌ای نازک به سیال سردتر در سمت دیگر منتفل می‌کند و در نهایت سیالها به حفره‌های لوله‌ای شکلی که در انتهای دیگر مجموعه صفحات وجود دارد سرازیر می‌شوند و از مبدل خارج می‌شود. این صفحات می‌توانند تا صد عدد در یک مبدل در کنار هم قرار گیرند و خدمات حرارتی خود را به صنعت ارائه دهند. مجموعه صفحات بین دو صفحه فلزی انتهائی بوسیله پیچ بهم وصل می‌شوند. صفحات و قطعات منفصل فریم از میله حامل بالائی آویزان هستند و در انتهای مبدل بوسیله میله راهنما نگهداری می‌شوند. میله حامل و میله راهنما به قطعه ثابت فریم پیچ و مهره می‌شود و بجز مبدل‌های کوچک بقیه به تکیه گاه انتهائی متصل می‌شوند هر چند این نمی‌تواند همیشه یک قاعده کلی باشد. مجموعه صفحات مانند دسته لوله‌ها در مبدل‌های پوسته‌ای و لوله‌ای است با این تفاوت مهم که دو سمت جریان گرم و سرد در یک مبدل حرارتی صفحه‌ای معمولاً دارای مشخصه‌های هیدرودینامیکی یکسانی می‌باشد. صفحه فلزی مبدل جزء اساسی این سیستم حرارتی محسوب می‌شود که اندازه بزرگترین صفحه از ۳/۴ متر ارتفاع و ۱/۱ متر عرض می باشد. نرخ انتقال حرارت برای یک صفحه در محدوده رنج ۰۱/۰تا ۶/۳ متر مربع قرار دارد که برای اجتناب از توزیع غیریکسان سیال درعرض صفحه، حداقل نسبت طول/عرض حدود ۸/۱ انتخاب می‌شود. ضخامت صفحات مبدل در محدوده رنج ۵/۰ تا ۲/۱ میلی‌متر که در فواصل ۵/۲ تا ۵ میلی‌متر از یکدیگر قرار گرفته‌اند تا قطر هیدرولیکی ۴ تا ۱۰ میلی‌متر را برای کانال عبور جریان ایجاد کند.

واشر بندی

با واشر بندی و عایقکاری دور لبه صفحه خارجی می‌توان از نشتی جریان از کانالهای صفحات به محیط بیرون جلوگیری نمود. صفحات می‌توانند از جنس استنلس استیل، تیتانیوم، تیتانیوم-پالادیوم و ... ساخته شوند که با توجه به ضریب هدایت گرمائی متفاوتی که دارا می‌باشند در طراحی مورد توجه واقع می‌شوند.

ماده ضریب هدایت گرمائی

استنلس استیل(۳۱۶) ۱۶٫۵ تیتانیوم ۲۰ اینکونل ۶۰۰ ۱۶ اینکولوی ۸۲۵ ۱۲ هستلوی C -۲۷۶ ۶/ ۱۰ مونل ۴۰۰ ۶۶ نیکل ۲۰۰ ۶۶ کاپرونیل ۱۰/۹۰ ۵۲ کاپرونیل ۳۰/۷۰ ۳۵

انواع صفحات مبدل

در عمل محدوده نسبتاً متنوع و زیادی از انواع صفحات مبدل وجود دارد اما به بررسی دو نوع نسبتاً جدید از این صفحات می‌پردازیم که کاربرد وسیعتری دارند. این دو نوع بنامهای شورون(chevron ) و واشبرد (washboard) در دسترس هستند. البته با توجه به تغییرات زیاد انتقال حرارت و فشار در هر الگوی صفحات موجدار روشهای پیشگوئی انتقال حرارت و فشار بر اساس داده‌های تجربی همان الگوی مشخص استوار می‌باشد. در صفحات نوع واشبرد، صفحات مجاور بصورتی مونتاژ می‌شوند که کانال جریان سیال حرکتی آشفته و گردابی با سیال می‌دهد. این الگوی موجدار زاویه‌ای بنام دارد که از آن به زاویه شورون نام می‌بریم.

