مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای چیست؟

مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate heat exchanger) نوعی مبدل حرارتی است که با استفاده از تعداد زیادی صفحات فلزی نازک، موجب تبادل حرارت بالا بین دو سیال گرم و سرد می‌شود. این مبدل‌ها از مزایای زیادی برخوردارند، از جمله:

ضرایب بالاتر انتقال حرارت

کامپکت بودن و اشغال فضای کمتر

قابلیت استفاده در دما و فشارهای مختلف

انعطاف‌پذیری ساختار مبدل نسبت به تغییر شرایط کاری

اتلاف حداقلی حرارت

تعمیر و نگهداری آسان

اساس عملکرد این نوع مبدل به این شکل است که از دو جهت مخالف سیال سرد و گرم وارد مبدل می‌شوند. سیالات وارد شده به صورت یکی در میان بین صفحات فلزی جریان می‌یابند و با یکدیگر تبادل گرما می‌کنند. صفحات فلزی به شکل چین‌دار هستند تا سطح تماس با سیالات را افزایش دهند و همچنین جریان سیالات را به صورت توربولانسی کنند. این امر باعث می‌شود که ضریب انتقال حرارت افزایش یابد و افت فشار کمتر شود

مبدل حرارتی صفحه ای در بین سایر مبدل ها نوین تر بوده و پرکاربرد تر است. این مبدل به سبب سطوح نازک فلزی که دارد تبادل حرارت را بین دو سیال سرد و گرم راحت تر انجام می دهد. این صفحات نازک، الگویی خاص دارند که باعث می شود آشفتگی در جریانات اتفاق افتد و در نتیجه ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد. همچنین سایز این مبدل ها 3 الی 5 برابر کوچکتر از مبدل های پوسته و لوله است.

انواع مبدل حرارتی صفحه ای عبارتند از :

مبدل حرارتی صفحه ای را می‌توان بر اساس نوع اتصال صفحات به یکدیگر و نوع جریان سیال ها به چند دسته تقسیم کرد:

مبدل حرارتی صفحه ای و گسکت دار (Gasketed Plate Heat Exchanger)

این نوع مبدل حرارتی از مبدل های رایج و پرکاربرد است که در آن صفحات با استفاده از گسکت های الاستیک به یکدیگر متصل می‌شوند. گسکت ها از جنس لاستیک یا پلاستیک هستند و در حاشیه صفحات قرار می‌گیرند. گسکت ها باعث می‌شوند که سیال ها از یکدیگر جدا شوند و فقط با سطح صفحات تماس داشته باشند. گسکت ها همچنین از نشت سیال ها جلوگیری می‌کنند و باعث می‌شوند که سیال ها به صورت متقاطع (Cross Flow) یا مخالف (Counter Flow) جریان داشته باشند. مزیت این نوع مبدل حرارتی این است که می‌توان تعداد و ترتیب صفحات را تغییر داد و به طور متناسب با نیازهای حرارتی تنظیم کرد. همچنین می‌توان صفحات را برای تمیز کردن یا تعویض گسکت ها باز کرد. عیب این نوع مبدل حرارتی این است که گسکت ها ممکن است با زمان یا تحت شرایط حرارتی و شیمیایی خاص خراب شوند و نیاز به تعویض داشته باشند. همچنین این نوع مبدل حرارتی برای فشارها و دماهای بالا مناسب نیست.

مبدل حرارتی صفحه ای جوشکاری شده (Welded Plate Heat Exchanger)

این نوع مبدل حرارتی از مبدل های جدیدتر است که در آن صفحات با استفاده از جوشکاری به یکدیگر متصل می‌شوند. در این نوع مبدل حرارتی، نیازی به گسکت نیست و صفحات به صورت مستقیم با یکدیگر جوش خورده می‌شوند. این باعث می‌شود که مبدل حرارتی بتواند تحت فشارها و دماهای بالاتر کار کند و مقاومت بیشتری در برابر سایش و خوردگی داشته باشد. همچنین این نوع مبدل حرارتی دارای اندازه کوچکتر و وزن کمتری نسبت به مبدل های صفحه ای و گسکتی است.عیب این نوع مبدل حرارتی این است که نمی‌توان صفحات را برای تمیز کردن یا تعویض جوش باز کرد و باید کل مبدل را تعویض کرد. همچنین این نوع مبدل حرارتی برای سیال های آلوده یا خورنده مناسب نیست.

