[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی صفحه‌ای - plate heat exchanger

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مبدل حرارتی پلیتی یا مبدل حرارتی صفحه‌ای (plate heat exchanger) نوعی مبدل حرارتی است که برای انتقال حرارت بین دو سیال از صفحات فلزی استفاده می‌کنند.


مزیت این مبدل‌ها نسبت به مبدل‌های حرارتی سنتی این است که سیال‌ها در معرض سطح بسیار بیش‌تری قرار می‌گیرند زیرا سیالات بر روی سطح صفحات پخش می‌شوند. این کار باعث ساده شدن انتقال حرارت و افزایش بسیار زیاد سرعت تغییر دما می‌شود.


مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای در حال حاضر کاربرد زیادی دارند و انواع بسیار کوچک زردجوش شده (brazed) آن‌ها در بخش‌های آب گرم میلیون‌ها بویلر احتراقی مورد استفاده قرار می‌گیرد. راندمان انتقال حرارت بالا در چنین اندازه فیزیکی کوچکی باعث افزایش میزان آب گرم خانگی (domestic hot water) یا DHW برای بویلرهای همراه با آن می‌شود. انواع تجاری بزرگ‌تر مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای از گسکت (gaskets) استفاده می‌کنند در حالی که انواع کوچک‌تر بیش‌تر زرد‌جوش (brazed)‌ می‌شوند.


brazed_plate_HE.jpgbrazed_plate_HE2.jpgمبدل‌های حرارتی صفحه‌ای زردجوشی


semi_welded_plate_HE.jpg
مبدل حرارتی صفحه‌ای نیمه جوش‌کاری شده​



welded_plate_HE.jpg
مبدل حرارتی صفحه‌ای جوشی​
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مبدل حرارتی صفحه‌ای (plate heat exchanger) یا PHE، طرح ویژه‌ای است که برای انتقال حرارت بین سیالات کم فشار یا فشار متوسط مناسب است. مبدل‌های حرارتیجوش‌کاری شده، نیمه جوش‌کاری شده و زرد‌جوش شده برای انتقال حرارت بین سیالات پر فشار و یا زمانی که نیاز به محصول فشرده‌تر باشد به کار می‌روند. در این نوع از مبدل‌های حرارتی به جای گذراندن لوله از یک محفظه، از دو محفظه یک در میان استفاده می‌شود که معمولا عمق آن‌ها نازک است و به وسیله یک صفحه موج‌دار از بزرگ‌ترین وجه از یک‌دیگر جدا می‌شوند.


صفحات به کار رفته در مبدل‌های حرارتی صفحه و فریم (plate and frame heat exchangers) به وسیله پرس یک‌تکه ورق‌های فلزی به دست می‌آید. استنلس استیل، یک فلز پرکاربرد در صفحات است زیرا توانایی مقاومت در برابر دما، استحکام و مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد. صفحات اغلب به وسیله گسکت‌های آب‌بند لاستیکی که دور تا دور لبه پلیت‌ها را می‌پوشاند از هم جدا می‌شوند. پلیت‌ها اغلب به صورتی پرس می‌شوند که ناودانی‌هایی را تشکیل دهند که در راستای عمود بر راستای حرکت سیال در کانال‌های مبدل حرارتی هستند. ناودانی‌ها به صورتی آرایش داده می‌شوند که با پلیت‌های دیگر مبدل حرارتی در ارتباط باشند که باعث ایجاد کانال‌هایی با فاصله خالی بین 1.3 تا 1.5 میلی‌متر بین پلیت‌ها می‌شود.





