مبدلهای حرارتی صفحه ای چیست؟

مبدلهای حرارتی صفحه ای

مبدلهای 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.

سازنده مبدلهای حرارتی صفحه ای

سازنده مبدلهای حرارتی صفحه ای

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.

طرز کار مبدل حرارتی صفحه ای

نحوه چیدمان صفحات مبدل حرارتی صفحه ای به گونه ای می باشد که باعث ایجاد یک شبکه لانه زنبوری می شود. این شبکه در واقع همان مسیر حرکت سیال گرم و سرد است. طرز کار مبدل حرارتی صفحه ای بدین صورت است که دو سیال در خلاف جهت هم از نازل هایی به درون مبدل حرارتی وارد شده و بعد از انتقال دادن حرارت، از آن خارج خواهند شد. صفحات سیال گرم و سرد به صورت یک در میان کنار هم قرار می گیرند.

در واقع سیالاتی که به این صفحات موج دار وارد می شوند به شکل یکی در میان بین صفحه های فلزی جریان پیدا کرده و با همدیگر عملیات تبادل گرما را انجام می دهند. این صفحات به شکل متقارن در پشت سر یکدیگر قرار گرفته و سیال سرد و گرم در میان این صفحات در حال گردش می باشند. آرایش سطح صفحات موجب به وجود آمدن امواجی در سیال می شود و بدین شکل فرآیند انتقال حرارت و همچنین برودت دما میان دو سیال با سرعت بالایی انجام خواهد شد.

طرز کار مبدل حرارتی صفحه ای و همچنین ساختار آن به شکلی می باشد که امکان دسترسی راحت به اجزای داخلی آن وجود دارد. این نکته باعث شده تا قابلیت نظافت، تعمیر و نگهداری راحت این نوع مبدل نیز فراهم شود. چین دار بودن صفحات موجب بیشتر شدن آشفتگی جریان سیال خواهد شد. به همین علت است که میزان انتقال حرارت بالا رفته و در نتیجه بازده گرمایی مبدل نیز افزایش می یابد.

 

مبدلهای حرارتی صفحه ای

مبدلهای حرارتی صفحه ای

 

اجزای اصلی مبدلهای حرارتی صفحه ای

همانطور که در قسمت طرز کار مبدل حرارتی صفحه ای گفته شد این مبدل از اجزایی تشکیل پیدا کرده است که در ادامه ذکر خواهند شد:

  • تعدادی صفحه حرارتی طبق سطح انتقال حرارت مورد نیاز که روی هر کدام از آنها چین های برجسته و فرو رفته ای وجود دارد.
  • واشرهای روی صفحات که در برابر خورندگی و دما مقاوم بوده و جنس آنها از انواع مختلف فیبر فشرده آزبست، اتیلن و… می باشد. ضمنا جهت جریان درون مبدل حرارتی نیز از طریق واشر مشخص می شود.
  • فریم یا قاب که صفحاتی فولادی بوده و وظیفه آنها نگه داشتن صفحات می باشد.
  • نازل که در قاب ها و در هر دو سمت مبدل حرارتی قرار می گیرند.

 

مبدلهای صفحه ای در حال حاضر یکی از رایج ترین مبدل های مورد استفاده در صنعت هستند؛ انواع پیچیده تر این مبدل ها در مقیاس صنعتی برای انتقال حرارت آب داغ در سیستم های بویلرهای ترکیبی به کار می روند؛ راندمان بالای انتقال حرارت همراه با فشردگی خاص این نوع مبدلها، جریان آب داغ داخلی بویلرهای ترکیبی را افزایش می دهد.
مبدل حرارتی صفحه ای کاربرد زیادی در گرمایش سیستم های خانگی و تولید آب داغ دارد. صفحات انتقال حرارت در این مبدل ها، با استفاده از قرارگیری واشر مابین صفحات ، لحیم کاری یا جوش صفحات به یکدیگر آّب بند میشوند.
صفحاتی که در مبدل های حرارتی صفحه ای به کار می روند معمولاً با روش فرم دهی سرد و با استفاده از اعمال فشار روی ورق فلزی نازک ساخته می شوند. فولاد ضد زنگ، یک فلز بسیار مقاوم و رایج است که در ساخت این صفحات از آن استفاده می شود. فولاد ضد زنگ مقاومت بالایی در برابر خوردگی و تغییرات شدید درجه حرارت سیالات دارد.
وجود فرورفتگی ها . برجستگیهای فراوان در صفحه ها موجب افزایش آشفتگی در سیال شده که این عامل منجر به افزایش راندمان انتقال حرارت میان سیالها می شود؛ نتیجه نهایی، ضریب انتقال حرارت بالا در سرعت جریان پایین بدلیل افزایش میزان آشفتگی سیال خواهد بود.

