دلیل اصلی خرابی مبدل های حرارتی صفحه ای دارای طراحی مناسب در شرایط معین، رسوب جرم روی صفحات و خوردگی و سایش است.
عوامل مخرب در مبدل های صفحه ای واشردار
دلیل اصلی خرابی مبدل های حرارتی صفحه ای دارای طراحی مناسب در شرایط معین، رسوب جرم روی صفحات و خوردگی و سایش است.
رسوب, پدیده ی بسیار نامطلوبی در انتقال حرارت می باشد . رسوب مبدل ها را می توان تحت عنوان تجمع رسوبات نامطلوب روی سطح انتقال حرارت تعریف کرد.لایه رسوب سبب کوچک شدن سطح جریان میشود که خود به افزایش سرعت جریان در یک دبی حجمی معین می انجامد. این امر به طور کلی منجر به افزایش افت فشار و بنابراین نیاز به پمپاژ بیشتر میشود. .اگرچه ضریب انتقال حرارت جابه جایی به علت افزایش سرعت کمی بزرگ می شود اما ذرات رسوب باعث اعمال مقاومت حرارتی بیشتر در برابر انتقال حرارت می شود که در نتیجه نرخ انتقال حرارت کاهش می یابد.
خوردگی شیمیایی به خرابی ماده در اثر واکنش با محیط اتلاق میشود که سبب تخریب ماده و تغییر خواص آن می شود نوعی از خوردگی روی سطوح خارج رخ می دهد ,مانند تخریب فولاد زنگ نزن در صورتی که لایه محافظ آن آسیب دیده باشد . این امر در نهایت سبب خرابی مبدل ها میشود و در نتیجه خرابی کل سیستم مهندسی را به دنبال دارد. هنگامی که فولاد زنگ نزن 316 در معرض هوا قرار می گیرد لایه محافظ به سرعت تشکیل می شود .در صورتیکه فولاد زنگ نزن 316 در معرض شرایط نامطلوب قرار گیرد خوردگی می تواند ناگهانی و به سرعت رخ دهد و سبب نشتی شود . مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار که از جنس فولاد زنگ نزن 316 هستند در برابر غلظت های بالای یون های کلر در محیط های اکسیدی مقاوم نیستند , این امر به علت تشکیل سلول گالوانیک بین اکسیژن و فلزات مبدل صفحه ای توسط کلرید ها می باشد . فولاد زنگ نزن در برابر چنین خطراتی حساس بوده و ممکن است خوردگی برای آن رخ دهد . گفتنی است که خطر خوردگی فولاد زنگ نزن توسط کلرید ها در درجه حرارت های بالا افزایش می یابد.
ساییدگی یا خوردگی مکانیکی خرابی مواد در اثر سرعت بالای جریان های سیال ,قطرات معلق در جریان گازی,وجود حباب های بخار معلق در جریان مایع ،وجود ذرات جامد معلق در جریان های گاز یا سیال است.
در مبدل های صفحه ای هر دو نوع خوردگی باید حداقل باشند تا از صفحات بسیار نازک آن حفاظت شود. عدم انجام این کار سبب کوتاه شدن عمر مبدل میشود.لازم به ذکر است که جرم گیری، خوردگی مکانیکی و شیمیایی همراه هم عمل نمیکنند بلکه به صورت دو جانبه وارد عمل میشوند.
نمونه آن خوردگی ناشی از جرم گیری است که سبب میشود محصولات خوردگی به سطح بچسبند که نه تنها انتقال حرارت را به علت هدایت حرارتی کم کاهش دهند ,بلکه محل های مناسبی برای جرم گیری و ایجاد رسوب توسط سایر مکانیزم های دیگر رسوب ایجاد کنند . مثال دیگر خوردگی ساییدگی است که در آن به خاطر افزایش حرکت نسبی میان سیالات خورنده و یک دیوار فلزی خوردگی به وجود می آید .بنابراین رسوب، خوردگی و ساییدگی را در هنگام طراحی یک مبدل حرارتی باید همراه با یکدیگر در نظر گرفت .
