مبدل حرارتی صفحه ای (PHE) توسط دکتر ریچارد سِلیگمن در سال ۱۹۲۳ اختراع شد و از این طریق انقلاب عظیمی را در سیستم های انتقال حرارت غیر مستقیم در گرمایش و خنک سازی سیالات ایجاد نمود. صفحات با سطوح گسترده، مزیت بزرگی را برای این نوع مبدل ها فراهم می کنند؛ انتقال حرارت بین مایعات در یک سطح وسیع و با راندمان بالا، مهم ترین مزیت عملکردی مبدل حرارتی صفحه ای است. در واقع مبدل حرارتی صفحه ای در هر جایی که انرژی حرارتی (گرما) از یک سیال به مایعات دیگر منتقل شود، استفاده می شود. سیالاتی که انتقال حرارت میان آن ها باید انجام شود، روی سطح این صفحه ها پخش می شوند؛ این روش موجب تسهیل سرعت انتقال گرما و افزایش سرعت تغییر درجه حرارت می گردد. مزیت عمده ی آن این است که در مقایسه با مبدل حرارتی معمولی وجود دارد آن است که مایعات در معرض سطح بسیار بزرگتری قرار می گیرند، زیرا مایعات روی صفحات پخش می شوند و این کار انتقال حرارت را تسهیل می کند و سرعت تغییر دما را بسیار افزایش می دهد. مبدل حرارتی صفحه ای شامل یک پشته از صفحات تبادل گرما تمبر هستند که یا به هم چسبیده اند و یا در یک قاب با واشر پیچش می خورند. مبدل حرارتی صفحه ای شامل یک دسته از صفحات تبادل گرما مهر و موم شده هستند که یا به هم چسبیده اند و یا در یک قاب با واشر به هم پیچ خورده اند.
از دیگر مزیت این مبدل ها این است که بسته به دمای مایع خنک کننده، آن ها می توانند دمای مایعات را در سطح بسیار کم و پایداری حفظ کنند.
مبدل حرارتی صفحه ای یک مبدل ایده آل برای انتقال حرارت میان سیالات در فشار متوسط و پایین است. از مبدل های حرارتی جوشکاری شده، نیمه جوش و مبدل لحیم کاری شده نیز برای انتقال حرارت میان سیالاتی استفاده می شود که فشار بالایی دارند و یا به صورت متراکم و ترکیبی هستند.
مزیت این مبدل ها این است که بسته به دمای مایع خنک کننده، آن ها می توانند دمای مایعات را در سطح بسیار کم و پایداری حفظ کنند. و از دیگر مزیت عمده آن که در مقایسه با مبدل حرارتی معمولی وجود دارد آن است که مایعات در معرض سطح بسیار بزرگتری قرار می گیرند، زیرا مایعات روی صفحات پخش می شوند و این کار انتقال حرارت را تسهیل می کند و سرعت تغییر دما را بسیار افزایش می دهد. مبدل حرارتی صفحه ای شامل یک پشته از صفحات تبادل گرما تمبر هستند که یا به هم چسبیده اند و یا در یک قاب با واشر پیچش می خورند. مبدل حرارتی صفحه ای شامل یک دسته از صفحات تبادل گرما مهر و موم شده هستند که یا به هم چسبیده اند و یا در یک قاب با واشر به هم پیچ خورده اند.
مزایای مبدل حرارتی
مبدل مزایای متعددی دارند:
• مبدل‌های حرارتی صفحه ای، وزن کمتری دارند و نیاز به فضای کمتری دارند. همچنین در مقایسه با دیگر طرح‌های مبدل حرارتی در همین اندازه، کارآمدتر هستند.
• جایگزینی و تمیزکردن صفحات یک کار ساده است، زیرا پشته‌ی صفحه را می توان به راحتی باز کرد.
• برخلاف مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، مبدل‌های حرارتی صفحه ای نیاز به فضای اضافی برای جداسازی ندارند.
معایب مبدل حرارتی صفحه ای
اما مبدل‌های حرارتی صفحه ای معایبی نیز دارند:
• مبدل‌های حرارتی صفحه ای، نسبت به دیگر طرح‌های مبدل حرارتی گران‌قیمت هستند.
• اگر یک واشر نشت‌دار وجود داشته باشد که باعث شود یک سیال با سیال دیگر ترکیب شود، بنابراین پیداکردن صفحه‌ی نشت‌دار اغلب مشکل می‌باشد.
