مبدل های حرارتی صفحه ای

مقدمه

مبدل های حرارتی تجهیزاتی هستند که گرما را به وسیله یک دیواره رسانا از یک سیال به سیال دیگر انتقال می دهند. این انتقال حرارت از سیال داغ تر (مایع یا گاز) به سیال سردتر رخ می دهد. بر اساس این تعریف، طیف وسیعی از تجهیزات از جمله بویلرها، کندانسورها، تقطیر کننده ها و کویل های خنک کننده تهویه در این مجموعه قرار می گیرند.

به دلیل کاربردهای متنوع مبدل های حرارتی نام های مختلفی برای آنها وجود دارد. با در نظر گرفتن اینکه از یک مبدل حرارتی چه می خواهید، باید به این فکر کنید که چه چیزی را می خواهید گرم یا خنک کنید و یا برای چه چیزی از آن استفاده می کنید.

انواع مختلف مبدل های حرارتی

1. مبدل حرارتی نازک لوله ای پره دار (Finned tube HE) یا مبدل حرارتی هوا خنک
2. مبدل حرارتی (نازک لوله و پوسته) Shell & Tube
3. مبدل حرارتی صفحه ای (Plate HE) یا مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

مبدل حرارتی نازک لوله ای پره دار (Finned Tube Heat Exchanger)

این نوع مبدل های حرارتی به این صورت کار می کند که سیال درون مجموعه ای از نازک لوله های پره دار(Finned tube) جاری می شود. از سوی دیگر گاز یا هوا به اطراف این نازک لوله ها پمپاژ شده تا فرآیند خنک شدن انجام گردد. بنابر مسائل طراحی، گاهی اوقات این نوع مبدل های حرارتی، کولر ها یا خشک کن ها (Dryer) در مجرایی محصور هستند و در برخی موارد کاملاً در معرض محیط قرار می گیرند. با توجه به گستردگی سطح پره ها و جریان هوا یا گاز خنک کننده، توانایی انتقال حرارت و کارایی این تجهیزات تغییر خواهد یافت.

این نوع مبدل های حرارتی اغلب برای بازیابی حرارت در فرآیند هایی که گاز داغ را خارج می سازند، استفاده می شود. بدین صورت که گرمای موجود در گاز داغ به مایع درون تجهیز که معمولاً آب یا روغن است، منتقل می گردد. سپس می توان از مایع گرم شده درون سیستم به طرق مناسب استفاده نمود. مبدل های حرارتی هوا خنک یا ACHE ها برای کاربردهای شیمیایی، خنک کننده های پتروشیمی، خنک کننده های بخار، فرآوری منسوجات، خشک کردن دانه ها، پخت بتن، تولید کاغذ و فرآوری مواد غذایی، بسیار به کار می روند. از آنجایی که هوا پر مصرف ترین سیال فرآیندی در جهان است، دامنه کاربرد مبدل های حرارتی هواخنک (ACHE) نیز بسیار زیاد است.

مبدل های حرارتی نازک لوله و پوسته (Shell & Tube Heat Exchanger)

این نوع مبدل های حرارتی با عبور یک سیال یا گاز سرد یا گرم از یک سری نازک لوله (معروف به بسته نازک لوله (Tube Bundle)) که در یک پوسته فلزی بزرگ محصور شده اند، کار می کنند. جریان سیال یا گاز سرد/گرم به داخل پوسته پمپ شده و در این حین انتقال حرارت اتفاق می افتد.

به طور معمول، این نوع مبدل ها برای کارکرد در فشار های بالاتر استفاده می شوند. همچنین در شرایطی که ممکن است نیاز به سازه ای مقاوم در برابر تنش های بالا وجود داشته باشد، نیز مناسب هستند. به دلیل مهاربندی ساختاری، این نوع مبدل ها برای گازهای داغ تر مناسبترند(نسبت به مبدل های حرارتی نازک لوله ای پره دار)، به ویژه در مواردی که گازها مضر و یا خطرناک نیز بوده و یا محدودیتی بابت انتشار آنها در جو، وجود داشته باشد. از کاربردهای رایج اینگونه مبدل ها می توان به صنایع نفت، گاز و پتروشیمی اشاره کرد.

 مبدل حرارتی صفحه ای یا مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

مبدل های حرارتی صفحه ای یا مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار با عبور سیالات از فضای بین یک سری صفحات که در کنار هم فشرده شده اند، کار می کنند.