پلیت‌ها باعث می‌شوند که مساحت سطح بسیار زیاد باشد و انتقال حرارت در سریع‌ترین زمان ممکن انجام شود. نازک کردن هر محفظه ما را مطمئن می‌کند که بیش‌تر حجم مایع با صفحات در تماس خواهد بود که این نیز باعث کمک به تبادل می‌شود. ناودانی‌ها نیز یک جریان توربولانت را برای مایع ایجاد و از آن نگهداری می‌کنند که باعث به حداکثر رسیدن انتقال حرارت در مبدل می‌شود. با نرخ‌های جریان پایین می‌توان به درجه بالایی از توربولانس رسید و مجددا ضریب انتقال حرارت را بالاتر برد.
یک مبدل حرارتی صفحه‌ای از صفحات نازک و چین‌داری تشکیل شده است که در بالا بیان شد. بر حسب کاربرد مبدل حرارتی این صفحات به صورت گسکتی، جوشی یا زرد‌جوشی به یک‌دیگر وصل شده‌اند. صفحات در یک چارچوب صلب به یک‌دیگر فشرده می‌شوند تا یک آرایش کانال‌های با جریان موازی با سیالات یک در میان سرد و گرم را تشکیل دهند.
در مقایسه با مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchangers)، نزدیکی دما (temperature approach) در یک مبدل حرارتی صفحه‌ای می‌تواند در حد 1 درجه سانتی‌گراد باشد در حالی که مبدل‌های حرارتی پوسته و تیوب نیاز‌مند نزدیکی دما 5 درجه سانتی‌گراد و بیش‌تر هستند. برای یک مقدار مشخص از انتقال حرارت، اندازه مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای کوچک‌تر است زیرا صفحات میزان بیش‌تری از سطح انتقال حرارت را تامین می‌کنند. افزایش یا کاهش سطح انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی پلیتی ساده است و این کار با افزایش یا کاهش صفحات انجام می‌شود.
تمام مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای از خارج مشابه هم هستند. تفاوت در درون آن‌ها و در جزییات طراحی پلیت و تکنولوژی به کار رفته برای آب‌بندی است. یک ویژگی مهمی که باید در ارزیابی یک مبدل حرارتی صفحه‌ای مد نظر داشت، شکل چین‌خوردگی درون مبدل است. دو نوع چین‌خوردگی وجود دارد: چین‌خوردگی‌های اینترمیت (intermating) و شورون (chevron). معمولا چین‌خوردگی‌های شورون میزان انتقال حرارت را افزایش می‌دهند در حالی که افت فشار را نیز بالا می‌برند و به همین دلیل از چین‌های اینترمیت کاربرد بیش‌تری دارند.

plate_fin_types.PNG
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای گسکتی

یک مبدل حرارتی صفحه گسکتی (gasketed plate heat exchanger) از تعدادی از صفحات نازک با سطح موج‌دار (wavy) یا چین‌دار (corrugations) تشکیل شده که سیالات را از هم جدا می‌کنند. این صفحات دارای قطعات گوشه‌ای هستند که به صورتی قرار می‌گیرند که دو محیط بین آن‌ها تشکیل می‌شود و حرارت به صورت یک در میان از فضاهای بین صفحه‌ای منتقل می‌شود. طراحی و گسکت‌گذاری مناسب این امکان را می‌دهد که یک دسته از صفحه‌ها به وسیله پیچ‌های فشار دهنده‌ای که صفحات انتهایی را به هم متصل می‌کند در کنار هم نگه داشته می‌شوند. گسکت‌ها از نشتی به خارج جلوگیری می‌کنند و معمولا محدود به جریان‌های سیالاتی با فشار زیر 25 بار و دمای زیر 250 درجه سانتی‌گراد می‌شوند. از آن‌جایی که مسیرهای جریان نسبتا کوچک هستند، جریان‌های گردابی باعث افزایش ضریب انتقال حرارت، افت فشار شدید و برش موضعی زیاد که باعث کاهش رسوب‌گذاری است، می‌شوند. این مبدل‌ها سطوح انتقال حرارت فشرده و سبک‌وزنی را فراهم می‌کنند. محدودیت‌های دما و فشار به دلیل جزییات ساخت و گسکت‌ها به وجود می‌آیند.

gasket_plate_HE2.jpggasket_plate_HE.jpgمبدل‌های حرارتی صفحه‌ای گسکتی​


مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای گسکتی معمولا برای تبادل حرارت بین دو جریان مایع به کار می‌روند. این مبدل‌ها به سادگی تمیز و استرلیزه می‌شوند زیرا امکان باز کردن آن‌ها از یک‌دیگر وجود دارد و بنابراین کاربرد زیادی در صنایع غذایی دارند.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای اسپیرال