• جایگزینی و تعویض واشرهای صفحه در محل می‌تواند دشوار یا غیرممکن باشد. برخی از واشرهای صفحه باید برای تعویض به تولید کننده بازگردانده شوند که هم زمان و هزینه‌ی زیادی را لازم دارد.
• زمانی که صفحات به هم فشرده می‌شوند تا پشته‌ی صفحه را ایجاد کنند، فاصله و فضای خالی بین هر کدام از صفحات کوچک است و این امر احتمال اشتباه و رسوب و کاهش انتقال حرارت و گرما را بالا می‌برد.
• هنگام سوار کردن دوباره‌ی پشته‌ی صفحه، محکم کردن بیش از حد پیچ‌ها می‌تواند منجر به خرد شدن صفحات شود، به عبارت دیگر به شیارهای صفحه آسیب می‌زد و واشرها را تحت فشار قرار می‌دهد. اگر واشرها تحت فشار قرار گیرند، صفحه دیگر به درستی محکم نخواهد شد.
• مبدل‌های حرارتی صفحه ای برای کاربردهای با فشار بالا مناسب نیستند، چون واشرها به دلیل فشار سیستم از جای خود خارج می‌شوند. به این وضعیت، "در رفتن واشر" گفته می‌شود. با این حال، می‌توان با استفاده از طرح‌های بدون گسکت یا واشر، از این مشکل جلوگیری کرد. این طرح‌ها معمولا از صفحه‌های جوشی استفاده می‌کنند. مبدل‌های حرارتی صفحه ای جوشی برای استفاده در دما و فشار بالاتر و همچنین مواردی که در آن نشت مواد سیال می‌تواند خطرآفرین یا فاجعه‌انگیز باشد، مانند سیال‌های سمی، مناسب می‌باشد.
انواع مبدل های حرارتی صفحه ای به شرح زیر می باشد:
۱- مبدل صفحه ای واشردار (gasketed plate heat exchanger):
مبدل صفحه ای واشردار شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار است که سیال های گرم و سرد را از یکدیگر جدا می کند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما بین آن ها مبادله شود ، یکی در میان فضای صفحات ، جریان یابند.
الگوی صفحات مبدل ها
عمق شیار صفحات مبدل های این شرکت، در دو نوع عمیق (M) و کم عمق (B) و زاویه این شیار ها در دو نوع حاده (L) و منفرجه (H) است.
برای کننرل دما و افت فشار در مبدل، می توان از آرایش های مختلف صفحات استفاده نمود. به نحوی که بتوان دمای خروجی سمت گرم و ورودی سمت سرد (و یا برعکس) را به اندازه یک درجه به یکدیگر نزدیک نمود.
طراحی و واشر بندی مناسب ، امکان آن را ایجاد می کند که مجموعه ای از صفحات ، توسط پیچ ها که تمامی صفحات را شامل می شوند ، در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. واشرها از نشتی به بیرون جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات ، به شکل مورد نظر ، هدایت می نمایند. شکل جریان ، عموماً به نحوی انتخاب می شود که جریان سیال ها در خلاف جهت یکدیگر باشند. مبدل های صفحه ای معمولا به جریان سیال با فشار پایین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه سانتی گراد محدود می شوند.
جریان قوی گردابه ای موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال گرما و افت فشارها می گردد ، بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی ، باعث کاهش تشکیل رسوب می شود. مبدل صفحه ای واشردار ، سطح انتقال حرارتی نسبتاً فشرده و با وزن کم ایجاد می کنند. دما و فشار آنها به دلیل جزئیات ساخت و واشربندی ، محدود هستند. این مبدل ها به آسانی تمیز و استریلزه می شوند زیرا می توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده ای در صنایع غذایی دارند.
اجزای تشکیل دهنده مبدل های صفحه ای واشری
مبدل های واشری، دارای ساختار ساده به شرح زیر میباشند:
1-فریم جلو 2-فریم عقب 3-ساپورت عمودی
4-میله راهنما بالا 5-میله راهنما پایین 6-غلطک فریم عقب
7-استاد بولت های مبدل 8-نازل های ورودی 9-واشر مبدل
10-پلیت مبدل 11-پلاک مشخصات
فیلم معرفی ساختار مبدل صفحه ای واشردار و نحوه عملکرد آن
۲- مبدل صفحه ای نیمه جوشی (Semi Welded Plate H.E):
با جوش دادن صفحات به صورت دو به دو، صفحات دوقلو مبدل های نیم جوشی بوجود می آیند که در ساخت مبدل صفحه ای نیمه جوشی کاربرد دارند. این صفحات نیم جوش در قاب مبدل های حرارتی صفحه ای واشر دار قرار می گیرند. طراحی و ساخت این نوع مبدل ها برای کاربرد در سیالات با خوردگی بسیار بالا می باشد. این سیالات از میان صفحات جوش شده عبور می کنند، تنها واشری که در مبدل صفحه ای نیمه جوشی استفاده می شود، گسکت هایی با دو حلقه (حلقه نازل) بسته هستند که بین هر جفت صفحه دوقلو قرار می گیرد، این گسکت ها از الاستومترهای مقاوم و یا غیر الاستومترها می باشد. ورودی هایی که شامل سیالات غیر خورنده و غیر تهاجمی می شوند به وسیله ی واشرهای معمولی آب بندی می شوند.
