دو نوع مبدل حرارتی که در صنعت کاربرد زیادی دارند، مبدلهای حرارتی پوسته و لوله و مبدلهای حرارتی صفحهای میباشند. این دو نوع مبدل حرارتی هر کدام کاربردهای خاص و مزایا و معایب خود را دارند.
یک نوع مبدل حرارتی که به صورت متداول در صنایع مختلف به کار میروند، مبدلهای حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchangers) میباشند. در بین ویژگیهای مفید این نوع مبدلها میتوان از تحمل فشار و دمای زیاد نام برد. مبدلهای پوسته و لولهای دارای خصوصیات نامطلوبی نیز هستند که از آن جمله میتوان به بزرگی اندازه مبدل و عدم دسترسی به سطوح داخلی اشاره نمود.
امروزه استفاده از مبدلهای حرارتی پلیتی (plate type heat exchangers) رو به افزایش است. بر خلاف مبدلهای پوسته لولهای، مبدلهای صفحهای حداکثر تا دماهایی در حدود 250 درجه سانتیگراد و فشارهایی در حدود 25 بار قابل استفاده هستند. در دماها و فشارهای بیشتر میتوان از صفحات جوشی استفاده کرد، اما این امر انعطافپذیری مبدل را کم و تعمیر و نگهداری آن را مشکل مینماید. حداکثر دما و فشار مجاز در مبدلهای پوسته و لولهای بسیار بیشتر از مقادیر حدی برای مبدلهای صفحهای است. بنابراین در مواردی که فشار یا دمای مورد نظر خیلی زیاد است، مبدل لولهای انتخاب منطقی بi نظر میرسد.
در مواردی که استفاده از یک مبدل صفحهای یا لولهای برای انجام تحول خاصی یکسان باشد، انتخاب نهایی بر مبنای شرایط اقتصادی انجام میشود. در این رابطه باید هزینه سرمایهگذاری اولیه، هزینه جاری، هزینه نصب و فاکتورهایی از قبیل میزان فضای اشغالی، امکان بازرسی و تمیز کردن، انعطافپذیری در برابر تغییر شرایط کارکرد در نظر گرفته شوند.
محدوده کارکرد مبدلهای صفحهای
در گذشته شرایط کارکرد مبدلهای واشردار محدود به فشار 2 بار و دمای 60 درجه سانتیگراد بود. با آن که ساختار اصلی این مبدلها تغییری نکرده، ولی پیشرفتهای ایجاد شده در 60 سال اخیر محدوده کارکرد آنها را تا فشار 30 بار و دمای 180 درجه سانتیگراد بالا برده است.
ماکزیمم فشار کارکرد مجاز توسط سازه قاب مبدل حرارتی صفحهای تعیین میگردد. توانایی نگهداری سیال توسط گسکتها و مقاومت صفحات در قبال تغییر شکل نیز از نظر اهمیت در درجه دوم قرار میگیرند. ماکزیمم دمای کارکرد معمولا توسط نوع واشرها محدود میشود. از گسکتهای Neoprene و Viton میتوان تا دمای 120 درجه سانتیگراد و از واشرهای Resin-Cured Butyl تا دمای 200 درجه سانتیگراد به خوبی استفاده نمود.
یکی از معایب مبدلهای صفحهای این است که وجود اختلاف فشار بین مسیرهای مختلف باعث ایجاد تمرکز تنش در محل اتصالات میگردد که ممکن است موجب ترک برداشتن آن و نشت سیال از یک مسیر به مسیر دیگر گردد. بنابراین این گروه از مبدلهای حرارتی برای فشارهای بیشتر از 2 مگاپاسکال مناسب نیست و تقریبا در همه جا برای فرآیندهای فشار قوی از مبدلهای لولهای استفاده میشود. از سوی دیگر بالا بودن مقاومت برشی مبدلهای صفحهای، ممکن است موجب بروز تنشهای حرارتی نسبتا بزرگی در سازه مبدل گردد. لذا کاربرد این مبدلها برای دماهای بیش از 250 درجه سانتیگراد توصیه نمیشود.
یکی از معایب بزرگ مبدلهای حرارتی صفحهای گسکتدار، گستردگی سطوح نیازمند آببندی توسط واشر میباشد. مشکلی که معمولا این مبدلها در هنگام کار به وجود میآورند عدم آببندی کامل و صحیح واشرها به علت محدود بودن عمر مفید واشرها یا استفاده مجدد از واشرهای مستعمل میباشد.
