مبدل صفحه ای چیست و چگونه کار می کند؟

یکی از انواع پرکاربرد مبدل های حرارتی، مبدل حرارتی صفحه ای می باشد. در این مبدل ها تبادل حرارت بین سیال سرد و گرم از طریق سطوح نازک فلزی صورت می پذیرد. الگوی خاص صفحات در مبدل های حرارتی صفحه ای منجر به ایجاد آشفتگی جریان و در نتیجه افزایش ضریب انتقال حرارت می گردد. این موضوع سبب گردیده است که سایز مبدل های حرارتی صفحه ای حدود 3-5 برابر کوچکتر از مبدل های پوسته لوله سنتی باشد. مبدل های صفحه ای خود دارای انواع متنوعی از جمله: واشردار، بلاک، صفحه-پوسته و لحیمی می باشند که بسته به نیاز صنایع مانند دما، فشار، نوع سیال کاری، قیمت و مباحث مربوط به تعمیر و نگهداری طراحی و ساخته می شوند.

مبدل صفحه ای چیست؟

یک مبدل حرارتی صفحه ای از مجموعه ای از صفحات موازی و اعوجاج دار تشکیل شده است که در کنار هم قرار گرفته و کانال های عبور سیال را شکل می دهند. صفحات که معمولا از جنس استنلس استیل هستند توسط واشرهای لاستیکی مخصوص، کانال های آب بندی شده ای را به وجود می آورند. اعوجاج صفحات منجر به آشفتگی جریان حتی در سرعت های بسیار پایین می گردد. در نتیجه، ضریب انتقال حرارت نسبت به کانال صاف و همچنین لوله به طور قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت. در مقابل این افزایش انتقال حرارت، افت فشار نیز افزایش پیدا می نماید.  مبدل های صفحه ای رایج ترین نوع مبدل های حرارتی فشرده هستند و از همین جهت در صنایع غذایی و سایر مصارف بهداشتی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

نحوه کار مبدل صفحه ای

نحوه کار مبدل حرارتی صفحه ای بدین شکل است که تعدادی صفحه که از ضخامت کمی برخوردار هستند و به طور متوالی قرار گرفته اند، یک فضای خالی میان آنها به وجود می آید. در این سیستم یک لوله مربوط به جریان سیال سرد بوده و لوله دیگر برای سیال گرم در نظر گرفته شده که به صورت یکی در میان به صفحه های مذکور متصل می شوند. در این حین سطح انتقال حرارت بالا رفته و در نتیجه فرآیند انتقال حرارت از طریق دیواره صفحه های میان سیالات انجام می پذیرد. در حال حاضر مبدل حرارتی صفحه ای به واسطه نحوه عملکردشان به صورت گسترده ای در انواع مختلفی از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند.

اجزای مبدل حرارتی صفحه ای (PHE)

مبدل حرارتی صفحه ای از بخش‌های نسبتاً کمی تشکیل شده‌است. از آنجایی که این مبدل ها برای انتقال گرما به کار می‌روند، به دریچه‌های ورودی و خروجی نیاز دارند تا مواد سیال بتوانند وارد و خارج از مبدل حرارتی شوند. این ماده‌ی سیال ممکن است مایع یا گاز باشد. چون سیالات اغلب با عنوان مایع شناخته می‌شوند، بنابراین ما از اصطلاح سیال استفاده می‌کنیم تا از هرگونه اشتباه و سردرگمی جلوگیری کنیم.

نقش گسکت ها (واشرها) در مبدل صفحه ای

از واشرها (گسکت ) و صفحات برای جدا کردن مواد سیال و جلوگیری از مخلوط شدن آنها استفاده می‌شود. واشرها تنها به یک طرف از هر صفحه چسبانده می‌شوند. صفحات از یک میله‌ی حمل کننده آویزان می‌شوند و با استفاده از پیچ‌های محکم، به هم بسته می‌شوند. هنگامی که صفحات به هم فشرده می‌شوند، به آنها "پشته‌ی صفحه" می‌گویند. میله‌ی هدایت کننده، تضمین می‌کند که زمانی که پشته‌ی صفحه باز و بسته می‌شود، صفحات به درستی همتراز می‌شوند. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه به مقاله نقش انواع واشرها در مبدل های صفحه ای واشردار مراجعه نمایید.