1) رسوب
رسوب جمع شدن و رشد ماده ی ناخواسته روی سطح انتقال حرارت است . این پدیده تاثیر قابل توجهی برکارایی مبدل حرارتی می گذارد بنابراین باید ایجاد رسوب را در طراحی مبدل حرارتی در نظر گرفت . اگر رسوب را به صورت صحیح در نظر نگیریم کارایی مبدل حرارتی پس از یک مدت کاهش می بابد و به دنبال آن بازده کل سیستم نیز پایین می آید .
1-1) مقاومت رسوب در مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار
در یک مبدل حرارت فرایند انتقال حرارت از یک سیال گرم و یک سیال سرد, شامل فرایند های مختلف هدایتی و جابجایی می باشد . هر کدام از اینها را می توان به صورت جداگانه مقاومت حرارتی کل سیستم است و معکوس آن ضریب کلی انتقال حرارت u می باشد .
1-2) رسوب لایه ای (scaling)
رسوب لایه ای نوعی از رسوب است که توسط نمک های غیر آلی در مسیر گردش آب مبدل به وجود می آید که سبب افزایش افت فشار و در نتیجه جلوگیری از انتقال حرارت مفید می شود . علت رخ دادن این پدیده ممکن است دمای بالا, سرعت کم جریان سیال و توزیع غیر یکنواخت مایع در مسیر های مبدل باشد .
احتمال رسوب گیری لایه ای با افزایش دما غلظت و PH افزایش می یابد . بررسی های انجام شده نشان می دهند که اغتشاش بالای جریان و قطر هیدرولیکی کم , مانند مبدل های صفحه ای واشردار آثار مثبتی بر این نوع رسوب گیری دارند . نگهداری و تصفیه مناسب آب خنک کننده مانند کنترل PH به مقدار قابل توجهی خطر رسوب گیری لایه ای را بخصوص در برج های خنک کننده کاهش می دهد.
رسوب لایه ای بیشتر به علت تجمع کربنات کلسیم یا سولفات کلسیم است . این نمک ها دارای منحنی های حلالیت معکوس می باشند ,یعنی حلالیت آنها در آب با افزایش دما کاهش می یابد . در نتیجه پس از تماس سطح گرم با آب نمک ها روی آن باقی می مانند . سولفات کلسیم خالص به سختی حل می شود ,این امر تمیز کردن آن را مشکل می سازد. عموما انواع دیگر رسوب ساده تر تمیز می شوند .
مهم ترین عواملی که بر رسوب لایه ای تاثیر می گذارند عبارتند از :
• دما
• ترکیب شیمیایی و غلظت نمک ها در آب
• اغتشاش
• سختی آب
• سرعت
• PH
• توزیع جریان
• صافی سطح
احتمال تشکیل رسوب لایه ای در PH بالا بیشتر است بنا براین در حالت کلی باید PH آب , بین 7 تا 9 نگه داشته شود . خطر رسوب با افزایش دمای آب افزایش می یابد .
بدیهی است که با وجود پایین تر بودن سرعت های جریان مقاومت رسوب در مبدل های حرارتی صفحه ای به صورت قابل توجهی نسبت به مبدل های حرارتی پوسته و لوله کمتر است .
1-3) مقاومت مبدل های صفحه ای در برابر رسوب
مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار مقاومت بسیار خوبی در برابر رسوب لایه ای از خود نشان می دهند طراحی منحصر به فرد این مبدل ها امکان سرعت کم, ولی مغشوش جریان را فراهم می کند .