مبدل حرارتی صفحه ای نیمه جوشی (Semi-Welded Plate Heat Exchanger)

این نوع مبدل حرارتی از ترکیبی از مبدل های صفحه ای واشردار و جوشی تشکیل شده است. در این نوع مبدل حرارتی، هر دو صفحه مجاور به یکدیگر جوش خورده می‌شوند و یک کانال بسته برای جریان یکی از سیال ها ایجاد می‌کنند. این کانال ها با استفاده از گسکت ها به یکدیگر متصل می‌شوند و کانال های دیگری را برای جریان سیال دیگر ایجاد می‌کنند. این نوع مبدل حرارتی برای سیال هایی مناسب است که یکی از آن ها فشار بالا یا دما بالا داشته باشد یا خورنده باشد و یا نیاز به تمیز کردن داشته باشد. مزیت این نوع مبدل حرارتی این است که می‌توان از جوشکاری برای افزایش مقاومت و از گسکت برای افزایش انعطاف پذیری استفاده کرد. عیب این نوع مبدل حرارتی این است که هزینه بیشتری نسبت به مبدل های صفحه ای واشردار دارد و نیاز به تعویض گسکت ها دارد.

مطالعه بیشتر: مبدل حرارتی صفحه و پوسته

اجزای تشکیل دهنده ی مبدل حرارتی صفحه ای

فریم ثابت (Fixed frame): قطعه‌ای است که صفحات فلزی را در بر می‌گیرد و به دیوار یا پایه‌ای متصل می‌شود.

فریم متحرک (Movable frame): قطعه‌ای است که از طرف دیگر صفحات فلزی را فشرده می‌کند و با پیچ‌های محکم‌کننده تنظیم می‌شود.

صفحات تبادل حرارت (Heat transfer plates): قطعات فلزی نازکی هستند که به شکل چین‌دار بوده و دارای واشرهای آب‌بندی هستند. این صفحات به صورت یکی در میان بین دو سیال قرار می‌گیرند و از طریق گوشه‌های خود به یکدیگر متصل می‌شوند.

واشرهای آب‌بندی (Gaskets): قطعات الاستیکی هستند که بر روی صفحات فلزی قرار می‌گیرند و جلوی نشت سیالات را می‌گیرند. این واشرها از مواد مختلفی ساخته می‌شوند، بسته به نوع سیال و دمای کاری.

پیچ‌های محکم‌کننده (Tightening bolts): قطعاتی هستند که فریم متحرک را به فریم ثابت متصل می‌کنند و با تنظیم فشار آنها، میزان فشردگی صفحات فلزی را تعیین می‌کنند.

میله‌های راهنما (Guide bars): قطعاتی هستند که از بالا و پایین فریم‌ها قرار می‌گیرند و صفحات فلزی را در جای خود نگه می‌دارند.

پایه نگهدارنده (Support column): قطعه‌ای است که فریم ثابت را به دیوار یا پایه‌ای متصل می‌کند و از تغییر شکل آن جلوگیری می‌کند

واشرها در مبدل حرارتی صفحه ای چه نقشی دارند ؟

وظیفه ی واشرها در این نوع مبدل این است که از مخلوط شدن سیالات گرم و سرد جلوگیری کند. این واشر ها تنها در یک سمت صفحه ها چسبانده می شوند و صفحات از میله ای آویزان شده و به وسیله ی پیچ هایی محکم بسته می شوند. این میله ها سبب می شوند تا زمانی که پشته ی صفحه باز و بسته می شود، صفحات همتراز شوند.