یک نوع مبدل حرارتی که به صورت متداول در صنایع مختلف به کار میروند، مبدلهای حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchangers) میباشند. در بین ویژگیهای مفید این نوع مبدلها میتوان از تحمل فشار و دمای زیاد نام برد. مبدلهای پوسته و لولهای دارای خصوصیات نامطلوبی نیز هستند که از آن جمله میتوان به بزرگی اندازه مبدل و عدم دسترسی به سطوح داخلی اشاره نمود.
امروزه استفاده از مبدلهای حرارتی پلیتی (plate type heat exchangers) رو به افزایش است. بر خلاف مبدلهای پوسته لولهای، مبدلهای صفحهای حداکثر تا دماهایی در حدود 250 درجه سانتیگراد و فشارهایی در حدود 25 بار قابل استفاده هستند. در دماها و فشارهای بیشتر میتوان از صفحات جوشی استفاده کرد، اما این امر انعطافپذیری مبدل را کم و تعمیر و نگهداری آن را مشکل مینماید. حداکثر دما و فشار مجاز در مبدلهای پوسته و لولهای بسیار بیشتر از مقادیر حدی برای مبدلهای صفحهای است. بنابراین در مواردی که فشار یا دمای مورد نظر خیلی زیاد است، مبدل لولهای انتخاب منطقی بi نظر میرسد.
در مواردی که استفاده از یک مبدل صفحهای یا لولهای برای انجام تحول خاصی یکسان باشد، انتخاب نهایی بر مبنای شرایط اقتصادی انجام میشود. در این رابطه باید هزینه سرمایهگذاری اولیه، هزینه جاری، هزینه نصب و فاکتورهایی از قبیل میزان فضای اشغالی، امکان بازرسی و تمیز کردن، انعطافپذیری در برابر تغییر شرایط کارکرد در نظر گرفته شوند.
محدوده کارکرد مبدلهای صفحهای
در گذشته شرایط کارکرد مبدلهای واشردار محدود به فشار 2 بار و دمای 60 درجه سانتیگراد بود. با آن که ساختار اصلی این مبدلها تغییری نکرده، ولی پیشرفتهای ایجاد شده در 60 سال اخیر محدوده کارکرد آنها را تا فشار 30 بار و دمای 180 درجه سانتیگراد بالا برده است.
ماکزیمم فشار کارکرد مجاز توسط سازه قاب مبدل حرارتی صفحهای تعیین میگردد. توانایی نگهداری سیال توسط گسکتها و مقاومت صفحات در قبال تغییر شکل نیز از نظر اهمیت در درجه دوم قرار میگیرند. ماکزیمم دمای کارکرد معمولا توسط نوع واشرها محدود میشود. از گسکتهای Neoprene و Viton میتوان تا دمای 120 درجه سانتیگراد و از واشرهای Resin-Cured Butyl تا دمای 200 درجه سانتیگراد به خوبی استفاده نمود.
یکی از معایب مبدلهای صفحهای این است که وجود اختلاف فشار بین مسیرهای مختلف باعث ایجاد تمرکز تنش در محل اتصالات میگردد که ممکن است موجب ترک برداشتن آن و نشت سیال از یک مسیر به مسیر دیگر گردد. بنابراین این گروه از مبدلهای حرارتی برای فشارهای بیشتر از 2 مگاپاسکال مناسب نیست و تقریبا در همه جا برای فرآیندهای فشار قوی از مبدلهای لولهای استفاده میشود. از سوی دیگر بالا بودن مقاومت برشی مبدلهای صفحهای، ممکن است موجب بروز تنشهای حرارتی نسبتا بزرگی در سازه مبدل گردد. لذا کاربرد این مبدلها برای دماهای بیش از 250 درجه سانتیگراد توصیه نمیشود.
یکی از معایب بزرگ مبدلهای حرارتی صفحهای گسکتدار، گستردگی سطوح نیازمند آببندی توسط واشر میباشد. مشکلی که معمولا این مبدلها در هنگام کار به وجود میآورند عدم آببندی کامل و صحیح واشرها به علت محدود بودن عمر مفید واشرها یا استفاده مجدد از واشرهای مستعمل میباشد.