این نوع مبدل ها، اغلب در کاربردهای مایع به مایع یافت می شوند. به عنوان مثال، در مواردی که آب گرم دارای مواد شیمیایی بوده و از آب سرد برای تمیز کردن آن استفاده می گردد. به همین ترتیب، در مواردی که محدودیتی برای اختلاط دو سیال وجود داشته باشد، مانند عدم اختلاط آب و روغن، نیز ممکن است از این نوع مبدل ها استفاده شود.

مبدل های حرارتی صفحه ای، از پنج بخش اصلی تشکیل شده اند. حفاظ های ورقه ای، ریل راهنما، صفحات انتقال حرارت، ستون نگهدارنده و پیچ های اتصال. ورودی و خروجی هر دو سیال معمولاً در یک سمت مبدل قرار می گیرند. سیالات توسط صفحات انتقال حرارت از هم جدا می شوند. هر صفحه دارای واشری است که در شیار های تعبیه شده آن نصب می گردد. در صورت وقوع نشتی از این واشرها، به دلیل عدم وجود هیچگونه مانعی، به راحتی قابل دیدن خواهد بود. این صفحات انتقال حرارت، به وسیله حفاظ های جلویی و عقبی و پیچ های اتصال، به یکدیگر متصل شده و با استفاده از ریل های راهنمای بالایی و پایینی، تراز می گردند.

صفحات انتقال حرارت و واشر ها

همانگونه که در بخش قبل بدان اشاره شد، صفحات انتقال حرارت که در قسمت پایین و بالا توسط ریل های راهنما تراز شده و به وسیله پیچ و مهره های اتصال بر روی حفاظ های جلویی و عقبی به یکدیگر، متصل و فشرده می گردند. بدین صورت چهار لوله انشعاب روی صفحات انتهایی با مجرا های ورودی و خروجی سیال ها تراز می شوند. نحوه آب بندی در اطراف مجراهای ورودی بین صفحات، به گونه ای تعیین می شود که سیال اول در فضاهای مشخص شده قبلی و سیال دوم (عموماً در جهت مخالف) در فضای خالی مجاور آن، جریان یابد.

مهم ترین و گران قیمت ترین قطعه در مبدل های حرارتی،  صفحات حرارتی آن است که بسته به کاربرد از فلز، آلیاژ فلز یا حتی مواد گرافیتی خاص ساخته شده است. فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، نیکل، آلومینیوم، رنگی، هاستلوی، مونل و تانتالیوم نمونه هایی هستند که معمولا در کاربردهای صنعتی یافت می شوند.

صفحات ممکن است مسطح باشند، اما در بیشتر کاربرد ها دارای موجهایی هستند که تأثیر زیادی به عملکرد حرارتی-هیدرولیک آنها دارند. برخی از انواع صفحات با توجه به نوع این موج ها، در شکل 3 نشان داده شده است. با این وجود، اکثر مبدل های حرارتی مدرن از صفحات شورون (Chevron) استفاده می کنند. شیارهای تعبیه شده روی این صفحات مجاور، حرکتی گردابی را به سیال تحمیل می کنند. (شکل 4) زاویه شورون در صفحات مجاور معکوس می شود، به گونه ای که وقتی این صفحات به هم فشرده شوند، برآمدگی ها با یکدیگر همپوشانی و تماس برقرار کرده و شیارهای لازم را ایجاد می کنند. برای آب بندی نیز از واشر هایی که در انتهای صفحات نصب شده اند، استفاده خواهد شد. واشر ها معمولاً الاستومر های قالبی هستند که بر اساس سازگاری به سیال و شرایط کارکردی دما و فشار مبدل، انتخاب می شوند. بسته به چیدمان واشرهای بین صفحات، می توان ترتیبات چند مرحله ای را اجرا نمود. عموماً در ساخت این واشرها از لاستیک های بوتیل یا نیتریل استفاده می شود.

شکل 3: دسته بندی های معمول موجهای روی صفحات انتقال حرارت. (الف) صفحه شستشو، (ب) زیگزاگ، (ج) شورون یا شاه ماهی، (د) برآمدگی ها و فرورفتگی ها (ه) صفحه شستشو با موج های ثانویه، ه (و) صفحه شستشوی مایل

شکل 4 -  جریان گردابی ایجاد شده در شیارهای مابین صفحات انتقال حرارت ناشی از موجهای تعبیه شده روی آنها

موج‌های صفحه باعث ایجاد آشفتگی در جریان هر دو سیال می‌شوند و در نتیجه موجب افزایش بازدهی انتقال حرارت خواهند شد. تلاطم بر خلاف جریان آرام باعث می شود که سیال عبوری بین صفحات تماس بیشتری با آنها ایجاد کنند. همچنین لایه مرزی به عنوان مانعی در انتقال حرارت در جریان آرام، شکسته می شود.