بطور کلی مبدل حرارتی صفحه ای از دو پوشش ثابت و متحرک در انتهای پشته ی صفحه تشکیل می شود که به آنها پ فریم ثابت و متحرک نیز می گویند. دریچه های ورودی و خروجی فقط روی پوشش ثابت قرار می گیرند.

نحوه کار مبدل حرارتی صفحه ای

زمانی که می خواهیم از مبدل حرارتی صفحه ای استفاده کنیم دو سیال سرد و گرم به جریان می افتند. سیال گرم به وسیله ی سیال خنک، سرد شده و در نتیجه انتقال صورت می گیرد. سیال گرم از ورودی گرم وارد مبدل شده و به واسطه ی واشرها طوری هدایت می شود تا با سیال سرد برخوردی نداشته باشد. الگوی واشری هر صفحه به نسبت صفحات دیگر متفاوت خواهد بود. این فرآیند جریان گرم تا زمانی ادامه پیدا می کند تا هر دو جفت صفحه توسط سیال گرم، پر شوند.

در مبدل حرارتی صفحه ای زمانی که سیال گرم از طریق ورودی گرم وارد شد حالا نوبت وارد شدن سیال سرد است. سیال سرد به وسیله ی واشر ها به فضایی وارد می شود که در آن سیال گرمی وجود نداشته باشد. بدین ترتیب مبدل پر از جریانات سرد و گرم می شود. هر سیال از درگاه خروجی خود خارج می شود و مجددا این فرآیند تکرار خواهد شد. هر دو سیال به صورت پیوسته در کنار هم در حال جریان می باشند و انتقال حرارت انجام می پذیرد. (سیال گرم و سرد هیچ وقت با یکدیگر مخلوط نمی شوند. هر کدام در فضایی که برای آن ها تعریف می شود، در جریان هستند.)

الگوی جابجایی سیال گرم و سرد بدین شکل است که سیال گرم صفحه را گرم می کند. این گرما به وسیله ی سیال سرد جذب می شود و سیال سرد دمای بیشتری را پیدا می کند. بنابراین سیال گرم دچار افت حرارت و سیال سرد دچار افزایش حرارت می شود.

مزایا و معایب مبدل صفحه ای

در ابتدا به بیان مزایای مبدل حرارتی صفحه ای می پردازیم :

• این مبدل به نسبت مبدل حرارتی پوسته و لوله و مبدل حرارتی هوا خنک کارآمد تر بوده و از وزن و سایز کوچک تری برخوردار است.
• پوسته پشتی به راحتی باز و بسته می شود؛ به همین دلیل تمیز کاری و جایگزینی قطعات کار ساده ای خواهد بود.
• این مبدل ها برای جداسازی نیاز به فضای اضافی ندارند.

معایب مبدل حرارتی صفحه ای نیز به شرح زیر است :

• این مبدل ها به نسبت سایر مبدل ها گران قیمت تر است.
• در صورت بروز نشتی به دلیل وجود واشر نشت دار، پیدا کردن صفحه ی نشت دار کار آسانی نخواهد بود.
• تعویض واشرها اغلب کاری دشوار و امکان ناپذیر است. بنابراین در صورت بروز مشکل در واشرها، مبدل باید به سازنده مرجوع شود.
• به دلیل وجود فضای خالی بین صفحات، امکان ایجاد شدن رسوبات در این فضاها بسیار زیاد خواهد بود.
• در صورتی که نیاز باشد پشته ی صفحه باز و بسته شود، اگر در هنگام بستن پیچ ها بیش از حد محکم شوند سبب خرد شدن صفحه شده و کارایی مبدل بطور کامل از بین می رود.
• این مبدل برای جریاناتی با فشار بالا مناسب نیستند زیرا به دلیل فشار زیاد واشرها از جای خود خارج می شوند و سیال ها با هم ترکیب می شوند.

