امروزه انرژی یکی از مهم ترین عوامل در پیشرفت و توسعه پایدار جوامع بشری محسوب میشود و همین موضوع بهینه سازی در مصرف آن را بیش از پیش مهم و قابل توجه می سازد. مبدل حرارتی صفحه ای نسل جدیدی از مبدل های حرارتی هستند که در آنها سیالات گرم و سرد بین صفحات شیاردار جریان دارند.
توربولانس زیاد به علت حرکت سیال در مجاری باریک و ناهموار بین این صفحات سبب افزایش انتقال حرارت، کاهش انرژی مصرفی و در نهایت افزایش بازده می شود؛ لذا با توجه به بحث بهینه سازی مصرف انرژی در واحدهای صنعتی همواره تلاشی شده است تا مبدل هایی طراحی شود که ضمن داشتن حداکثر بازده در وظایف طولانی مدت، کمترین مشکلات عملیاتی را داشته باشند. از مهمترین ویژگیهای این مبدل ها می توان به بازده و ضریب انتقال حرارت بالا، اشغال فضای کمتر جهت نصب، حجم کمتر سیال داخلی، سهولت سرویس و رسوب کمتر اشاره کرد.
در این مطلب با ذکر چند مطالعه موردی سعی شده است. ضمن معرفی کامل نسل جدیدی از مبدل های حرارتی تحت عنوان مبدلهای صفحه ای میزان مصرف انرژی و دیگر مزایای این مبدل ها در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله رایج مورد بررسی قرار گیرد.
ایده اولیه مبدل های حرارتی صفحه ای نخستین بار در سال ۱۸۷۸ میلادی توسط البرت دراک به ثبت رسید. سپس در سال 1890 میلادی دو مخترع المانی به نام های لانگن و هوند هاوزن طرح اولیه را تکمیل نمودند. در سال 1931 نخستین مبدل حرارتی صفحه ای به ضخامت 5 تا 10 میلیمتر ساخته شد. در سال ۱۹۶۰، تولید این نسل از مبدل ها وارد مرحله جدیدی شد (۵۴) در سال ۱۹۷۷، نوع لحیم کاری شده به بازار عرضه شد و نهایتاً در سال ۲۰۰۳ فناوری جدید الفافیوژن معرفی گردید.
امروزه مبدل های حرارتی از ورق هایی با جنس های متنوع و صفحاتی تا ضخامت ۰٫۴ میلی متر ساخته شده اند و قادر به تولید سطح حرارتی برابر ۲۰۰۰ متر مربع در یک واحد مبدل میباشند. در حال حاضر مبدل حرارتی صفحه ای رایج ترین نوع مبدل های حرارتی در صنعت محسوب می شوند.
نوع کوچک آن که به مبدل های حرارتی صفحه ای لحیم شده اطلاق می شود، بیشتر در گرمایش داخلی و آب گرم منازل مورد استفاده قرار می گیرد و نوع بزرگ تر و تجاری آن که به مبدل حرارتی صفحه ای واشردار معروف است. توانسته است از رقیب خود مبدل های لوله ای پیشی بگیرد.
این نوع مبدل ها بیشتر در صنایع غذایی، دارویی، شیمیایی، نفت، گاز، پتروشیمی و این قبیل موارد مورد استفاده قرار می گیرند.
در این مطلب سعی شده است تا علاوه بر آشنایی کامل با مبدل های حرارتی صفحه ای و کاربرد آنها در صنعت به بررسی عوامل مؤثر بر تشکیل رسوب در این ادوات پرداخته شود. همچنین در پایان به مقایسه این نوع مبدل ها با مبدلهای حرارتی پوسته و لوله اشاره شده است.
با توجه به موضوع بهینه سازی مصرف انرژی در واحدهای فرایندی همواره تلاش شده است تا مبدل هایی طراحی شود که ضمن داشتن حداکثر بازده در کارکردهای بلند مدت کمترین مشکلات عملیاتی را داشته باشند. به طور کلی مبدل های حرارتی را میتوان براساس موارد ذیل دسته بندی کرد.
مبدل های حرارتی صفحه ای از صفحاتی نازک که کانالهای جریان را تشکیل می دهند، تشکیل شده اند. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز، مایع یا جریان‌های دو فاز استفاده میشوند و به چهار گروه اصلی تقسیم می شوند.