تصویر صفحات مبدل صفحه ای نیمه جوشی
مزیت جوش دادن دو صفحه این است که لزوم استفاده از مواد دیگر از بین رفته و خوردگی اندکی کاهش می یابد. همان طور که در شکل زیر مشاهده می کنید، سیال فرآیندی درون زوج صفحه و سیال سرویس بین فریم ها جریان دارد. این به دلیل آن است که سیال سرویس معمولا سیال کثیف است و لذا تمیز کردن مبدل می بایست زوج صفحات را از هم جدا شوند.
ساختار صفحات یک مبدل صفحه ای نیمه جوشی . ۱-سیال سرویس ۲-سیال فرآیندی ۳-گسکت حلقوی ۴-گسکت ۵-محل جوش صفحات ۶-کانال سیال
مبدل صفحه ای نیمه جوشی قابلیت مقاومت تا فشار ۳۰bar در سمت صفحات را دارند و این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که برای نگهداری مجموعه صفحات به قاب های ثابت و متحرک نیاز می باشد. تحمل فشار بالا کاربرد این گونه از مبدل ها را در سیستم های تبخیر و تهویه مطبوع افزایش می دهد.
۳-مبدل صفحه ای لحیم شده (Brazed Plate Heat Exchanger):
مبدل صفحه ای لحیم شده از مجموعه صفحات به هم فشرده شده که به هم دیگر لحیم شده اند، تشکیل شده است. لذا دیگر نیازی به واشر نیست و فریم ها هم می توانند حذف شوند. صفحات موجدار موجب چنان جریان متلاطمی می گردد که این جریان باعث کاهش رسوب گیری در این نوع مبدل می گردد.
مبدل صفحه ای لحیم شده از تعداد زیادی صفحات فولادی به هم فشرده که توسط مس به یکدیگر جوش داده شده اند، استفاده می شود. همچنین با توجه به نوع فرآیند ممکن است از نیکل یا فلزهای دیگر برای جوشکاری استفاده شود. علاوه بر جوش کردن نقاط پیرامون هر صفحه، نقاط اتصال جناقی درونی هم جوش داده می شوند. مبدل صفحه ای لحیم شده تا دمای ۲۲۵ درجه سانتی گراد و فشار ۳۰bar را تحمل می کند. البته نوع لحیم کاری شده با نیکل تا دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۱۶bar را تحمل می کند.
مبدل صفحه ای لحیم شده به منظور سردسازی در تبخیر کننده ها و کندانسورها استفاده می شود. همچنین برای گرم کردن آب فرآیندها، سیستم بازیابی حرارت و سیستم گرم کردن موضعی مناسب است. این مبدل ها برای Desuperheat و Subcooled کردن مواد هم مورد استفاده قرار می گیرند. از نوع لحیم نیکل برای خنک کردن آب بدون املاح و میعان حلال استفاده می شود.
مبدل صفحه ای لحیم شده در مقایسه با مبدل پوسته و لوله، در عملکرد یکسان دارای وزن حدود ۲۰% تا ۳۰% مبدل پوسته و لوله می باشد.
۴-مبدل صفحه ای جوشی بَوِکس (The Bavex Hybrid Welded Plate Heat Exchanger):
این نوع مبدل هنگامی استفاده می شود که با توجه به شرایط فرآیندی امکان به کار گیری مبدل نوع قاب و صفحه ممکن نبوده و با فشار بالا و محدوده گسترده دمایی مواجه هستیم. ویژگی منحصر به فرد این نوع مبدل، طراحی هندسه داخلی آن است. این مبدل از دو بخش لوله و صفحه تشکیل می شود که بخش لوله دارای چندین گذر و بخش صفحه تنها دارای یک گذر می باشد.