فرایند طراحی و تولید مبدل حرارتی صفحه ای

طراحی و تولید مبدل حرارتی صفحه ای

مراحل طراحی و تولید مبدل حرارتی صفحه‌ای به شرح زیر است:

۱- مشخص کردن شرایط عملیاتی: در این مرحله، پارامترهای مهمی مانند جنس سیالات، دما، فشار، جریان، ضریب انتقال حرارت، ضریب هدایت حرارتی، گرانروی و چگالی سیالات مشخص می‌شوند. این پارامترها تأثیر بسزایی بر روی انتخاب نوع مبدل، جنس صفحات، تعداد صفحات، ضخامت صفحات، هندسه صفحات و ترتیب جریان دارند.

۲- انتخاب نوع مبدل: بر اساس شرایط عملیاتی، نوع مبدل حرارتی صفحه‌ای انتخاب می‌شود. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به دو نوع اصلی واشردار (Gasketed) و جوشی (Brazed) تقسیم می‌شوند. مبدل‌های واشردار دارای واشرهایی هستند که بین صفحات قرار می‌گیرند و از نشت سیالات جلوگیری می‌کنند. این نوع مبدل‌ها قابلیت باز و بسته شدن دارند و برای سیالاتی که دما و فشار کمتری دارند مناسب هستند. مبدل‌های جوشی دارای صفحاتی هستند که با جوشکاری به یکدیگر متصل شده‌اند و بدون واشر هستند. این نوع مبدل‌ها برای سیالاتی که دما و فشار بالاتری دارند مناسب هستند.

۳- انتخاب جنس صفحات: جنس صفحات مبدل حرارتی صفحه‌ای باید با توجه به خواص سیالات، دما، فشار، مقاومت مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی انتخاب شود. معمولاً از فولاد ضد زنگ (Stainless Steel)، آلومینیوم (Aluminum)، مس (Copper)، تیتانیوم (Titanium) و نیکل (Nickel) برای ساخت صفحات استفاده می‌شود.

۴- انتخاب تعداد و ضخامت صفحات: تعداد و ضخامت صفحات مبدل حرارتی صفحه‌ای باید با توجه به مقدار حرارتی که باید منتقل شود، فشار کاری، سطح انتقال حرارت و هزینه تولید محاسبه شود. افزایش تعداد و کاهش ضخامت صفحات باعث افزایش سطح انتقال حرارت و کاهش هزینه مواد می‌شود اما همچنین باعث افزایش فشار افت و هزینه نگهداری می‌شود.

۵- انتخاب هندسه صفحات: هندسه صفحات مبدل حرارتی صفحه‌ای شامل شکل، اندازه، جهت و فاصله یوجه‌ها (Corrugations) است. یوجه‌ها باعث ایجاد جریان متقاطع (Cross Flow) و افزایش ضریب انتقال حرارت می‌شوند. انتخاب هندسه صفحات باید با توجه به نوع سیالات، جریان، فشار افت و هزینه تولید انجام شود.

۶- انتخاب ترتیب جریان: ترتیب جریان مبدل حرارتی صفحه‌ای می‌تواند موازی (Parallel Flow)، متقابل (Counter Flow) یا متقاطع (Cross Flow) باشد. در جریان موازی، دو سیال از یک طرف وارد مبدل شده و از طرف دیگر خارج می‌شوند. در جریان متقابل، دو سیال از دو طرف مخالف وارد مبدل شده و از دو طرف مخالف خارج می‌شوند. در جریان متقاطع، دو سیال از دو طرف عمود بر هم وارد مبدل شده و از دو طرف عمود بر هم خارج می‌شوند. انتخاب ترتیب جریان باید با توجه به دمای ورودی و خروجی سیالات، ضریب انتقال حرارت و فشار افت انجام شود.
۷- تولید قطعات: در این مرحله، صفحات مبدل حرارتی صفحه‌ای با استفاده از روش‌های مختلفی مانند برش، خم، جوشکاری، پانچ و امباس تولید می‌شوند. جنس، شکل، اندازه و یوجه‌های صفحات باید با توجه به نوع مبدل، شرایط عملیاتی و استانداردهای مربوطه انتخاب شوند. همچنین، سوراخ‌هایی برای اتصال صفحات به یکدیگر و به پایه‌های نگهدارنده و برای عبور سیالات در صفحات در نظر گرفته می‌شوند.