موج های تعبیه شده باعث افزایش استحکام صفحات شده و بدین ترتیب می توان از مواد با ضخامت کمتری نیز استفاده نمود. با این وجود، تلاطم بیش از حد می تواند منجر به فرسایش صفحه انتقال حرارت نیز گردد. لذا شدت جریان باید به گونه ای در نظر گرفته شود تا احتمال وقوع فرسایش به کمترین مقدار ممکن برسد. علاوه بر این، در صورتی که صفحات در معرض سیالی مانند آب دریا قرار گیرند، به دلیل ماهیت خورندگی آن، استفاده از مواد مناسب، بدیهی ترین راه مقابله با فرسایش و خوردگی است.

صفحات تیتانیوم اگرچه گران هستند، اما مقاومت بالایی در برابر خوردگی و فرسایش دارند. فولاد مقاوم در برابر خوردگی نیز می تواند گزینه مناسبی برای اینگونه صفحات باشد. آلیاژهای دیگری مانند آلومینیوم- برنج نیز کاربردهای خود را دارند. مورد دوم ممکن است برای کشتی های متردد در بنادر یا آبهای آلوده، ایده آل نباشد. مقاومت در برابر خوردگی تیتانیوم آن را به ماده ای باارزش برای استفاده در سیستم های آب دریا در تمام جریان های آرام یا سریع، نموده است. این فلز سبک وزن (چگالی 4.5 کیلوگرم بر متر مکعب) استحکام خوبی دارد. با توجه به قابلیت تحمل جریان های سریع، از آلیاژ مس-نیکل نیز بهتر است. از سوی دیگر در برابر آلودگی سولفید موجود در آب دریا نیز مقاوم است.

با این حال، تیتانیوم نسبت به سایر فلزات مورد استفاده از سیستم های دریایی، نجیب تر است و تمایل دارد که با آنها سلول های گالوانیکی ایجاد کند. بدین صورت فلزات کمتر نجیب، خورده می شوند. برای رفع این مشکل باید اقداماتی مانند انتخاب دقیق مواد سازگار، پوشش تیتانیوم، عایق یا استفاده از مواد محافظ کاتدی، اتخاذ شود. 

استفاده از واشر های نیتریل یا بوتیل و چسباندن به وسیله چسب مخصوص، در اینگونه مبدل ها بسیار رایج است. یکی از روشهای مناسب برای جداسازی این واشر ها، انجماد به وسیله نیتروژن مایع بوده که در این فرآیند، واشر شکننده شده و به راحتی جدا می گردد. سایر روشهای جداسازی، می تواند منجر به آسیب دیدن صفحات انتقال حرارت شود. لاستیک نیتریل برای دماهای تا حدود 110 درجه سانتی گراد مناسب است. در دماهای بالاتر، واشر با این جنس، سخت شده و خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهد.

هنگامی که صفحات سرهم بندی می شوند، اتصالات فشرده شده و پس از تمیز کردن، پیچ ها سفت می شوند. سفت کردن بیش از حد یا روش نادرست اینکار، می تواند باعث آسیب دیدن صفحات گردد. برای اینکار باید از گشتاور تعیین شده در راهنمای سازنده، استفاده نمود. کنترل ابعادی پشته مبدل نیز می تواند در این خصوص کارگشا باشد.

به عنوان یک نکته عملیاتی، نصب مبدل های حرارتی در برخی موارد مانند نصب بر روی کشتی ها، وجود سیال های خوردنده و غیره، نیازمند تجهیز به یک محوطه احتیاطی تخلیه (Tray) در زیر آن خواهد بود. ظرفیت این محوطه باید به اندازه کل حجم عملیاتی مبدل تعیین شده بوده و به عنوان یک معیار کلی دریچه خروجی آن نیز نباید کمتر از 2 اینچ (حدود 50 میلیمتر) باشد.

در پایان به برخی از ایرادات شایع در عملیات مبدل های حرارتی صفحه ای می پردازیم.