مبدل حرارتی صفحه ای (Plate Heat Exchanger):

مبدل حرارتی صفحه ای ، نوعی از مبدل حرارتی است که عموما از تعداد زیادی صفحات چیندار از جنس فولاد ضد زنگ تشکیل شده است. این صفحات توسط واشرهای پلیمری از هم جدا گشته اند و درون یک قاب فولادی قرار گرفته اند. اجزای اصلی تشکیل دهنده مبدل حرارتی صفحه ای شامل قاب، صفحات و واشرها می باشد. صفحات که سطح تبادل حرارت را  تشکیل می دهند، توسط پیچ و مهره بین دو صفحه ی فولادی محکم شده اند. ساختار این مبدل های حرارتی به گونه ای است که امکان باز کردن صفحات برای بازرسی و تمیز کردن آن ها را فراهم آورد. هر صفحه دارای یک واشر است که وظیفه آن آب بندی صفحه و تأمین شبکه انتقال سیال در مجموعه صفحات است.

صفحات نازک مبدل حرارتی صفحه ای کانال های جریان را تشکیل می دهد. جریان سیال ، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موجدار هستند ، از هم جدا می شوند. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز ، مایع یا جریان های دو فازی ، استفاده می شوند.

انواع مبدل های حرارتی صفحه ای به شرح زیر می باشد:

۱- مبدل صفحه ای واشردار (gasketed plate heat exchanger):

مبدل صفحه ای واشردار شامل تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار یا موج دار است که سیال های گرم و سرد را از یکدیگر جدا می کند. صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده ای که باید گرما بین آن ها مبادله شود ، یکی در میان فضای صفحات ، جریان یابند.

تصویر یک صفحه مربوط به مبدل صفحه ای واشردار . قسمت های سیاه رنگ گسکت و مسیر های آبی رنگ، مسیر حرکت جریان می باشد.

طراحی و واشر بندی مناسب ، امکان آن را ایجاد می کند که مجموعه ای از صفحات ، توسط پیچ ها که تمامی صفحات را شامل می شوند ، در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. واشرها از نشتی به بیرون جلوگیری می کنند و سیال ها را در صفحات ، به شکل مورد نظر ، هدایت می نمایند. شکل جریان ، عموماً به نحوی انتخاب می شود که جریان سیال ها در خلاف جهت یکدیگر باشند. مبدل های صفحه ای معمولا به جریان سیال با فشار پایین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه سانتی گراد محدود می شوند.

جریان قوی گردابه ای موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال گرما و افت فشارها می گردد ، بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی ، باعث کاهش تشکیل رسوب می شود. مبدل صفحه ای واشردار ، سطح انتقال حرارتی نسبتاً فشرده و با وزن کم ایجاد می کنند. دما و فشار آنها به دلیل جزئیات ساخت و واشربندی ، محدود هستند. این مبدل ها به آسانی تمیز و استریلزه می شوند زیرا می توانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده ای در صنایع غذایی دارند.

فیلم معرفی ساختار مبدل صفحه ای واشردار و نحوه عملکرد آن

۲- مبدل صفحه ای نیمه جوشی (Semi Welded Plate H.E):

با جوش دادن صفحات به صورت دو به دو، صفحات دوقلو مبدل های نیم جوشی بوجود می آیند که در ساخت مبدل صفحه ای نیمه جوشی کاربرد دارند. این صفحات نیم جوش در قاب مبدل های حرارتی صفحه ای واشر دار قرار می گیرند. طراحی و ساخت این نوع مبدل ها برای کاربرد در سیالات با خوردگی بسیار بالا می باشد. این سیالات از میان صفحات جوش شده عبور می کنند، تنها واشری که در مبدل صفحه ای نیمه جوشی استفاده می شود، گسکت هایی با دو حلقه (حلقه نازل) بسته هستند که بین هر جفت صفحه دوقلو قرار می گیرد، این گسکت ها از الاستومترهای مقاوم و یا غیر الاستومترها می باشد. ورودی هایی که شامل سیالات غیر خورنده و غیر تهاجمی می شوند به وسیله ی واشرهای معمولی آب بندی می شوند.