از توالی صفحات در مجاورت یکدیگر، کانالی هایی برای جریان مایع سرد و گرم ایجاد می شود. این صفحه ها با سطح گسترده و ضخامت بسیار کم را برای عبور سیالات فراهم می کنند؛ بهترین شرایط را برای انجام فرآیند انتقال حرارت تامین می نمایند .
مبدلهای حرارتی صفحه ای در مقایسه با مبدل های حرارتی پوسته لوله ، دسترسی به تغییرات ۱ درجه سانتی گراد امکان پذیر است اما در مبدل های پوسته لوله، تغییرات دمایی در حدود ۵ درجه سانتی گراد گزارش شده است. انعطاف پذیری مبدل حرارتی صفحه ای نسبت به تفییر شرایط کاری ، از ویژگیهای منحصر بفرد این نوع مبدل حرارتی است و، با تغییر در تعداد صفحات مبدل، به راحتی و آسانی می توان به این مهم دست یافت.

طراحی صفحه و قاب مبدل های حرارتی صفحه ای

طراحی صفحه و قاب مبدل های حرارتی دارای یک طراحی تخصصی می باشد که به خوبی برای انتقال گرما بین مایعات با فشار متوسط و کم مناسب است. مبدل های حرارتی جوش داده شده، نیمه جوش داده شده و بدون جوش، برای تبادل گرما بین مایعات با فشار بالا یا جایی که به یک محصول فشرده تر نیاز است، استفاده می شود. به جای لوله ای که از یک محفظه عبور می کند، در عوض دو مسیر متناوب وجود دارد که عموماً باریک هستند و در بزرگترین سطح خود توسط یک صفحه فلزی راه راه از هم جدا می شوند. صفحات مورد استفاده در صفحه و قاب مبدل حرارتی با فشار دادن یک قطعه از صفحات فلزی بدست می آیند. فولاد ضد زنگ به دلیل توانایی مقاومت در برابر درجه حرارت بالا، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی، یک فلز متداول برای این صفحات است. صفحات اغلب توسط واشر های مهر و موم لاستیکی که به قسمتی از حاشیه صفحات متصل می شوند  قرار گرفته اند. صفحات با هم در یک قاب سفت و سخت فشرده می شوند تا ترتیب کانال های جریان موازی با مایعات گرم و سرد متناوب را تشکیل دهند. صفحات یک سطح بسیار بزرگ تولید می کنند که امکان انتقال سریع را فراهم می آورد. نازک ساختن هر محفظه اطمینان حاصل می کند که اکثر حجم مایع با صفحه تماس گرفته و مجدداً به تبادل کمک می کند. فرورفتگی هایی بر روی این صفحات وجود دارد که باعث ایجاد جریان سرکشی در مایع می شوند تا انتقال حرارت در مبدل، به حداکثر برسد.

طراحی صفحات مبدلهای حرارتی صفحه ای

طراحی صفحات مبدلهای حرارتی صفحه ای

تعمیر مبدلهای حرارتی صفحه ای

تعمیر مبدل حرارتی صفحه ای به طور خاص، به تمیز کردن و سرویس دهی اجزای واحد دستگاه و در عین حال حفظ سالم ماندن صفحات می پردازد. در مورد مبدلهای حرارتی صفحه ای، رسوب گذاری معمولاً بین صفحات صورت می گیرد و با خوردگی فلزی در شیار های موجدار فلز رخ می دهد. تمیز کردن صحیح این صفحات به روشی برای سرویس دهی نیاز دارد که به راحتی و بدون آسیب زدن به صفحات، واشرها را خارج کنید. بیشتر مراکز تعمیر مبدل حرارتی صفحه ای علاوه بر تعمیر و رسیدگی، خدمات ویژه ای چون نگهداری مبدل حرارتی، دفع رسوب داخل مبدل حرارتی (تمیز کردن رسوبات)، محافظت در برابر خوردگی برای مبدل حرارتی و عیب یابی مبدل حرارتی انجام می دهند. از جمله آزمایش هایی که در این مراکز تعمیر مبدل حرارتی صفحه ای صورت می گیرد عبارت است از آزمایش هوای لوله ها و مونتاژ کامل، تست خلاء، تست هیدروژنی و همچنین بازرسی برای تشخیص خوردگی.

