تبادل حرارتی میان دو یا چند سیال با دماهای مختلف در اغلب فرآیندهای صنعتی، تجاری و خانگی اتفاق می افتد و معمولا بدین منظور از مبدل های حرارتی استفاده می شود.
در صنعت بسته به محدوده درجه حرارت، فشار و شرایط کاری و عملیاتی، مبدلها به شکل های مختلف طراحی و ساخته می شوند. شدت رقابت در بازارهای جهانی و نیاز روز افزون به صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش اثرات زیست محیطی فرآیندها سبب شده است که مصرف کنندگان به سمت استفاده از مبدل های حرارتی با کارایی بالا متمایل شوند.
مقدمه
مبدلهای حرارتی صفحهای متنوع هستند و کاربرد آنها در صنایع غذایی، شیمیائی، نفت، داروسازی، دریایی و تاسیسات حرارتی و برودتی میباشد. پیشرفتهای اخیری كه در تكنولوژی تولید و ساخت این نوع از مبدلها بوجود آمده است منجر به كاهش هزینههای تولید شده و همچنین با توجه به اهمیت فراوان مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی و عملکرد مناسب مبدل صفحه ای در راستای تحقق این هدف، افزایش روز افزون كاربرد آنها در صنعت تاسیسات مشاهده میشود.
از مبدل حرارتی صفحهای برای گرمایش آب گرم مصرفی بطور چشمگیری استفاده میشود، در این سیستم آب گرم با دما و مقدار مورد نیاز بصورت دائمی در اختیار مصرف كننده قرار گرفته و به عبارت دیگر تمام نشدنی است. همچنین در این سیستم تولید آب گرم فوری، میتوان آب را با دمای لازم تولید و در همان دما مصرف نمود؛ كه سبب صرفه جویی زیادی در انرژی و مصرف آب خواهد شد. مبدل حرارتی صفحهای متشکل از مجموعهای مستطیلی از صفحات فلزی موج دار بوده که توسط یک قاب در کنار یکدیگر ثابت نگه داشته شده و دو سیال سرد و گرم به صورت یک در میان، بین آنها جریان دارند.
در این مقاله ضمن معرفی کامل انواع مبدلهای حرارتی صفحهای، قطعات سازنده و نحوه عملکرد آنها، به بررسی پارامترهای طراحی میپردازیم و در پایان به نقش موثر این مبدل ها در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله برای کاهش مصرف سوخت می پردازیم.
معرفی انواع مبدل حرارتی صفحه ای و قطعات سازنده آن
مبدل های حرارتی صفحه ای به چهار دسته مختلف تقسیم بندی می شوند:
1- مبدل حرارتی صفحه ای واشردار
2- مبدل حرارتی صفحه ای لحیمی
3- مبدل حرارتی صفحه ای نیمه جوشی
4- مبدل حرارتی صفحه ای جوشی
در ادامه به بررسی اصول طراحی و کاربرد مبدل حرارتی صفحه ای واشردار می پردازیم.
مبدل حرارتی صفحه ای واشردار
این نوع از مبدل ها از هشت بخش اصلی تشکیل شده اند، این اجزا عبارتند از:
1- صفحه ثابت یا صفحه قاب که معمولا چهار دهانه ورودی و خروجی سیال بر روی آن قرار گرفته است.
2- صفحه فشار یا صفحه متحرک که نقش آن ایجاد فشار بر روی صفحات می باشد. این صفحات معمولا از فولادهای کربنی ساخته شده و سپس با مواد ضد زنگ و یک لایه رنگ جهت جلوگیری از خطر خوردگی پوشیده می شوند.
3- مجموعه صفحات واشربندی شده که در واقع هر دو سیال سرد و گرم یک در میان در بین آنها جریان دارند. واشرها علاوه بر هدایت سیال مانع از نشت آن به بیرون شده و از آمیخته شدن دو سیال با هم جلوگیری می کنند.
4- میله حامل بالایی که صفحات را نگه داری کرده و معمولا از جنس آلومینیوم یا فولاد کربنی رنگ شده می باشد.
5- میله هادی پایینی که وظیفه هدایت صفحات را به عهده داشته و معمولا از جنس استنلس استیل (فولاد زنگ نزن ) ساخته می شود.
6- میله و پیچهای اتصال، این اتصالات به کمک دو صفحه ثابت و صفحه فشار مجموعه صفحات واشربندی شده را تحت فشار قرار داده تا سیستم از درون بتواند فشار سیال عبوری را تحمل کند.
7- مجاری اتصال دهنده که معمولا بر روی صفحه ثابت تعبیه شده به طوری که در امتداد سوراخهای صفحات قرار می گیرند و وظیفه اتصال به سیستم لوله کشی را دارند، اتصالات و نازلها معمولا از جنس صفحات ساخته می شوند تا بدین وسیله از خوردگی های الکتروشیمیایی جلوگیری کنند.
8- پایه انتهایی که در مبدل های کوچک بکار نمی رود و وظیفه افقی نگه داشتن کل مبدل را بر عهده دارد.
به کمک پرس های بزرگ هیدرولیکی طرح ها و نقش های مختلفی بر روی صفحات ایجاد می شود که به طور کلی باعث ابجاد استحکام مکانیکی، افزایش تلاطم، کاهش رسوب گرفتگی، افزایش سطح تماس، بازدهی حرارتی بسیار بالا و صرفه جویی در مصرف سوخت و تنوع در طراحی می شود. نوع موج دهی در صفحات به دو گروه اصلی نوع جریان آزاد و نوع شورون تقسیم می شود.
