هرآنچه که باید درمورد مبدل های حرارتی صفحه ای بدانید!!

۲۲ مهر ۱۳۹۷
(رای شما: 0)
در این مطلب به مبدل های حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchangers) پرداخته شده است. به این نوع مبدل با عباراتی نظیر PHE, PHX, HX, HEX نیز اشاره می شود.

در این مطلب می خوانید:

مبدل حرارتی صفحه ای

اجزای اصلی مبدل های صفحه ای

نحوه عملکرد مبدل های صفحه ای

انواع لوله کشی در مبدل های صفحه ای

انواع مختلف مبدل های صفحه ای
 

مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger)

مبدل های حرارتی صفحه ای بسیار پر استفاده هستند. از موارد معمول استفاده از این مبدل ها، سیستم های مکانیکی مانند سیستم تهویه مطبوع در ساختمان ها است. از دلایل محبوبیت این مبدل می توان به حجم کم، راندمان بالا، سرویس آسان و همچنین نیاز به نگهداری پایین اشاره کرد.

هدف از این مبدل ها، انتقال حرارت از یک سیال به سیالی دیگر درون یک سیستم است بدون این که دو سیال باهم مخلوط شوند. برای مثال، در سیستم گرمایش ساختمان، وقتی بخواهیم گرما را از چرخه اولیه متصل به بویلر (Boiler) به چرخه ثانویه مجزا منتقل کنیم، یا در صنعت تولید هنگامی که بخواهیم روغن داغ را توسط آب سرد کنیم بدون اینکه آب و روغن مخلوط شوند، از مبدل حرارتی صفحه ای استفاده می شود.

اجزای اصلی مبدل صفحه ای

در شکل1 مدل انفجاری یک مبدل صفحه ای در محیط سه بعدی و اجزای اصلی آن نشان داده است. اجزای اصلی عبارتند از:

  • صفحه های ابتدایی و انتهایی (Back and Front Covers): این صفحه ها معمولا از جنس فولاد و بسیار مقاوم هستند زیرا باید تمام اجزا را در کنار هم محکم نگه دارند.
  • مهره ها (Nuts): مهره ها به پیچ های محکم کننده (Bolts) بسته می شوند. این پیچ ها که از داخل سوراخ های صفحه های ابتدایی و انتهایی عبور می کنند، در تمام طول مبدل ادامه دارند و تمام صفحه(Plate)ها و واشرهای آب بندی (Gasket) را در کنار یک دیگر محکم می کنند که باعث آب بند شدن دستگاه می شود.
  • صفحه ها (Plates): عملیات انتقال حرارت از طریق این صفحه ها انجام می گیرد.
  • واشرها (Gaskets): واشرها در بین صفحه ها قرار می گیرند و باعث آب بند شدن سیستم می شوند.

شکل1 اجزای اصلی یک مبدل حرارتی صفحه ای

شکل 1: اجزای اصلی یک مبدل حرارتی صفحه ای

جنس صفحه ها به سیالی که قرار است بر روی آن جریان یابد بستگی دارد اما معمولا از جنس فولاد یا تیتانیوم هستند. همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود، شیارهایی به صورت یک الگو بر روی آن نقش بسته است. این شیارها باعث افزایش مقاومت صفحه، که خود به دلیل نازکی زیاد مقامتی کمی دارد، و همچنین افزایش انتقال گرما به وسیله ی افزایش سطح انتقال حرارت و آشفته شدن جریان (Turbulent Flow) با عبور از روی آن ها، می شوند.

شکل2 نمایی از یک صفحه بهکار رفته در مبدل صفحه ای

شکل 2: نمایی از یک صفحه به کار رفته در مبدل صفحه ای

در شکل 3 واشرهای به کار رفته در مبدل مشاهده می شود. این واشرها روی صفحه ها قرار می گیرند و هدف از آن ها اطمینان از عدم نشتی و جلوگیری از ورود جریان داخل لوله به درون صفحه و برعکس است. واشرها معمولا از جنس لاستیک هستند.