همانطور که سیال در مبدل حرکت می کند جهت آن همواره تغییر می کند و لایه مرزی آن متلاطم می شود این امر سبب پیدایش جریان مغشوش در سرعت کم می شود . مبدل های حرارتی صفحه ای کمتر از سایر مبدل ها در معرض رسوب لایه ای قرار دارند . این امر به دلیل هندسه داخلی آن می باشد که توزیع مناسب جریان را ایجاد می کند . اغتشاش بالاتر جریان و سختی و صافی فولاد زنگ نزن کار رفته در صفحات نیز امکان تشکیل رسوب لایه ای را می کاهد.
سطح صاف فولاد زنگ نزن در کاهش رسوب لایه ای اثر مثبت دارد . سطوح زبر امکان تجمع و چسبیدن ذرات معلق را فراهم می آورد و سبب افزایش تشکیل رسوب لایه ای می شود . طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای به گونه ای است که هیچ نقطه مرده را که امکان تشکیل رسوب لایه ای در آن وجود داشته باشد ایجاد نمی کند . در نقاط مرده مبدل های پوسته و لوله مایع ساکن می شود و ذرات معلق امکان تجمع و رسوب را دارند . به علت اغتشاش بسیار بالا که توسط صفحات موج دار ایجاد می شوند . در سرعتهای کم نیز ذرات به صورت معلق باقی می مانند و امکان تشکیل رسوب وجود ندارد.
1-4) شست و شوی مبدل حرارتی صفحه ای
یکی از راه های تشخیص رسوب در مبدل ها اندازه گیری دمای ورودی و خروجی مبدل حرارتی است .همانطور که قبلا اشاره شد به
دلیل تشکیل جدار عایق توسط رسوب روی سطح حرارتی مبدل راندمان حرارتی آن کاهش می یابد و تفاوت دمای دو سمت مبدل از مقادیر تعیین شده کمتر می شود . روش دیگر تشخیص رسوبات اندازه گیری افت فشار روی مبدل های حرارتی است . از آنجایی که رسوب باعث تنگ شدن مسیر های عبور سیال می شود از این رو سرعت سیال را افزایش می دهد و افت فشار در مبدل افزایش می یابد.
در صورتی که وجود رسوب در داخل مبدل قطعی شده باشد با دو روش می توان آن را تمیز کرد .در روش اول می توان مبدل را از سرویس خارج کرده و با دمونتاژ کردن و باز کردن پیچ و مهره به صفحات داخل مبدل دسترسی پیدا کرد و تمیزکاری آن را انجام داد.
در روش دوم تمیز کاری در محل انجام می گیرد و به دمونتاژ کردن صفحات نیازی ندارد و با براین می توان آن را برای همه انواع مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار به کار برد . در تمیز کاری مکانیکی صفحات دمونتاژ شده از برس های غیر فلزی یا شست وشو با آب فشار بالا استفاده می شود . برای تمیز کاری شیمیایی میتوان از مواد متنوع با توجه به ماهیت و درجه رسوب گیری استفاده کرد . از جمله مواد متداولی که برای تمیز کاری اجرام و رسوبات به کار می روند می توان به آب داغ اسید نیتریک, اسید سولفوریک ,اسید سیتریک و اسید فسفوریک اشاره کرد.
برای تمیز کردن لجن و مواد بیولوژیک عوامل پاک کننده قلیایی مانند هیدروکسید سدیم و کربنات سدیم مناسب هستند.
تحت هیچ شرایط نباید از اسید هیدرو کلریک برای تمیز کردن صفحات فولادی استنلس استیل استفاده کرد. همچنین صفحات از جنس تیتانیوم را نیز نباید با اسید هیدرو فلوریک تمیز کرد. اگر از این نوع اسیدها برای این نوع صفحات استفاده شود صفحات مبدل حرارتی صفحه ای خورده می شود و باید آنها را تعویض کرد
مواد تمیز کننده ای که شامل آمونیاک و اسید های اکسید کننده مانند اسید نیتریک را در بر می گیرد نباید برای تمیز کردن صفحات از جنس نیکل,مونل,هستلوی و مبدهای حرارتی لحیم شده مسی به کار می رود زیرا این مواد سبب خوردگی در صفحات لحیم و در نهایت خرابی مبدل می شود و باید آنها را تعویض کرد.