که این زاویه در صفحات مجاور هم معکوس می‌شوند بصورتیکه وقتی صفحات به یکدیگر محکم می‌شوند موجهای سطحی نقاط تماس زیادی برقرار می‌کنند که به همین دلیل صفحات مبدل می‌تواند از مواد بسیار نازک تا حدود ۶/۰ میلیمتر طراحی شوند. تغییرات زاویه حدود بین رنج ۶۵ و ۲۵ درجه می‌باشد که این زاویه تعیین کننده مشخصه‌های انتقال حرارت و افت فشار صفحه مبدل می‌باشد.

مزایای مبدل‌های صفحه ای

• تنوع در طراحی صفحات و چیدمان شیارها و سایز و زوایا
• سطح انتقال حرارت با توجه به امکان در تغییر تعداد صفحات و شکل بندی آن براحتی قابل وصول است.
• انتقال حرارت بهینه که بدلیل درهم بودن جریان و کوچکی قطر هیدرولیکی برای هر دو سیال عامل دارای ضریب انتقال حرارت بزرگ هستند.
• باتوجه به فشردگی صفحات سطح انتفال حرات به حجم ارزشمند است.
• اتلاف حرارت بسیار ناچیز دارد و نیاز به عایقکاری ندارد
• در حالت خراب واشر لاستیکی دو سیال تحت هیچ شرایطی مخلوط نمی‌شوند.
• مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای بدلیل توربولانس جریان درصد بسیار کمی رسوب گذاری دارد.

مبدل‌های صفحه‌ای بصورت ویژه‌ای فشرده هستند و در نرخ انتقال حرارت حرارت مشابه فضای محدودتری در مقایسه با مبدل‌های لوله دارد ضمن اینکه حجم کم و وزن کمتر و به طبع آن هزینه‌های کمتر در ساخت و بهره برداری و نگهداری را به همراه دارد. البته این نوع مبدل مانند همه تجهیزات صنعتی دارای محدودیتهائی هستند.

محدودیتها

حداکثر فشار کارکرد ۲۵ بار و در موارد کاملاً خاص حداکثر ۳۰ بار

• حداکثر دما و با واشرهای مخصوص حداکثر
• حداکثر دبی جریان
• سطح انتقال حرارت
• ضریب انتقال حرارت
• واشرهای لاستیکی محدودیت در حداکثر دمای قابل دستیابی و فشار کارکرد و نوع سیال را برای طراحی این نوع مبدل‌ها ایجاد می‌کند. ضمناً هندسه پیچیده کانالهای جریان باعث افزایش ضریب اصطکاک در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای می‌شوند.

علت اصلی عدم پیشرفت استفاده از این نوع مبدل‌های در صنایع محدودیت ساخت صفحات بزرگ به جهت محدودیت در پرسکاری و ساخت صفحات می‌باشد. که عملاً مبدل‌های حرارتی با اندازه‌های بیشتر از قابل ساخت نیستند یعنی در واقع بصرفه هم نیستند. دبی‌های بزرگ جریان باعث افت فشارهای اضافی خواهد شد که از این منظر باعث محدودیت در ظرفیت گرمائی می‌شود که در مرتبه بالاتر طراحی واشرها به ترتیبی نیست که در فشارو دماهای بالاتر بتوان از این نوع مبدلها سود جست.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای را نمی‌توان برای کولینگ هوا استفاده کرد و حتی برای تبادل حرارت در کوپلهای هوا-هوا و یا گاز-گاز نیز مناسب نیستند ضمناً سیالاتی با لزجت بالا بویژه وقتی خنک کاری مورد نظر باشد با توجه به اثرات توزیع جریان در این نوع مبدلها ناکارآمد جلوه می‌کنند. ضمناً سرعتهای کم جریان سیال کمتر از، ضرایب کوچک انتقال حرارت و به تبع آن بازدهی غیر بهینه را در مبدلهای صفحه‌ای ایجاد می‌کند که به همین علت در سرعتهای کمتر از نمی توان از این نوع مبدلها سود جست.