تصویر صفحات مبدل صفحه ای نیمه جوشی

مزیت جوش دادن دو صفحه این است که لزوم استفاده از مواد دیگر از بین رفته و خوردگی اندکی کاهش می یابد. همان طور که در شکل زیر مشاهده می کنید، سیال فرآیندی درون زوج صفحه و سیال سرویس بین فریم ها جریان دارد. این به دلیل آن است که سیال سرویس معمولا سیال کثیف است و لذا تمیز کردن مبدل می بایست زوج صفحات را از هم جدا شوند.

ساختار صفحات یک مبدل صفحه ای نیمه جوشی . ۱-سیال سرویس ۲-سیال فرآیندی ۳-گسکت حلقوی ۴-گسکت ۵-محل جوش صفحات ۶-کانال سیال

مبدل صفحه ای نیمه جوشی قابلیت مقاومت تا فشار ۳۰bar در سمت صفحات را دارند و این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که برای نگهداری مجموعه صفحات به قاب های ثابت و متحرک نیاز می باشد. تحمل فشار بالا کاربرد این گونه از مبدل ها را در سیستم های تبخیر و تهویه مطبوع افزایش می دهد.

فیلم معرفی ساختار مبدل صفحه ای نیمه جوشی و نحوه عملکرد آن

۳-مبدل صفحه ای لحیم شده (Brazed Plate Heat Exchanger):

مبدل صفحه ای لحیم شده از مجموعه صفحات به هم فشرده شده که به هم دیگر لحیم شده اند، تشکیل شده است. لذا دیگر نیازی به واشر نیست و فریم ها هم می توانند حذف شوند. صفحات موجدار موجب چنان جریان متلاطمی می گردد که این جریان باعث کاهش رسوب گیری در این نوع مبدل می گردد.

مبدل صفحه ای لحیم شده از تعداد زیادی صفحات فولادی به هم فشرده که توسط مس به یکدیگر جوش داده شده اند، استفاده می شود. همچنین با توجه به نوع فرآیند ممکن است از نیکل یا فلزهای دیگر برای جوشکاری استفاده شود. علاوه بر جوش کردن نقاط پیرامون هر صفحه، نقاط اتصال جناقی درونی هم جوش داده می شوند. مبدل صفحه ای لحیم شده تا دمای ۲۲۵ درجه سانتی گراد و فشار ۳۰bar را تحمل می کند. البته نوع لحیم کاری شده با نیکل تا دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۱۶bar را تحمل می کند.

مبدل صفحه ای لحیم شده به منظور سردسازی در تبخیر کننده ها و کندانسورها استفاده می شود. همچنین برای گرم کردن آب فرآیندها، سیستم بازیابی حرارت و سیستم گرم کردن موضعی مناسب است. این مبدل ها برای Desuperheat و Subcooled کردن مواد هم مورد استفاده قرار می گیرند. از نوع لحیم نیکل برای خنک کردن آب بدون املاح و میعان حلال استفاده می شود.

مبدل صفحه ای لحیم شده در مقایسه با مبدل پوسته و لوله، در عملکرد یکسان دارای وزن حدود ۲۰% تا ۳۰% مبدل پوسته و لوله می باشد.

۴-مبدل صفحه ای جوشی بَوِکس (The Bavex Hybrid Welded Plate Heat Exchanger):

این نوع مبدل هنگامی استفاده می شود که با توجه به شرایط فرآیندی امکان به کار گیری مبدل نوع قاب و صفحه ممکن نبوده و با فشار بالا و محدوده گسترده دمایی مواجه هستیم. ویژگی منحصر به فرد این نوع مبدل، طراحی هندسه داخلی آن است. این مبدل از دو بخش لوله و صفحه تشکیل می شود که بخش لوله دارای چندین گذر و بخش صفحه تنها دارای یک گذر می باشد.

با توجه به نوع فلز به کار رفته در آن، این مبدل حرارتی صفحه ای تا دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد را تحمل می کند. و در حالات برودتی تا دمای -۲۰۰ درجه سانتی گراد قابل سرد شدن است. فشار سمت صفحات نیز تا ۶۰۰bar قابل افزایش خواهد بود که البته به ضخامت و سطح صفحات بستگی دارد. گستره استفاده از این نوع مبدل شامل بازیابی حرارت گازهای سوخته، کاربردهای برودتی، انتقال حرارت بین گازهای خورنده و کاربردهای با آب دریا می باشد.

