مبدل حرارتی دستگاهی است که در اثر اختلاف دمای ایجاد شده بین دو سیال، حرارت را از یک سیال (گاز یا مایع) به سیال دیگر منتقل می کند و موجب بهبود کارایی مصرف انرژی سیستم می شود. به عنوان مثال، گرمای هدر رفته در اگزوز یک توربین گازی را می توان از طریق یک مبدل حرارتی برای جوشاندن آب استفاده کرد تا توربین بخار را برای تولید برق بیشتر به حرکت درآورد. (این اساس فناوری توربین گازی سیکل ترکیبی است)
مبدلهای حرارتی بر اساس تفاوتهای ساختاری و نوع سیالی که از آنها عبور میکند، به انواع گوناگونی تقسیمبندی میشوند. دو نوع از رایج ترین انواع مبدل حرارتی مبدل حرارتی صفحه ای و مبدل حرارتی پوسته و لوله میباشد. در این مقاله به معرفی نوع صفحهای می پردازیم.
مبدل حرارتی صفحه ای
مبدلهای حرارتی صفحهای (PHEs) نوعی از مبدلهای حرارتی فشرده هستند که بهطور گسترده در صنایع مختلف مانند تبرید، گرمایش، سرمایش، و فرآیندهای شیمیایی کاربرد دارند. این مبدلها سطح بالایی از انتقال حرارت را در هر واحد حجم فراهم کرده و برای فضاهای محدود مناسب هستند و به سازههای تکیهگاه سبکتری نیاز دارند.
بهطور معمول، مبدلهای صفحهای از صفحات نازک و مستطیلی فولادی، اغلب از جنس فولاد ضد زنگ، تشکیل شدهاند که روی هم قرار میگیرند، به گونهای که جریانهای سیال گرم و سرد بهصورت متناوب از طریق مسیرهای بین صفحهای عبور میکنند. این صفحات ممکن است ساده باشند یا دارای شیارهایی با الگوهای مختلف که به بهبود سطح انتقال حرارت کمک میکند.
ویژگی برجسته مبدل حرارتی موتورخانه، فراهم کردن سطح انتقال حرارت بزرگتر در هر واحد حجم است. به همین دلیل، مبدلهای صفحهای به طور فزایندهای به انتخاب اول در کاربردهای صنعتی و خانگی در اندازههای کوچک تا متوسط تبدیل شدهاند. از آنجا که این مبدلها از نوع غیرتماسی هستند، کارایی آنها به شدت به جنس و هندسه صفحات بستگی دارد. در صورتی که درباره این مبدل صفحه ای موتورخانه نیاز به مشاوره دارید در انتهای این مقاله پرسش خود را مطرح کنید.
مزایای مبدل حرارتی صفحه ای یا فشرده
- در مقایسه با انواع مشابه مبدل های حرارتی، سیالات سرد و گرم در معرض سطح بیشتری در واحد حجم و ضریب انتقال حرارت بزرگتر قرار می گیرند.
- این مبدل حرارتی برای تمیز کردن میتواند برچیده شود.
- امکان جداسازی برای تمیز کردن را دارد.
- با افزودن یا حذف صفحات، امکان تنظیم ظرفیت وجود دارد.
- ابعاد کوچک و انعطاف پذیری برای تغییر اندازه حرارتی برای تطبیق با ظرفیت های بار حرارتی مختلف دارد.
- امکان تغییر هندسه، افزودن یا حذف صفحات وجود دارد.
تفاوت مبدل حرارتی صفحه ای و پوسته و لوله
جریان سیال در مبدل صفحه ای به علت موج دار بودن صفحات در اعداد رینولدز کم (10 تا 400 ) از حالت آرام به آشفته تبدیل می شود و با توجه به قطر هیدرولیکی کوچک، ضرایب انتقال حرارت در آنها افزایش یافته و لذا این نوع از مبدل ها از راندمان بالایی برخوردار می باشند. همچنین امکان افزایش ضریب انتقال حرارت در هر دو طرف صفحه وجود دارد.
مبدل حرارتی صفحه ای در ظرفیت های پایین سبب صرفه جویی تا حدود 80% در فضای نصب می شوند که دلیل آن فشرده و کوچک بودن این نوع از مبدل ها می باشد؛ به عنوان مثال به ازای سطح مؤثر حرارتی یکسان، وزن و حجم مبدل های صفحه ای به ترتیب 30% و 20% وزن و حجم نوع دیگر مبدل است.