مبدل‌های حرارتی به وسیله پیچاندن صفحه‌های موازی بسیار بلند به شکل مارپیچی به وسیله یک قالب مخروطی و جوش دادن لبه‌های صفحات کنار هم برای شکل دادن کانال‌ها ساخته می‌شوند. فاصله بین سطوح فلزی در هر دو کانال اسپیرال به وسیله پین‌های فاصله‌انداز که به ورق‌های فلزی جوش می‌شوند حفظ می‌شود. طول پین‌های فاصله‌انداز بین 5 تا 20 میلی‌متر متغیر است. به همین دلیل می‌توان بر اساس نرخ جریان، کانال‌هایی با فضاهای مختلف انتخاب کرد. در نتیجه می‌توان شرایط جریانی ایده‌آل و کم‌ترین سطح حرارتی ممکن را به دست آورد. دو مسیر اسپیرال یک جریان ثانویه ایجاد می‌کنند که باعث افزایش انتقال حرارت و کاهش رسوبات می‌شود. این مبدل‌های حرارتی کاملا فشرده ولی به دلیل ساخت خاص آن‌ها به نسبت گران هستند. بازه اندازه آن‌ها از 0.5 تا 500 متر مربع سطح انتقال حرارت در یک بدنه اسپیرال می‌باشد. حداکثر فشار کاری تا 15 بار و حداکثر دمای کاری تا 500 درجه سانتی‌گراد محدود هستند. مبدل حرارتی اسپیرال برای کار با لجن‌ها، مایعات ویسکوز و مایعات دارای ذرات جامد معلق شامل دوغاب‌ها مناسب هستند. مبدل‌های حرارتی اسپیرال دارای سه نوع اصلی هستند که از نظر اتصالات و آرایش جریان با هم متفاوت هستند.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مبدل حرارتی لاملا


مبدل حرارتی لاملا (lamella) یا رامن (Ramen) شامل مجموعه‌ای از کانال‌های با صفحات نازک موازی و جوش‌کاری شده یا لاملا (تیوب‌های تخت یا کانال‌های مستطیلی) است که به صورت طولی درون یک پوسته قرار گرفته‌اند. این مبدل‌ها نوع اصلاح شده‌ای از مبدل حرارتی پوسته و لوله با سر شناور (floating-head) هستند. تیوب‌های تخت لاملا (lamellae) نام دارند و از دو نوار ورق ساخته شده‌اند که در یک عملیات پیوسته به یک‌دیگر پروفیل و جوش‌کاری نقطه‌ای یا درزی شده‌اند. شکل نوارها باعث ایجاد فضایی درون لاملا می‌شود و در خارج لاملا و درون پوسته بخش‌هایی ایجاد می‌شود که جریان از آن‌ها گذر می‌کند. سمت لاملا کاملا به وسیله جوش‌کاری آب‌بندی شده است و سرپوش کانال به وسیله یک فلنج خارجی به فلنج پوسته پیچ می‌شود. دیواره کانال‌ها می‌تواند صاف یا دارای پستی و بلندی باشد. جریان سمت پوسته معمولا در اطراف پلیت‌ها به صورت تک پاسه و طولی در فضای بین کانال‌ها انجام می‌شود. در سمت پوسته بافل وجود ندارد و در نتیجه مبدل‌های لاملا می‌توانند دارای یک جریان متقابل (countercurrent flow)‌ باشند. به دلیل توربولانس بالا، توزیع جریان یک‌نواخت و سطوح صاف، لاملا به سادگی رسوب نمی‌گیرد. دسته صفحات را می‌توان به سادگی برای بازرسی و تمیزکاری خارج کرد. این طرح برای فشارهای تا 35 بار و دمای 200 درجه سانتی‌گراد برای گسکت‌های تفلنی (Teflon gaskets) و دمای 500 درجه سانتی‌گراد برای گسکت‌های آزبستی (asbestos gaskets) مناسب است.

lamella_plate_HE.jpg
lamella_plate_HE2.jpg
 

prianaser

New member
ممنون از مطالبتون.
آیا شما در مورد مبدل های plate-finو Alex ساخت شرکت کوبه ژاپن و خوردگی در آنها توسط کربن دی اکسید هم اطلاعاتی دارید؟
ممنون میشم پاسخ بدید.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
ممنون از مطالبتون.
آیا شما در مورد مبدل های plate-finو Alex ساخت شرکت کوبه ژاپن و خوردگی در آنها توسط کربن دی اکسید هم اطلاعاتی دارید؟
ممنون میشم پاسخ بدید.
خواهش میکنم ..
در مورد ساختار دستگاه و نحوه عبور سیال در این نوع مبدل ها مقداری اطلاع دارم .. plate-fin البته .. ولی درمورد خوردگی اونها نه ... خوردگی به جنس موادشون بستگی داره و خیلی از این مسائل اطلاعی ندارم.
 

prianaser

New member
خواهش میکنم ..
در مورد ساختار دستگاه و نحوه عبور سیال در این نوع مبدل ها مقداری اطلاع دارم .. plate-fin البته .. ولی درمورد خوردگی اونها نه ... خوردگی به جنس موادشون بستگی داره و خیلی از این مسائل اطلاعی ندارم.

میشه این اطلاعات رو بذارید ؟ ممنون میشم.
 
بالا