اسید شویی مبدلهای حرارتی صفحه ای

اسید شویی مبدلهای حرارتی صفحه ای یک فرایند برای شست و شوی مبدل هاست که به روش های مختلفی صورت می پذیرد. پمپ های اسید شویی برای رسوب زدایی تاسیسات سرمایش و گرمایشی مناسب است و از متداول ترین روش ها برای این کار است که به راحتی می توان از آن ها برای تمیز کردن مبدلهای حرارتی صفحه ای استفاده کرد. اسید شویی مبدل صفحه ای در بازه های زمانی مشخصی صورت می گیرد.  این رسوبات، از منیزیم، کلسیم و سیلیسیوم که در منبع تغذیه وجود دارد، به صورت لایه ای بر روی مبدل های حرارتی صفحه ای تشکیل می شود. لایه های به وجود آمده، مبدل ها را عایق کرده و انتقال حرارت را کند می کنند و باعث داغ کردن یا خرابی مبدل ها، کاهش راندمان انرژی و ایجاد فرسودگی بیشتر سیستم می شوند. به گفته وزارت انرژی، مبدل های حرارتی تمیز برابر با صرفه جویی در انرژی است. اسید شویی مبدل صفحه ای باعث کاهش هزینه های سوخت می شود و همچنین با تمیز کردن مرتب مبدل های حرارتی، برای جلوگیری از احتراق، که اغلب ناشی از مشعل کثیف است، کاهش داده می شود. حداقل یک بار در سال مبدل های حرارتی را بازرسی کنید و در صورت کثیف بودن آن ها را تمیز کنید.

 

نحوه نصب مبدلهای حرارتی صفحه ای

نصب مبدل حرارتي صفحه اي می بایست بر اساس دستورالعمل اجرايي و همچنین کتابچه راهنمای سازنده انجام شود. برخی موارد از جمله جازدن و جابه جايي صفحات، ترتيب و توالي فرآیند نصب اجزا، گشتاور مجاز و همچنین ترتيب سفت نمودن پيچ ها در هر نوع مدلی از انواع مبدل ها دارای تفاوت می باشد و باید به طور دقیق طبق دستور سازنده اجرا و نصب گردد. با این وجود قصد داریم تا در ادامه نحوه نصب مبدل حرارتی صفحه ای را آموزش دهیم.

نمای شماتیک از نصب مبدلهای حرارتی صفحه ای

نمای شماتیک از نصب مبدلهای حرارتی صفحه ای

  • مبدل هاي كوچك و سبک را مي توان به شکل خودایستا و يا به کمک قرارهای ساده فلزي نصب کرد.
  • مبدل های حرارتي صفحه اي که از نوع زردجوش هستند را می توان به صورت افقی و عمودي نصب كرد.
  • اگر مبدل به پشت و روي سطح افقي نصب شود، احتمال تجمع رسوب بالا می رود.
  • مسير آب گرم كننده و گرم شونده باید خلاف جهت یکدیگر باشد.
  • به منظور نصب مبدل حرارتی صفحه ای بزرگ و سنگين استفاده از از پايه هاي مناسب لازم است.
  • به منظور از بین بردن ارتعاش و لرزش مبدل حرارتی مي توان از لرزه گیر استفاده کرد.
  • به هیچ عنوان نباید پیچ ها بیش از اندازه سفت شوند؛ در غیر این صورت خطر تمركز تنش در صفحات مبدل حرارتی به وجود خواهد آمد.
  • نباید مبدل را به پايه و محل نصب آن جوش داد.
  • تعبيه نمودن شير اطمينان در مسيرهای آب گرم كننده و گرم شونده موجب حفاظت در مقابل افزایش بيش از حد فشار سيستم خواهد شد.