صفحات جریان آزاد برای سیالاتی بکار می رود که حاوی ذرات جامد شناور در سیال می باشند (صنایع قند و آب میوه)، صفحات نوع شورون از کاربرد بیشتری در صنعت برخوردار هستند و شیارها می تواند به صورت افقی یا عمودی باشد. استفاده از طرح شکلاتی در ناحیه توزیع سبب توزیع یکنواخت تر جریان شده و افت فشار را حداقل می کند. عمق پرس مبدل حرارتی صفحه ای واشردار بین 5/1 تا 11 میلی متر جهت انجام وظایف مختلف، تغییر می کند.
جنس صفحات مبدل حرارتی صفحه ای واشردار
تمام موادی که از استحکام کافی برخوردار هستند و قابلیت فرم دهی دارند را می توان در صفحات مبدل حرارتی استفاده کرد.
جنس واشرها در مبدل حرارتی صفحه ایواشرها برای درزبندی و آب بندی صفحات بکار می روند. این واشرها اشکال پیچیده داشته و با قالب های مخصوصی تولید می گردند. عمده ترین مواد لاستیکی بکاررفته در آن عبارتند از : نیتریل- بوتادین، لاستیك اتیلن- پروپیلن،کلروپرین، بیوتیل و لاستیک ترکیب شده با فلور. انتخاب این مواد برپایه تجربیات عملی برروی مبدل ها و تجربیات تولیدکنندگان لاستیک می باشد. واشرها با روکش پلیمر فلوئور شامل یک هسته الاستومری می باشند که برای مواردی که مقاومت شیمیایی بالا مورد نیاز است به کار برده می شود. پلیمرهای زیاد دیگری با درجات متفاوتی از مقاومت گرمایی و خواص مکانیکی برای ساخت واشر ها بکار می رود. گازها و مایعات با توجه به طبیعت سیال، دما، فشار و زمان تماس بر روی مواد لاستیکی تأثیر می گذارند. نفوذ فیزیکی و جذب سیال در ماده الاستومر باعث برجستگی و تورم واشر می شود. این تأثیرات را می توان به دو دسته تأثیرات فیزیکی و شیمیایی تقسیم نمود. واکنش های شیمیایی همانند اکسیداسیون و. . . باعث تغییرخواص فیزیکی واشرها می شود. عمر واشرها متأثر از عوامل متفاوتی است همچون مقاومت به واکنش های شیمیایی و مقاومت به کهنگی، اما جنس واشرها براساس سالها تجربه سازندگان مبدل و تولیدکننده های لاستیک انتخاب می شود. در صنایع شیمیایی که واشرها عموماً تحت تأثیر سیالات و محیط های خورنده می باشند ، معمولاً جنس واشرها از الاستومرهای فلوروکربن (FPM) انتخاب می شود که دارای مقاومت خوبی در مقابل دماهای بالا و محیط های شیمیایی می باشد . این مواد مقاومت خوبی نسبت به روغن ها، اسیدها و بیشتر هیدروکربن ها، که حلال سایر لاستیک ها هستند، از خود نشان می دهند. از سوی دیگر خواص مکانیکی خوبی نیز داشته و طول عمر قابل قبولی دارد.
آرایش جریان بین صفحات
مبدلهای حرارتی صفحه ای واشردار از نظر نحوه آرایش جریان بسیار انعطاف پذیرند. به طور کلی می توان آرایش جریان سیال درون مبدل را براساس چگونگی حرکت و جهت به دو دسته تقسیم کرد که عبارتند از آرایش جریان موازی و آرایش جریان سری. هر کدام از این نوع آرایش جریان بسته به جهت جریان سیال می توانند به صورت همسو ( هم جهت ) یا ناهمسو ( معکوس ) در نظر گرفته شوند، نوع متداول جهت جریان در مبدلهای سری، جریان معکوس است زیرا بازدهی بیشتری از نظر انتقال حرارت دارد.
در آرایش موازی جریان به دو صورت از مبدل خارج می شود . اگر جریان ورودی و خروجی سیالات عبوری از مبدل از روی قاب ثابت باشد، به این نوع آرایش، آرایش موازی U شکل گویند، ولی اگر نازل های ورودی وخروجی جریان دو سیال روی یک قاب نباشد ( یکی روی قاب ثابت و دیگری روی قاب متحرک ) جریان را جریان موازی Z شکل گویند.
رسوب، ته نشینی و نگهداری مبدل حرارتی صفحه ای
در عمل رسوبات باعث کاهش بازده حرارتی مبدل به واسطه کاهش ضریب انتقال حرارت کلی می شوند. رسوب همچنین باعث افت فشار شدیدی در دستگاه شده و انرژی مصرفی پمپ بالا می رود. درصد تشکیل لایه های رسوب به الگوی سطح صفحه بستگی داشته و متأثر از فاکتور های مقابل است : شرایط عملکرد دستگاه، نوع سیال، طبیعت آلاینده ها، سرعت جریان سیال در کانال ها، دمای دیواره فلزی و تنش برشی اعمالی بر سیال از طرف صفحه. به واسطه اغتشاش ایجاد شده در مبدل حرارتی صفحه ای، رسوب در این مبدل کمتر از سایر انواع مبدل ها می باشد. تنش برشی در این صفحات زیاد بوده و باعث ایجاد اثر خودتمیز شوندگی و کاهش رسوب میگردد. با این حال برای دستیابی به ظرفیت نامی و زدودن رسوبات، دستگاه باید تمیز شود. نظافت دستگاه بصورت مکانیکی یا با سیرکوله کردن محلول تمیزکننده صورت می گیرد.
در مقاله بعدی به ادامه بحث در خصوص انواع مبدل های حرارتی خواهیم پرداخت.