آخرین بخش مورد نظر، دو پوششی است که در انتهای پشته‌ی صفحه قرار می‌گیرند. یک پوشش قابل جابجایی است در حالیکه پوشش دیگر، ثابت است. گاهی اوقات به این پوشش‌های متحرک و ثابت، صفحه‌ی فریم ثابت و صفحه‌ی فشار متحرک گفته می‌شود. توجه داشته باشید که دریچه‌های ورودی و خروجی فقط بر روش پوشش ثابت سوار می‌شود.
در مقاله مبدل صفحه ای و اجزای اصلی آن به توضیحات کاملتری در این خصوص پرداخته ایم. می توانید این نوشته را مطالعه و از آن استفاده نمایید.

مبدل صفحه ای چگونه کار می کند؟

فرض می‌کنیم که یک مبدل صفحه‌ای داریم که دارای دو سیال می‌باشد، یکی سرد است و دیگری گرم؛ واسط سیال گرم باید با واسط سیال سرد خنک شود و این امر در مبدل حرارتی صفحه‌ای اتفاق می‌افتد.

سیال گرم از طریق ورودی واسط گرم، وارد مبدل حرارتی می‌شود و واشر یا گسکت، واسط گرم را طوری هدایت می‌کند که از آن عبور کند. هر صفحه دارای یک الگوی واشربندی متناوب می‌باشد. واسط گرم، وارد فضای بین دو جفت صفحه می‌شود، اما وارد فضای جفت بعدی صفحات نمی‌شود چرا که واشر مانع آن می‌شود. این فرآیند ادامه می‌یابد تا اینکه هر دو جفت صفحه، با جریان سیالات گرم پر شوند.

در همین حال، سیال سرد از طریق ورودی واسط سرد، وارد مبدل حرارتی می‌شود،اما ‌این بار، واشرها به گونه ای قرار داده شده اند که اجازه می‌دهند سیال سرد وارد فضایی شود که هیچ سیال گرمی در آنجا وجود ندارد. مبدل حرارتی اکنون پر از جریال سیال‌های گرم و سرد می‌باشد. هر سیال، از دریچه‌ی خروجی مربوطه‌ی خود خارج می‌شود و این فرآیند به طور مداوم تکرار می‌شود.

توجه داشته باشید که دو واسط جریان گرم و سرد، به طور پیوسته در مبدل حرارتی در کنار یکدیگر قرار دارند. بنابراین، مواد سیال، به صورت الگوی گرم، سرد، گرم، سرد می‌باشند که در مبدل حرارتی جریان دارند. هر دو جریان سیال، به طور کامل از طریق واشرها و صفحات از همدیگر جدا می‌شوند و با هم ترکیب و مخلوط نمی‌شوند.

جابجایی الگوی سرد/گرم

به دلیل نزدیکی و مجاورت واسط‌های جریان سیالات، گرما بین آنها منتقل می‌شود. مواد سیال گرم، صفحه را گرم می‌کنند و این صفحه، مقداری از این گرما را به جریان سیال سرد منتقل می‌کند. در نتیجه، دمای سیال گرم کاهش می‌یابد، در حالیکه دمای سیال سرد افزایش می‌یابد.

طراحی مبدل صفحه ای

مهمترین و اصلی‌ترین دلیل کارآمدی مبدل حرارتی صفحه ای، صفحه‌های آن می‌باشد. صفحات در مبدل صفحه ای ممکن است طراحی ساده‌ای داشته باشند، اما هر صفحه پر از مشخصه‌های طراحی مهندسی شده‌ی جالب می‌باشد. برای مثال:

• زمانی که صفحات به هم فشرده می‌شوند تا پشته‌ی صفحه را شکل دهند، فاصله‌ی بین هر کدام از صفحات بسیار کوچک است و تماس گرمایی خوبی را بین دو جریان سیال تضمین می‌کند. فاصله‌ی بین صفحات نیز با عنوان "فضای خالی " شناخته می‌شود.

• صفحات نازک هستند و سطح تماس بزرگی دارند که به هر صفحه، میزان انتقال حرارتی بالایی را می‌دهند.

• صفحات از موادی با رسانای بالای حرارتی تولید شده اند که میزان انتقال گرما را افزایش می‌دهند.

• سطح موج دار صفحات، مانع جریان آرام و گسترش جریان آشفته در سیال می‌شود که میزان انتقال گرما را افزایش داده در حالیکه احتمال انباشته شدن رسوبات بر روی سطوح صفحه را نیز کاهش می‌دهد.

• سطح موج دار صفحه نیز برای مستحکم کردن ساختار صفحه به کار می‌رود که باعث می‌شود صفحه‌ی نازک‌تر، در مقایسه با صفحه ای که فاقد سطح موج‌دار است، مورد استفاده قرار گیرد. توجه داشته باشید که سطح موج‌دار صفحه، گاهی اوقات با عنوان الگوی "پره جناغی " شناخته می‌شود.