1. مبدل صفحه ای و اشردار
2. مبدل صفحه ای لحیم شده
3. مبدل صفحه ای حلزونی
4. مبدل حرارتی لاملا
این دسته از مبدل ها شامل تعدادی صفحه نازک با سطح چین دار یا موج دار با ضخامت 0.4 تا 0.7 میلیمتر می باشند که سیالهای گرم و سرد را از هم جدا می سازند. صفحات دارای واشرهایی در گوشه ها هستند و به گونه ای آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما میان آنها مبادله شود، یک در میان در فضای بین صفحات جریان می یابند.
همچنین این صفحات بین دو صفحه فشار و صفحه ثابت قرار گرفته اند و از بالا و پایین با میله حامل بلایی و میله هادی پایئینی نگهداری می شوند. طراحی و واشربندی مناسب این امکان را ایجاد می کنند که مجموعه ای از صفحات، توسط پیچ ها در کنار هم 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 عموما به گونه ای انتخاب می شود که جریان سیال ها در خلاف جهت یکدیگر باشند. در شکل ۱ اجزای یک مبدل حرارتی نمایش داده شده است.
1) صفحه فشار که نقش آن ایجاد فشار روی صفحات است. این صفحات معمولاً از فولادهای کربنی ساخته شده و سپس با مواد ضد رنگ و یک لایه رنگ جهت جلوگیری از خطر خوردگی پوشیده می شوند.
2) صفحه ثابت که معمولاً چهار دهانه ورودی و خروجی سیال روی آن قرار گرفته است.
3) صفحات حرارتی که در واقع هر دو سیال سرد و گرم یک در میان بین آنها جریان دارند.
4) واشر که علاوه بر هدایت سیال، مانع از نشت آن به بیرون می شود و از در هم آمیختن دو سیال جلوگیری می کند.
5) مجاري اتصال دهنده که معمولاً روی صفحة ثابت تعبيه شده، به طوری که در امتداد سوراخ های صفحات قرار می گیرند و وظیفه اتصال به سیستم لوله کشی را دارند. اتصالات و نازل ها معمولاً از جنس صفحات ساخته می شوند تا بدین وسیله از خوردگی های الکتروشیمیایی جلوگیری کنند.
6) میله هادی پائینی که وظیفه هدایت صفحات را بر عهده دارد و معمولاً از جنس فولاد زنگ نزن ساخته می شود.
7) میله حامل بالایی که صفحات را نگهداری می کند و معمولاً از جنس آلومینیوم یا فولاد کربنی رنگ شده می باشد.
8) پایه انتهایی که در مبدلهای کوچک به کار نمی رود و وظیفه افقی نگه داشتن کل مبدل را بر عهده دارد.
9) میله و پیچ های اتصال، که به کمک دو صفحه ثابت و صفحة فشار، مجموعة صفحات واشربندی شده را تحت فشار قرار داده تا سیستم از درون بتواند فشار سیال عبوری را تحمل کند.
انتخاب جنس صفحات و واشرها جهت عملکرد مطلوب به پارامترهای بسیاری بستگی دارد که ترکیب شیمیایی سیال عامل، دمای دیواره فلزی و شرایط عملکرد از آن جمله اند.
واشرها برای درزبندی و آب بندی صفحات به کار می روند. در جدول ۱ نوع مواد لاستیکی به کار رفته در واشرها به همراه کاربرد آنها و محدودیت های دمایی ذکر شده است. از موادی که امروزه در تولید صفحات زیاد استفاده می شود می توان به آلیاژ فولادهای ضد زنگ سخت شده، آلیاژهای نیکل و تیتانیوم اشاره کرد.
وجود مولیبدن و کروم در آلیاژهای گرید بالای فولادهای ضد زنگ در کنار مس می تواند سبب بهبود خواص این نوع از فولادها در مقابل خوردگی باشد. به طور کلی آلیاژهای نیکل، مقاومت خوبی در برابر انواع خوردگی در محیطهای مستعد از خود نشان می دهند و از سوی دیگر، جهت استفاده از مبدل های حرارتی صفحه ای در محیطهای هالوژنی مانند آب دریا استفاده از تیتانیوم ضروری میباشد. در جدول ۲ لیست مواد استاندارد استفاده شده در صفحات مبدل ذکر شده است.
جدول (1): جنس واشرها و کاربرد آنها
جدول (2): لیست مواد استاندارد استفاده شده در صفحات مبدل
در انتها پیشنهاد می نمائیم چنانچه به دنبال خرید مبدل حرارتی اعم از پوسته و لوله یا صفحه ای هستید با هماران من در ناب زیست تماس بگیرید.