شکل3 واشرهای آببندی که روی صفحات قرار میگیرند

شکل 3: واشرهای آب بندی که روی صفحات قرار می گیرند

نکته ی جالب توجه در مورد پیچ های نگه دارنده این است که از دو طرف صفحات ابتدایی و انتهایی امتداد دارند. این عمل به چند دلیل اتفاق می افتد. اولین دلیل، قابلیت انجام تعمیرات و ... بر روی صفحات بدون نیاز به از هم پاشیدن مبدل، با دورکردن آنها از یک دیگر در امتداد این پیچ هاست. دومین دلیل، توانایی زیاد کردن صفحات در آینده در صورت نیاز به افزایش ظرفیت مبدل حرارتی است.

نحوه عملکرد مبدل حرارتی صفحه ای

همانطور که در شکل 2 مشاهده شد، هر صفحه دارای چهار سوراخ است که جریان سیال از آن ها وارد یا خارج می شود. در هر صفحه تنها از دو حفره استفاده می شود، به این صورت که جریان از یک حفره وارد شده و پس از عبور از روی سطح صفحه از حفره دیگر خارج می شود. دو حفره ی دیگر از صفحه توسط واشرها آب بندی می شوند و جریانی از آن ها وارد یا خارج نمی شود. دو حفره ای که مورد استفاده قرار می گیرند معمولا دو حفره سمت چپ یا دو حفره سمت راست هستند.

مطابق شکل 4، برای انجام عمل انتقال حرارت بین جریان سرد و گرم، صفحه ها به صورت یکی در میان جریان گرم یا سرد دارند. جریان سرد و گرم روی صفحه ها در جهت عکس یکدیگر می باشد، یعنی اگر جریان سرد روی صفحه از سمت بالا وارد شده و از سمت پایین خارج شود، در صفحه کناری آن جریان گرم از پایین وارد شده و از بالا خارج خواهد شد.

کلید جریان یکی در میان در صفحه ها، واشرهای آب بندی است. با برعکس قراردادن واشرها در صفحات کنار هم، جریان می تواند وارد یک صفحه شود اما در صفحه بعدی آن با مانع مواجه شده و از آن صفحه عبور می کند و وارد صفحه ی بعدی می شود.

در حین عبور جریان ها از کنار یکدیگر، گرما از جریان گرم و از طریق صفحه حایل به جریان سرد منتقل می شود.

شکل4 نحوهی جریان سیال سرد و گرم در داخل مبدل صفحه ای

شکل 4: نحوه ی جریان سیال سرد و گرم در داخل مبدل صفحه ای

انواع لوله کشی در مبدل صفحه ای

چند روش مختلف برای لوله کشی جریان سیالات در درون مبدل حرارتی صفحه ای وجود دارد. در شکل 5 روشی معمول تر برای جریان ها مشاهده می شود و روشی است که در این مطلب به آن پرداخته می شود.

در این شیوه هر دو جریان سرد و گرم از سمت صفحه ابتدایی وارد شده و پس از جریان یافتن درون کانال های مبدل، از همان سمت نیز خارج می شوند.

شکل5 نوع معمول جریان در مبدل حرارتی صفحه ای

شکل 5: نوع معمول جریان در مبدل حرارتی صفحه ای

در روش دیگر، مطابق شکل 6، یکی از سیال ها از سمت صفحه ابتدایی وارد شده و پس از جریان یافتن درون کانال ها، از سمت صفحه انتهایی مبدل خارج می شود و سیال دیگر مسیری دقیقا برعکس را طی می کند.

شکل6 نوع دیگر جریان در مبدل صفحه ایشکل 6: نوع دیگر جریان در مبدل صفحه ای

دلیل استفاده بیشتر از روش اول این است که در صورتی که بخواهیم تعداد صفحات را افزایش دهیم، تغییری در لوله کشی ایجاد نمی شود، درحالی که در روش دوم برای افزایش صفحات لازم است که لوله کشی باز شده و دوباره بسته شود که باعث صرف وقت و هزینه خواهد شد. بنابراین روش اول عملی تر است و در نمونه های واقعی معمولا این روش به چشم می خورد.

انواع مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل های حرارتی صفحه ای به 4 دسته کلی تقسیم می شوند:

  1. مبدل صفحه ای با واشر آب بندی (Gasket Plate Heat Exchanger)
  2. مبدل صفحه ای لحیمی (Brazed Plate Heat Exchanger)
  3. مبدل های صفحه ای میکرو (Micro Plate Heat Exchanger)
  4. مبدل حرارتی جوشی (Welded Plate Heat Exchanger)

مبدل صفحه ای با واشر آب بندی

در این مبدل ها از واشر آب بندی در بین صفحات استفاده می شود که در بالا به طور کامل توضیح داده شد. از مزایا و معایب این مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا:

  • می توان برای تمیز کردن و تعمیرات آن را باز کرد.
  • ظرفیت گرمایی یا سرمایی آن می تواند تغییر کند.
  • اجزای آسیب دیده می توانند جایگزین شوند.