این نوع مبدل حرارتی صفحه ای حدود ۴۰% حجم مبدل پوسته و لوله را در شرایط عملیاتی مشابه دارد. همچنین ضریب انتقال حرارت در کاربردهای مایع-مایع حدود ۵۰۰۰ وات بر متر مربع بر کلوین می باشد.

۵- مبدل صفحه ای جوشی Compabloc :

مبدل صفحه ای جوشی Compabloc بر پایه کاربردهای مبدل های پوسته و لوله، مارپیچی و صفحه ای طراحی شده و همچنین مشکلات کاربرد واشر (gasket) را ندارد. نبودن گسکت، این امکان را به ما می دهد تا از سیالات با دماهای بالا و مواد شیمیایی آسیب زا در آن استفاده کنیم. همچنین طراحی پیچ و مهره ای این نوع مبدل ها، امکان جداکردن سریع قاب و دسترسی به محفظه صفحات را برای تمیز کردن و تعمیرات می دهد.

در طراحی تک گذر این مبدل ها، مجموعه صفحات فشرده به هم، به گونه ای به هم جوش خورده اند تا جریان متقاطع باشد. در طراحی های با چند گذر، در حالت کلی جریان نا همسوست. معمولا فاصله میان صفحات ۵mm می باشد. این نوع مبدل صفحه ای برای تحمل شرایط عملیات تا دمای ۳۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۳۲bar طراحی شده است. میزان سطح انتقال حرارت در این مبدل از ۱٫۵ تا ۳۰۰ متر مربع متغیر می باشد.

کاربرد اصلی مبدل صفحه ای جوشی Compabloc در سیستم های مایع و دو فازی مانند سیستم های مایع-مایع، کندانسورها، تبخیرکننده ها و جوش آورها می باشد. این نوع مبدل قابل استفاده در سرویس های خلا کامل می باشد و همچنین امکان استفاده از مایعات تبرید را داراست.

۶- مبدل صفحه ای حلزونی (Spiral Heat Exchanger):

مبدل صفحه ای حلزونی ، با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی با استفاده از یک میله اصلی و جوش دادن لبه های صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند ، شکل داده می شوند. فاصله بین صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی، با استفاده از پین های فاصله انداز که به ورق فلزی جوش می شوند ، حفظ می شود. طول پین های فاصله انداز می تواند بین ۵ تا ۲۰mm تغییر کند. به همین دلیل است که با توجه به نرخ جریان ، می توان فواصل مختلفی برای کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل و بنابراین کوچکترین سطوح گرمایش ممکن ، بدست می آیند.

فیلم آموزش مبدل های حرارتی حلزونی (Spiral)

در هر یک از دو مسیر حلزونی ، یک جریان ثانویه ایجاد می شود که انتقال گرما را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می دهد. این مبدل ها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود ، نسبتاً گران قیمت می باشند.

سطح انتقال گرما برای مبدل صفحه ای حلزونی ، در محدوده ۰٫۵ تا ۵۰۰ متر مربع می باشد. حداکثر فشار کارکرد تا ۱۵bar و دمای کارکرد تا ۵۰۰ درجه سانتی گراد می باشد.

مبدل صفحه ای حلزونی برای سیالاتی که تمایل به رسوب دهی دارند و یا آلوده به ذرات هستند، مناسب است که علت این امر بزرگی نسبی عرض کانال است. از این رو، این مبدل برای صنایع غذایی مناسب است. از مبدل صفحه ای حلزونی در صنایع شیمیایی می توان در انتقال حرارت به دوغاب PVC و بازیابی حرارتی در بسیاری از فرآیندها استفاده کرد. این مبدل ها همچنین می توانند کنترل دمایی رسوبات فاضلابی را انجام دهند.

مبدل صفحه ای حلزونی نسبت به مبدل پوسته و لوله دارای مزیت های زیر می باشد:

1. شرایط جریان بهینه در دو سوی مبدل
2. توزیع متقارن سرعت بدون نقاط مرده در سیال
3. توزیع متقارن دما بدون نقاط سرد و گرم
4. کارایی حرارتی بیشتر با بازده حرارتی بالا
5. زمان اقامت و حجم کم