صفحات تنها بخش مبدل صفحه ای نیستند که دارای مشخصه‌های طراحی گسترده باشند، بلکه واشرها نیز دارای مشخصه‌های طراحی جالب هستند:

• واشرها قادر به بستن و درزگیری بین صفحات هستند، حتی وقتی که فشار و دمای سیستم تغییر می‌کند.

• سوراخ‌های هر واشر، که با نام telltales شناخته می‌شود، برای شناسایی منفذهای نشت‌کننده در واشرها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این قابلیت به اپراتورها این امکان را می‌دهد تا قبل از نشت سیال در واشر بعدی و خراب کردن دیگر اجزا و سیال، صفحه‌ی آسیب دیده را تعویض کنند.

• از آنجایی که واشرها جریان سیال را از طریق مبدل حرارتی هدایت می‌کنند، لازم است که آنها به ترتیب درست و صحیحی نصب شوند. به همین دلیل، واشرها اغلب با نشانه‌گذاری‌هایی نصب می‌شوند تا اپراتورها بتوانند هر صفحه را بررسی کنند تا اینکه در مجموعه‌ی پشته‌ی صفحه، به درستی نصب شده باشد. روش دیگری که می‌توان از نصب شدن درست و صحیح پشته‌ی صفحه اطمینان حاصل کرد این است که در هنگام نصب و مونتاژ سیستم، یک خط مورب در کل پشته‌ی صفحه رنگ آمیزی شود.

• اگرچه ما فقط به دو طرح واشر در این مقاله پرداختیم، اما در واقع سه طرح وجود دارد! واشرها در کل مجموعه‌ی مبدل حرارتی، به جز در صفحه‌ی اول و صفحه‌ی آخر به صورت متناوب قرار دارند، که بر پوشش‌های متحرک و ثابت بسته می‌شوند. صفحاتی که بر روی پوشش‌های ثابت و متجرک فشرده می‌شوند، با عنوان صفحات ابتدایی و انتهایی شناخته می‌شوند که دلیل آن، محل قرارگیری آن در پشته‌ی صفحه می‌باشد. هدف صفحات ابتدایی و انتهایی، جلوگیری از جریان داخل به فضای بین پوشش ثابت و صفحه‌ی ابتدایی و همچنین جلوگیری از جریان داخل به فضای بین پوشش متحرک و صفحه‌ی انتهایی می‌باشد. در این صورت، پوشش‌ها به طور فعال برای تبادل گرما و حرارت مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. از آنجایی که پوشش‌ها کاملاً ضخیم هستند و به صورت موج‌دار نیستند و برای انتقال گرما طراحی نشده‌اند، این امر منطقی به نظر می‌رسد.

چندین روش برای تغییر ظرفیت سرمایش یک مبدل صفحه ای وجود دارد:

• تنظیم شیرهای خروجی به طوری که جریان سیال کاهش یا افزایش یابد. این روش مفید است زیرا هیچ جداسازی مبدل حرارتی رخ نخواهد داد. شیر ورودی را دستکاری یا تنطیم نکنید، چون این کار ممکن است ورودی مبدل حرارتی را قطع کند و منجر به داغ شدن بیش از حد شود.

• افزایش یا کاهش تعداد صفحات در پشته‌ی صفحه. افزایش تعداد صفحات در پشته‌ی صفحه، باعث افزایش متناظر ظرفیت سرمایش می‌شود. کاهش تعداد صفحات، باعث کاهش متناظر ظرفیت سرمایش می‌شود. به طور خلاصه، هرچه تعداد صفحات بیشتر باشد، ظرفیت سرمایش بیشتر است و هرچه تعداد صفحات کمتر باشد، ظرفیت سرمایش کمتر است.

• استفاده از مدل تک گذر یا چند گذر . مبدل‌های حرارتی تک گذر، به هر دو سیال اجازه می‌دهد که تنها یک بار از کنار یکدیگر عبور کنند. مبدل‌های حرارتی چندگذر، به هر دو سیال اجازه می‌دهد که چندین بار از کنار یکدیگر عبور کنند. اکثر مبدل‌های حرارتی صفحه ای، از مدل تک‌گذر استفاده می‌کنند.