معایب:

  • نشتی در آن ها کم است اما می تواند از قسمت واشرها رخ دهد.
  • نسبت به مبدل های پوسته-تیوب (Shell and Tube Heat Exchangers) افت فشار بیشتری دارند.

مبدل صفحه ای لحیمی

در این مبدل، صفحه ها به یکدیگر لحیم شده اند و واشری در آن استفاده نشده است. این مبدل معمولا در کاربردهای با ظرفیت کم مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه در سال های اخیر نمونه های بزرگی از این مبدل ساخته شده که می تواند در ظرفیت های بالا نیز مورد استفاده قرار گیرد. از نمونه کاربرد این مبدل، استفاده در پمپ های گرمایی برای انتقال حرارت بین جریان های سیال اولیه و ثانویه در سیستم است. از مزایا و معایب این مبدل می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا:

  • احتمال نشتی در آن کم است
  • راندمان اندکی بیشتر از نوع واشری
  • حجم کمتر نسبت به مبدل واشری

معایب:

  • سخت تر بودن عملیات تمیزکاری.
  • در صورت آسیب دیدن هر قطعه، کل سیستم باید تعویض شود.

شکل7 مبدل حرارتی لحیمیشکل7 مبدل حرارتی لحیمی

مبدل های صفحه ای میکرو (Micro Plate Heat Exchanger):

این مبدل در دو نوع واشری و لحیمی ساخته می شود. تا به امروز بیشترین راندمان در بین انواع مبدل های صفحه ای مربوط به مدل میکرو است. وجه تمایز این مبدل با سایر انواع، این است که در صفحه های این مبدل به جای وجود شیار، فرورفتگی های کوچکی مانند شکل 8 ایجاد شده است که باعث راندمان بالای این مبدل می شود.

دلیل این امر این است که این فرورفتگی ها باعث می شود جریان یکنواخت تری بر روی صفحه ایجاد شود و در نتیجه سطح انتقال حرارت افزایش یابد. همچنین باعث آشفته تر شدن جریان و افزایش نرخ انتقال حرارت نیز می شود.

از مزایا و معایب این مبدل می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا:

  • دارا بودن حجم و وزن کمتر نسبت به سایر انواع با ظرفیت مشابه
  • جریان سیال مورد نیاز کمتر
  • نرخ انتقال حرارت بالاتر

معایب:

  • تمیزکاری سخت
  • ظرفیت ثابت
  • در صورت آسیب دیدن هر قطعه، کل سیستم باید تعویض شود

شکل8 نمایی از صفحه میکرو بهکار رفته در یک مبدل لحیمی

شکل 8: نمایی از صفحه میکرو به کار رفته در یک مبدل لحیمی

مبدل حرارتی جوشی (Welded Plate Heat Exchanger):

در این نوع مبدل، صفحه ها به یکدیگر جوش داده شده اند. محفظه (Case) مبدل می تواند برای انجام تعمیرات باز شود. به دلیل جوش خوردن صفحه ها به یک دیگر امکان تغییر در تعداد آن ها وجود ندارد و به همین دلیل دارای ظرفیت ثابت هستند.

از طرفی امکان نشتی در این مبدل کمتر است و توانایی تحمل فشار و دمای بالاتر را دارد. این ویژگی ها باعث شده که از این مبدل معمولا در کاربردهای سنگین استفاده شود.

شکل9 نمایی از یک مبدل حرارتی جوشی در حالت باز شده

منابع:

دانشنامه ویکی پدیا، 2018

Home Page:http://www.wikipedia.org/plate heat exhcnagers, 2018

 Xchangermechanical،2018

Home Page:http://www.xchangermechanical.com, 2018

http://www.youtube.com/ Plate heat exchanger, 2018

مطالب مرتبط:

آشنایی با مبدل های حرارتی و انواع آن ها

user photo

محمدسینا فریقی

دیدگاه ها

اولین نفری باشید که نظر خود را ثبت می کند…