۸- مونتاژ اجزا: در این مرحله، صفحات مبدل حرارتی صفحه‌ای به ترتیب جریان مورد نظر روی هم قرار داده می‌شوند و با استفاده از واشرها، پیچ‌ها، مهره‌ها و پایه‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند. این مرحله باید با دقت و توجه به تنظیم فشار واشرها، تراز بودن سوراخ‌ها و جلوگیری از نشت سیالات انجام شود.

۹- آزمایش و کنترل کیفی: در این مرحله، مبدل حرارتی صفحه‌ای آزمایش‌های مختلفی را برای اطمینان از عملکرد صحیح، ایمنی، مقاومت و بازدهی آن می‌گذراند. این آزمایش‌ها شامل آزمایش فشار، آزمایش نشت، آزمایش حرارتی، آزمایش خوردگی و آزمایش مکانیکی هستند. هرگونه نقص یا ایرادی که در این مرحله مشاهده شود، باید رفع و یا جایگزین شود.

۱۰- بسته‌بندی و حمل و نقل: در این مرحله، مبدل حرارتی صفحه‌ای برای ارسال به مشتری یا محل نصب، بسته‌بندی و حمل و نقل می‌شود. بسته‌بندی باید به گونه‌ای باشد که از صدمه دیدن مبدل در طول حمل و نقل جلوگیری کند. همچنین، برچسب‌ها، مدارک و دستورالعمل‌های لازم باید همراه مبدل ارائه شوند.

مواد اولیه مبدل حرارتی

مواد اولیه مبدل حرارتی صفحه‌ای باید با توجه به خواص سیالات، دما، فشار، مقاومت مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی انتخاب شوند. معمولاً از فولاد ضد زنگ (Stainless Steel)، آلومینیوم (Aluminum)، مس (Copper)، تیتانیوم (Titanium) و نیکل (Nickel) برای ساخت صفحات استفاده می‌شود. این مواد دارای خواصی همچون مقاومت در برابر حرارت و فشار، ضریب گرمایی مناسب و دوام بالا هستند.

فولاد ضد زنگ یکی از مواد رایج برای ساخت مبدل حرارتی صفحه‌ای است. این ماده دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی، اکسیداسیون، سایش و تنش حرارتی است. همچنین، فولاد ضد زنگ قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری خوبی دارد. فولاد ضد زنگ برای سیالاتی که دما و فشار متوسط یا کم دارند مناسب است.

آلومینیوم یکی دیگر از مواد مورد استفاده برای ساخت مبدل حرارتی صفحه‌ای است. این ماده دارای وزن سبک، هدایت حرارتی بالا، قیمت پایین و قابلیت بازیافت خوبی است. آلومینیوم برای سیالاتی که دما و فشار کم دارند مناسب است.

مس یکی از مواد قدیمی و محبوب برای ساخت مبدل حرارتی صفحه‌ای است. این ماده دارای هدایت حرارتی بسیار بالا، مقاومت کم الکتریکی، قیمت مناسب و قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری خوبی است. مس برای سیالاتی که دما و فشار کم یا متوسط دارند مناسب است.

تیتانیوم یکی از مواد پیشرفته و گران‌قیمت برای ساخت مبدل حرارتی صفحه‌ای است. این ماده دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی، حرارت، فشار و سایش است. همچنین، تیتانیوم دارای وزن سبک، هدایت حرارتی متوسط و قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری خوبی است. تیتانیوم برای سیالاتی که دما و فشار بالا دارند مناسب است.

نیکل یکی از مواد نادر و گران‌قیمت برای ساخت مبدل حرارتی صفحه‌ای است. این ماده دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی، حرارت، فشار و سایش است. همچنین، نیکل دارای هدایت حرارتی بالا، مقاومت الکتریکی کم و قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری خوبی است. نیکل برای سیالاتی که دما و فشار بسیار بالا دارند مناسب است.