با توجه به نوع فلز به کار رفته در آن، این مبدل حرارتی صفحه ای تا دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد را تحمل می کند. و در حالات برودتی تا دمای -۲۰۰ درجه سانتی گراد قابل سرد شدن است. فشار سمت صفحات نیز تا ۶۰۰bar قابل افزایش خواهد بود که البته به ضخامت و سطح صفحات بستگی دارد. گستره استفاده از این نوع مبدل شامل بازیابی حرارت گازهای سوخته، کاربردهای برودتی، انتقال حرارت بین گازهای خورنده و کاربردهای با آب دریا می باشد.
این نوع مبدل حرارتی صفحه ای حدود ۴۰% حجم مبدل پوسته و لوله را در شرایط عملیاتی مشابه دارد. همچنین ضریب انتقال حرارت در کاربردهای مایع-مایع حدود ۵۰۰۰ وات بر متر مربع بر کلوین می باشد.
۵- مبدل صفحه ای جوشی Compabloc :
مبدل صفحه ای جوشی Compabloc بر پایه کاربردهای مبدل های پوسته و لوله، مارپیچی و صفحه ای طراحی شده و همچنین مشکلات کاربرد واشر (gasket) را ندارد. نبودن گسکت، این امکان را به ما می دهد تا از سیالات با دماهای بالا و مواد شیمیایی آسیب زا در آن استفاده کنیم. همچنین طراحی پیچ و مهره ای این نوع مبدل ها، امکان جداکردن سریع قاب و دسترسی به محفظه صفحات را برای تمیز کردن و تعمیرات می دهد.
در طراحی تک گذر این مبدل ها، مجموعه صفحات فشرده به هم، به گونه ای به هم جوش خورده اند تا جریان متقاطع باشد. در طراحی های با چند گذر، در حالت کلی جریان نا همسوست. معمولا فاصله میان صفحات ۵mm می باشد. این نوع مبدل صفحه ای برای تحمل شرایط عملیات تا دمای ۳۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۳۲bar طراحی شده است. میزان سطح انتقال حرارت در این مبدل از ۱٫۵ تا ۳۰۰ متر مربع متغیر می باشد.
کاربرد اصلی مبدل صفحه ای جوشی Compabloc در سیستم های مایع و دو فازی مانند سیستم های مایع-مایع، کندانسورها، تبخیرکننده ها و جوش آورها می باشد. این نوع مبدل قابل استفاده در سرویس های خلا کامل می باشد و همچنین امکان استفاده از مایعات تبرید را داراست.
۶- مبدل صفحه ای حلزونی یا اسپیرال (Spiral Heat Exchanger):
مبدل صفحه ای حلزونی ، با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند ، شکل داده می شوند. فاصله بین صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی، با استفاده از پین های فاصله انداز که به ورق فلزی جوش می شوند ، حفظ می شود. طول پین های فاصله انداز می تواند بین ۵ تا ۲۰mm تغییر کند. به همین دلیل است که با توجه به نرخ جریان ، می توان فواصل مختلفی برای کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل و بنابراین کوچکترین سطوح گرمایش ممکن ، بدست می آیند.
در هر یک از دو مسیر حلزونی ، یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال گرما را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این مبدل ها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود ، نسبتاً گران قیمت می باشند.
سطح انتقال گرما برای مبدل صفحه ای حلزونی ، در محدوده ۰٫۵ تا ۵۰۰ متر مربع می باشد. حداکثر فشار کارکرد تا ۱۵bar و دمای کارکرد تا ۵۰۰ درجه سانتی گراد می باشد.
مبدل صفحه ای حلزونی برای سیالاتی که تمایل به رسوب دهی دارند و یا آلوده به ذرات هستند، مناسب است که علت این امر بزرگی نسبی عرض کانال است. از این رو، این مبدل برای صنایع غذایی مناسب است. از مبدل صفحه ای حلزونی در صنایع شیمیایی می توان در انتقال حرارت به دوغاب PVC و بازیابی حرارتی در بسیاری از فرآیندها استفاده کرد. این مبدل ها همچنین می توانند کنترل دمایی رسوبات فاضلابی را انجام دهند.
مبدل صفحه ای حلزونی نسبت به مبدل پوسته و لوله دارای مزیت های زیر می باشد:
- شرایط جریان بهینه در دو سوی مبدل
- توزیع متقارن سرعت بدون نقاط مرده در سیال
- توزیع متقارن دما بدون نقاط سرد و گرم
- کارایی حرارتی بیشتر با بازده حرارتی بالا
- زمان اقامت و حجم کم
بهتر از این و کاملترین از آموزش وجود ندارد بی نظیر بودش لطفا ادامه بدید