صفحات نازک، مقاومت دیواره فلزی را به حداقل کاهش داده به طوری که مبدل های حرارتی صفحه ای تا حدود 82% از مقدار اختلاف دمای لگاریتمی (LMTD) را تامین می کنند. بنابراین به کمک این نوع از مبدل ها با اختلاف بسیار کم دماهای خروجی سیال سرد و گرم، بازیابی گرما تا بیش از 90% امکان پذیر است و مصرف انرژی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
اما از سویی دیگر مقاومت مکانیکی مبدل های صفحه ای به دلیل طراحی ظریف به خصوص در ظرفیت های بالا کاهش خواهد یافت و کاربرد نخواهد داشت. مبدل صفحه ای در مقایسه با لوله ای معادل، مساحت کمی برای اتلاف حرارت دارند؛ تنها لبه های صفحات در تماس با محیط خارج می باشند و از سوی دیگر ارقام داده شده نشان می دهد که افت حرارتی حاصل از تابش در مبدل حرارتی صفحه ای در حدود 20% مبدل های لوله ای است.
| مشخصه | مبدل حرارتی صفحه ای | مبدل حرارتی پوسته- لوله |
| انتقال حرارت همزمان چند جریان | ممکن | غیر ممکن |
| ضریب انتقال حرارت | بیشتر | کمتر |
| وزن کلی | کم | زیاد |
| حجم سیال و آبگیری | حجم کمتر | حجم بیشتر |
| فضای مورد نیاز | ابعاد کمتر | ابعاد بیشتر |
| جوشکاری | ندارد | دارد |
| حساسیت به ارتعاش | ندارد | دارد |
| دسترسی برای بازرسی | بر روی همه صفحات | محدود |
| تغییر ظرفیت | ممکن | غیر ممکن |
| حساسیت به نشتی | بالا بدلیل وجود گسکت ها | کم |
انواع مبدل حرارتی صفحهای
مبدل حرارتی صفحهای واشردار (Gasketed Plate Heat Exchanger – GPHE)
مبدل حرارتی گسکت دار، رایجترین نوع مبدل حرارتی صفحهای است. در این مدل، صفحات با واشرهای لاستیکی (EPDM، NBR، Viton و …) آببندی میشوند.
ویژگیها:
- قابلیت باز شدن و سرویسپذیری بالا
- امکان افزایش یا کاهش تعداد صفحات
- مناسب برای سیستمهای گرمایش و سرمایش با دما و فشار متوسط
مبدل حرارتی صفحهای لحیمی یا Brazed Plate Heat Exchanger (BPHE)
در این مدل مبدل صفحهای صفحات با آلیاژ مس یا نیکل لحیم میشوند.
ویژگیها:
- تحمل فشار و دمای بسیار بیشتر نسبت به نوع واشردار
- کاملاً فشرده و کوچک
- بدون نیاز به نگهداری دورهای
- مناسب چیلرها، پمپ حرارتی، سیستمهای مدار بسته و سیالات تمیز
- قابل تعمیر یا باز شدن نیست
مبدل حرارتی صفحهای جوشی (Welded Plate Heat Exchanger)
در این نوع مبدل صفحهای صفحات بهصورت کامل جوشکاری میشوند.
ویژگیها:
- مناسب سیالات خورنده یا دمای بسیار بالا
- تحمل فشار زیاد
- امکان استفاده در محیطهای صنعتی سنگین
- قابلیت سرویسکاری محدودتر نسبت به نوع واشردار
جدول مقایسه فنی مبدلهای حرارتی صفحهای واشردار و جوشی
شاخص فنی | مبدل حرارتی صفحهای واشردار (Gasketed) | مبدل حرارتی صفحهای جوشی (Brazed) |
نحوه آببندی | استفاده از واشرهای پلیمری (گسکت) | جوشکاری صفحات در خلاء (اغلب مس یا نیکل) |
قابلیت دمونتاژ | دارد (امکان باز کردن قاب و صفحات) | ندارد (ساختار یکپارچه و غیرقابل باز شدن) |
امکان افزایش ظرفیت | دارد (با اضافه کردن صفحات جدید) | ندارد (ظرفیت ثابت است) |
تحمل فشار | متوسط (معمولاً تا ۲۵ بار) | بالا (تا ۴۵ بار و بالاتر) |
تحمل دما | محدود به مقاومت واشر (حداکثر ۱۸۰ درجه) | بسیار بالا (تا ۲۲۵ درجه سانتیگراد) |
رسوبزدایی | مکانیکی (شستشوی دستی صفحات) و شیمیایی | فقط شیمیایی (روش CIP) |
ابعاد و وزن | بزرگتر و سنگینتر (به دلیل وجود فریم فولادی) | بسیار فشرده و سبک |
کاربرد رایج | موتورخانههای بزرگ، صنایع غذایی و شیمیایی | پکیجهای دیواری، سیستمهای تبرید و چیلر |
هزینه نگهداری | بالاتر (نیاز به تعویض دورهای واشرها) | پایین (در صورت استفاده از سختیگیر مناسب) |
معایب مبدل حرارتی صفحه ای
با مقایسه ای که بین خصوصیات این دو نوع مبدل حرارتی انجام گرفت، مشخص شد که مبدل های صفحه ای قادر به بازیابی 90% گرما می باشند و حدود 80% فضای کمتری نسبت به نوع دیگر مبدل اشغال می کنند. اما به دلیل بکارگیری گسکت و واشر در مبدل های حراتی صفحه ای امکان ایجاد نشتی و خرابی زود هنگام نسبت به نوع دیگر وجود دارد.