فناوری تولید مبدل حرارتی صفحه ای

فناوری تولید این مبدل ها، یکی از مهمترین تکنولوژی های مرتبط با صنعت حرارتی است. این فناوری به کار می‌رود تا حرارت از یک جایگاه به جایگاه دیگر منتقل شود. مبدل حرارتی صفحه ای دارای صفحاتی فلزی است. بین این صفحات فاصله های بسیار کوچکی وجود دارد. این فاصله ها به عنوان کانال های جریانی عمل می کنند و می توانند مواد مختلفی را از جمله آب، بخار، گاز و روغن به صورت همزمان برای انتقال حرارت استفاده کنند.

با استفاده از فناوری تولید مبدل حرارتی صفحه ای، می توان به راحتی حرارت را از یک محیط به محیط دیگر منتقل کرد. این فناوری در صنایع مختلفی مانند صنایع نفت و گاز، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی و دارویی و صنایع خودروسازی به کار می رود. همچنین، این فناوری به دلیل کارایی بالای خود، در صنایع تولید انرژی، تصفیه آب و هوا و همچنین در دستگاه های خنک کننده استفاده می شود.

استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای در صنایع مختلف

مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger) یک دستگاه است که با استفاده از صفحات فلزی، حرارت را بین دو سیال با دماهای متفاوت منتقل می‌کند. این دستگاه دارای مزایایی مانند بازدهی بالا، اندازه کوچک، نگهداری آسان و هزینه کمتر است. مبدل حرارتی صفحه‌ای در صنایع مختلفی کاربرد دارد. برخی از این کاربردها عبارتند از:

صنعت نفت، گاز و پتروشیمی: مبدل حرارتی صفحه‌ای برای تقطیر حلال‌ها و مخلوط‌های چند ماده‌ای، خنک کاری و گرمادهی راکتورها و نگهدارنده محصولات، کولر هیدروکربن‌ها و خنک کاری مدارات آب به کار می‌رود.

صنعت غذایی: مبدل حرارتی صفحه‌ای برای پاستوریزاسیون، ترموپروسسینگ، خنک کاری و گرم کردن مواد غذایی مانند شیر، آبمیوه، روغن، آبجو و غیره به کار می‌رود.

صنعت دارویی: مبدل حرارتی صفحه‌ای برای تولید و فرمولاسیون داروها، استریلیزاسیون، خنک کاری و گرم کردن محلول‌ها و مواد دارویی به کار می‌رود.

صنعت تهویه مطبوع و تبرید: مبدل حرارتی صفحه‌ای برای تبادل حرارتی بین هوا و سیالات خنک کننده، افزایش راندمان سیستم‌های چیلر، فن کویل، برج خنک کننده و پمپ گرمایی به کار می‌رود.

صنعت نساجی، مخابرات و برق: مبدل حرارتی صفحه‌ای برای خنک کاری ماشین‌آلات، دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی، کنترل دمای محیط‌های تولیدی و انتقال حرارت بین مدارهای برقی به کار می‌رود.

استفاده از این نوع در صنایع مختلف، علاوه بر کاهش هزینه‌های تولید، باعث افزایش بازدهی و کیفیت محصول نهایی می‌شود. همچنین با استفاده از این دستگاه، می‌توان از انرژی‌های طبیعی مانند آفتاب و باد برای تولید حرارت استفاده کرد و در نتیجه به حفظ محیط زیست کمک کرد. به طور کلی، استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای به عنوان یکی از اصلی‌ترین دستگاه‌های صنعتی، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

در پایان

یاران قطعه توس خراسان تولید کننده ی انواع مبدل حرارتی بوده و این تجهیزات را به صورت گسترده ای عرضه می کند. مبدل صفحه ای در صنایع گوناگونی مانند :

• صنایع خودروسازی
• صنایع کشتی سازی
• صنایع چوب و کاغذ
• صنایع نساجی
• صنایع غذایی و …. کاربرد دارد.