انواع جریان در  مبدل 

جریان سیال در مبدل صفحه ای ممکن است به صورت موازی، متقاطع یا مخالف باشد. مبدل‌های حرارتی صفحه ای معمولاً از جریان مخالف استفاده می‌کنند چرا که این جریان برای انتقال حرارت و گرما، بسیار کارآمد می‌باشد. جریان مخالف گاهی با عنوان جریان ناهمسو شناخته می‌شود.

نکات لازم در طراحی مبدل صفحه ای

از آنجایی که مبدل‌های حرارتی صفحه ای برای کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند، باید برای تحمیل شرایطی که در آن کار می‌کنند طراحی شوند که می‌تواند شامل محیط‌های فرساینده و مخرب باشد. در واقع ساخت مبدل‌های حرارتی صفحه ای از مواد مختلف مانند فلزات، آلیاژها و پلاستیک امکان‌پذیر است. مواد مختلف باعث می‌شوند تا مبدل حرارتی صفحه ای برای کاربردهای مختلف، مناسب باشد. برای مثال، اگر یک سیال خاص در هنگام تماس با یک فلز خاص، به شدت واکنش نشان می‌دهد، بنابراین مواد پلیمری مانند تفلن را می‌توان به جای آن استفاده کرد. درصورت تمایل به نحوه نصب این مبدل مقاله نحوه نصب مبدل صفحه ای را مطالعه کنید.

مزایای مبدل حرارتی

مبدل‌ مزایای متعددی دارند:

• مبدل‌های حرارتی صفحه ای، وزن کمتری دارند و نیاز به فضای کمتری دارند. همچنین در مقایسه با دیگر طرح‌های مبدل حرارتی در همین اندازه، کارآمدتر هستند.

• جایگزینی و تمیزکردن صفحات یک کار ساده است، زیرا پشته‌ی صفحه را می ‌توان به راحتی باز کرد.

• برخلاف مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، مبدل‌های حرارتی صفحه ای نیاز به فضای اضافی برای جداسازی ندارند.

معایب مبدل حرارتی صفحه ای

اما مبدل‌های حرارتی صفحه ای معایبی نیز دارند:

• مبدل‌های حرارتی صفحه ای، نسبت به دیگر طرح‌های مبدل حرارتی گران‌قیمت هستند.

• اگر یک واشر نشت‌دار وجود داشته باشد که باعث شود یک سیال با سیال دیگر ترکیب شود، بنابراین پیداکردن صفحه‌ی نشت‌دار اغلب مشکل می‌باشد.

• جایگزینی و تعویض واشرهای صفحه در محل می‌تواند دشوار یا غیرممکن باشد. برخی از واشرهای صفحه باید برای تعویض به تولید کننده بازگردانده شوند که هم زمان و هزینه‌ی زیادی را لازم دارد.

• زمانی که صفحات به هم فشرده می‌شوند تا پشته‌ی صفحه را ایجاد کنند، فاصله و فضای خالی بین هر کدام از صفحات کوچک است و این امر احتمال اشتباه و رسوب و کاهش انتقال حرارت و گرما را بالا می‌برد.

• هنگام سوار کردن دوباره‌ی پشته‌ی صفحه، محکم کردن بیش از حد پیچ‌ها می‌تواند منجر به خرد شدن صفحات شود، به عبارت دیگر به شیارهای صفحه آسیب می‌زد و واشرها را تحت فشار قرار می‌دهد. اگر واشرها تحت فشار قرار گیرند، صفحه دیگر به درستی محکم نخواهد شد.

• مبدل‌های حرارتی صفحه ای برای کاربردهای با فشار بالا مناسب نیستند،‌ چون واشرها به دلیل فشار سیستم از جای خود خارج می‌شوند. به این وضعیت، "در رفتن واشر" گفته می‌شود. با این حال، می‌توان با استفاده از طرح‌های بدون گسکت یا واشر، از این مشکل جلوگیری کرد. این طرح‌ها معمولا از صفحه‌های جوشی استفاده می‌کنند. مبدل‌های حرارتی صفحه ای جوشی برای استفاده در دما و فشار بالاتر و همچنین مواردی که در آن نشت مواد سیال می‌تواند خطرآفرین یا فاجعه‌انگیز باشد، مانند سیال‌های سمی، مناسب می‌باشد.

این مقاله به بررسی تمامی اجرای اصلی مبدل صفحه ای، نحوه‌ی کارکرد آن، مشخصه‌های طراحی و مزایا و معایب این نوع مبدل حرارتی پرداخته است. اگر می‌خواهید اطلاعات بیشتری کسب کنید، حتما مبدل های صفحه ای طاها قالب را مطالعه فرمایید.