همچنین مبدل های صفحه ای بیشتر در مصارف خانگی، موتورخانههای مسکونی و ظرفیت های دمایی پایین میروند. بنابراین برای مصارف صنعتی و ظرفیت های آبگیری زیاد با محدوده دمایی بالا کاربرد نخواهند داشت. دابو صنعت سازنده مبدل حرارتی صفحه ای در کشور، سابقه ای درخشان در ساخت تجهیزات صنایع مختلف دارد. در صورت تمایل به خرید و کسب اطلاعات بیشتر با ما در تماس باشید.
سوالات رایج درباره مبدل حرارتی صفحه ای
انواع مبدل حرارتی صفحهای از نظر ساختار و اتصال کدامند؟
بهطور کلی انواع مبدل حرارتی صفحهای بر اساس نحوه آببندی صفحات به سه دسته اصلی تقسیم میشوند. مبدل حرارتی صفحهای گسکتدار (یا همان مبدل حرارتی صفحهای واشردار) که برای ظرفیتهای بالا و قابلیت دمونتاژ جهت رسوبزدایی استفاده میشود؛ مبدل حرارتی صفحهای جوشی که برای فشارهای بالا و ابعاد فشرده طراحی شده است؛ و نوع نیمهجوشی که برای سیالات خاص کاربرد دارد. انتخاب میان این مدلها بستگی مستقیمی به فشار کاری و نوع سیال در موتورخانه یا فرآیند صنعتی دارد.
مهمترین معایب مبدل حرارتی صفحهای نسبت به مدلهای پوسته-لوله چیست؟
در کنار مزایای بیشمار، معایب مبدل حرارتی صفحهای شامل محدودیت در تحمل فشار و دمای بسیار بالا (در مدلهای واشردار) است. همچنین این مبدلها نسبت به ذرات معلق در سیال حساس هستند و در صورت عدم استفاده از فیلتر مناسب، به سرعت دچار گرفتگی میشوند. از دیگر موارد میتوان به هزینه بالای تعویض واشرها در مدلهای بزرگ و دشواری نشتیابی در برخی ساختارهای پیچیده اشاره کرد.
مبدل حرارتی صفحهای جوشی در چه مواردی بر مدل گسکتدار برتری دارد؟
مبدل حرارتی صفحهای جوشی به دلیل حذف واشرهای لاستیکی، توانایی تحمل دما و فشار بسیار بالاتری را دارد و احتمال نشت سیال در آن تقریباً صفر است. این مبدلها بسیار فشردهتر هستند و برای سیکلهای تبرید یا سیستمهایی که سیال آنها با پلیمرها سازگار نیست، گزینهای ایدهآل محسوب میشوند؛ هرچند برخلاف مبدل حرارتی صفحهای واشردار، امکان باز کردن و تمیزکاری مکانیکی صفحات در آنها وجود ندارد.
پارامترهای اصلی در محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی صفحهای کدامند؟
برای محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی صفحهای، پارامترهایی نظیر دبی سیال سرد و گرم، دمای ورودی و خروجی هر دو سمت، ویسکوزیته سیال و ضریب انتقال حرارت کلی (U) نقش کلیدی دارند. همچنین میزان افت فشار مجاز در سیستم تعیینکننده تعداد و آرایش صفحات است. متخصصان دابو صنعت با استفاده از نرمافزارهای پیشرفته مهندسی، این محاسبات را برای دستیابی به بالاترین راندمان حرارتی در موتورخانهها انجام میدهند.
سایر مقالات
برخی محصولات دابو صنعت