مبدلهای حرارتی صفحه‌ای برای انجام کندانس خیلی مناسب نیستند که این مورد بخصوص در مورد بخارها در خلا نسبی صدق می‌کند زیرا فاصله‌های باریک صفحات و توربولانس ایجاد شده باعث بوجود آمدن افت فشارهای قابل ملاحظه‌ای در سمت بخار می‌شود. هرچند با توجه به پیشرفتهای حاصل شده در حال حاضر مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای با طراحی‌های ویژه را می توان در سیستم‌های تبخیر و کندانس نیز استفاده کرد. مسیرها و چیدمان جریان

واژه مسیر یا گذرگاه (passage) در مبدل‌های حرارتی صفحه ای به دسته‌ای از کانالها گفته می‌شود که در آنها جهت جریان یکسان باشد. شکل ذیل چیدمان تک مسیری را که بنام چیدمان "U"و "Z" اطلاق می‌شود را مشاهده می‌کنید که هر چهار دهنه ورودی و خروجی در صفحه سر همگرا هستند (fixed-head plate) که این خاصیت امکان دمونتاژ مبدل را برای تعمیر و نگهداری بدون ایجاد مشکل در سیستم لوله کشی خارجی آن را فراهم می‌کند ضمناً در این نوع چیدمان توزیع جریان توربولانس تر از چیدمان نوعZ می‌باشد.

چیدمان چند مسیره شامل مسیرهای متصل شده بشکل سری هستند که در شکل زیر چیدمان شکل بندی با دو مسیر و سه یا چهارکانال نمایش می‌دهند که باختصار آنرا و یا می نامند. این سیستم بجز صفحه مرکزی که در آن جریان هم جهت روان است دارای جریان مخالف جهت می‌باشد.

شکل زیر سیستم جریان دو مسیر –یک مسیر (شکل بندی نوع ۱/۲) را نشان می دهد که در آن یک سیال در مسیر خط چین و سیال دیگر در دو مسیر خط توپر جریان دارد. در این نوع چیدمان نیمی از مبدل دارای جریان مخالف و نصف دیگر دارای جریان هم جهت می‌باشد که از آن به عنوان سیستم نامتقارن نام برده می‌شود و اگر یکی از سیالهای مورد استفاده دارای دبی حجمی بزرگتر از دیگری و یا افت فشار مجاز کوچکتر از جریان دیگر باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چیدمانهای چند مسیره همیشه باید ورودی و خروجی مبدل در هر دو سر ثابت و متحرک وجود داشته باشد .معمولاً تعداد مسیرها، تعدادکانالها (مسبر جریان در دوصفحه مجاور )به ازای هر مسیر، برای دو سیال یکسان و بصورت متقارن باشد.

توزیع غیرمتقارن در هر سیستم با کانالهای متصل بهم منجمله مبدل‌های صفحه‌ای می تواند مشکل آفرین باشد که مسئله باید در طراحی این نوع سیستمهای حرارتی بسیارمورد توجه قرار گیرد.

سطوح کاربرد و استفاده مبدل‌های حرارتی صفحه ای

مبدل‌های حرارتی صفحه ای با داشتن مشخصات خاص بطور گسترده ای در صنایع غذائی مورد استفاده قرار می گیرند که به دلیل همین خاصیت یعنی تعمیر و نگهداری آسان و تمیز کاری بسیار راحتر دامنه نفوذ خود را حتی تا صنعت خودرو سازی نیز گسترش داده است . کاربردهای عمومی مبدل‌های حرارتی صفحه ای اصولاً در شرایط فازی مایع – مایع و جریانهای توربولانس می باشد. از موارد بسیار مهم استفاده