در هر حال یک اسید ضعیف محلول خوبی برای شروع خواهد بود. این محلول را می توان با 5 درصد اسید فسفریک تهیه کرد محلول رسوب زدایی در حالتی که صفحات دمونتاژ نمی شوند باید به وسیله ی یک پمپ در مبدل حرارتی صفحه ای گردش کند. برای بهینه سازی عملیات رسوب زدایی در محل(درجا)باید دست کم یک و نیم برابر نرخ جریان عادی مبدل باشد. بهتر است جهت گردش سیال رسوب زدایی برعکس جهت عادی جریان باشد ,زیرا به این ترتیب احتمال حل شدن رسوبات بیشتر خواهد شد . پس از عملیات رسوب زدایی مبدل حرارتی صفحه ای باید به دقت با آب خالص شسته شود. استفاده از محلول یک تا دو درصد هیدروکسید سدیم یا بی کربنات سدیم قبل از آب کشی موجب اطمینان از بی اثر شدن اسیدهای موجود خواهد شد . یک روش برای تخمین زمان مناسب آب کشی اندازه گیری PH سیال خروجی از مبدل است PH خروجی باید بین 6 تا9 باشد .
2) خوردگی
در مبدل های حرارتی صفحه ای خوردگی موضوع مهمی است که در طراحی باید به آن توجه کرد . خوردگی در مبدل های پوسته و لوله به علت ضخامت زیاد دیواره لوله ها تا حدی مجاز است . اما در مبدل های حرارتی صفحه ای میزان مجاز خوردگی به علت ضخامت کم صفحات بسیار خطرساز است و از این رو مجاز نیست.
خوردگی یک فرایند الکترو شیمیایی می باشد که در ان یک فلز به حالت طبیعی خود مثلا اکسید اهن یا زنگ بر می گردد. خوردگی طبق قانون طبیعت صورت می گیرد و مساله فقط سرعت انجام است . در مبدل های حرارتی صفحه ای برای نمونه می توان به حمله کلرید به استنلس استیل و حمله فلوراید به تیتانیوم و حمله آمونیاک به مس در یک مبدل حرارتی صفحه ای لحیم شده مسی اشاره کرد .
دو روش اصلی برای کنترل خوردگی وجود دارد یکی از این روش ها استفاده از فلزات مقاوم به خوردگی است و روش دیگر جداسازی و ایزوله کردن فلز از محیط خورنده است .
3) ساییدگی
سایش جرم از سطح یک جسم توسط جریان یک سیال که حاوی ذرات می باشد,ساییدگی و یا خورندگی مکانیکی نامیده می شود.
سرعت بالا معمولا علت اصلی ساییدگی می باشد و انسداد جریان معمولا سرعت های موضعی بالا ایجاد می کند. در مبدل های حرارتی پوسته و لوله سایش بیشتر در ورودی لوله ها و در سطح خارجی لوله ها زیر نازل ها سمت پوسته اتفاق میفتد .
در مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار ساییدگی در منطقه گلویی ورودی و ناحیه ی توزیع به وجود می آید .
درموارد حاد,پورت ورودی صفحه ساییده و باعث نشتی می شود . برای جریان های دو فاز این پدیده به علت سرعت بالای حاصل از چگالی کم متدوال است . در حالت کلی سایش به سرعت سیال یک فاز یا دو فازی بودن جریان,خواص سیال, خواص ماده و استحکام بستگی داد . یک شیوه متداول برای جلوگیری از ایجاد سایش,حذف ذرات ساینده از سیال منتقل کننده حرارت به کمک فیلتر کردن می باشد .
در طول طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای باید به سرعت سیال در پورت ورودی و منطقه گلویی صفحات توجه کرد و از ایجاد مناطق سرعت بالا اجتناب کرد .