مبدل حرارتی چیست، چه کاری انجام می دهد و چرا انواع مختلفی دارد؟
پاسخ به این سؤالات برای اکثر افراد واضح نیست و با این حال تقریباً همه از این دستگاه های شگفت انگیز سود می برند. مبدل های حرارتی سیستم های مکانیکی هستند که می توانند گرما را بین دو سیال در حال کار انتقال دهند (توجه داشته باشید که یک سیال در مهندسی می تواند یک گاز باشد نه فقط یک مایع). این گرمای منتقل شده انرژی است که در صورت طراحی هوشمندانه می توان از آن استفاده کرد و مهندسان از این واقعیت برای تولید فناوری های شگفت انگیز استفاده می کنند. این مقاله بر روی یکی از محبوب ترین نسخه های مبدل حرارتی، مبدل حرارتی صفحه ای تمرکز خواهد کرد. این نوع مبدل در ساخت و ساز ساده، در طراحی و عملکرد آن پیچیده است، بنابراین این مقاله به خوانندگان کمک می کند تا با مبدل های حرارتی صفحه ای، نحوه کار آنها و انواع کاربردهایی که از این طراحی زیبا بهره می برند، آشنا شوند.
مبدل های حرارتی صفحه ای چیست؟
هدف هر مبدل حرارتی، به عبارت ساده، سردتر کردن سیال گرم و یا گرم تر کردن سیال سرد، به ویژه بدون مخلوط کردن آنهاست. ممکن است خسته کننده به نظر برسد، اما هرکسی که ترمودینامیک را به خاطر می آورد، می داند که با گرما، انرژی می آید و انرژی یک کالای مهندسی است . با استفاده از مفاهیم خاصی مانند رسانایی، آنتروپی و مکانیک سیالات، این دستگاه ها می توانند گرما را از یک جریان به جریان دیگر منتقل کنند و می توانند به عنوان کندانسور، تبخیرکننده و موارد دیگر مورد استفاده قرار گیرند. مبدل حرارتی صفحه ای تنها یکی از روش های انتقال حرارت بین دو سیال است و به ویژه برای انتقال حرارت بین دو مایع مفید است.
مبدل حرارتی صفحه ای نشان داده شده در شکل 1 را بررسی کنید. صفحات آبی نشان داده شده، روکش های جلویی و انتهایی هستند که بسیاری از صفحات فلزی موجدار را به هم متصل می کنند، که با واشرهای لاستیکی مهر و موم شده اند. پیچ‌های سفت‌کننده قرمز همه چیز را کنار هم نگه می‌دارند و یک مهر و موم ضد آب ایجاد میکنند، و روکش‌ها، صفحه‌ها با دو میله نگهدارنده در بالا و پایین دستگاه در یک راستا قرار میگیرند. چهار سوراخ در سمت چپ ورودی و خروجی هر دو سیال هستند که از مخلوط شدن دو جریان در هنگام گردش در مبدل جلوگیری می کنند. صفحات مبدل حرارتی صفحه ای را می توان به راحتی به دستور اضافه یا حذف کرد، و نسبت به سایر مبدل های حرارتی معمولی مانند طرح های اعجاب انگیز پوسته و لوله فشرده تر هستند. در ادامه به جریان داخل مبدل حرارتی صفحه ای نگاه خواهیم کرد و خواهیم دید که چگونه باعث انتقال حرارت موثر می شود.
مبدل های حرارتی صفحه ای چگونه کار می کنند؟
برای درک نحوه عملکرد این دستگاه ها، ابتدا باید به اساسی ترین واحد مبدل حرارتی صفحه ای یا صفحات آن نگاه کنیم. شکل 2 یک صفحه معمولی را نشان می دهد که واشر لاستیکی آن متصل است. این صفحات معمولاً از فولاد، آلیاژ آلومینیوم، تیتانیوم، نیکل یا حتی مواد گرافیت ساخته می شوند و مسیرهای رسانای حرارتی بین دو سیال کار هستند. موج‌های آنها هم مساحت سطح را افزایش می‌دهند و هم آشفتگی ایجاد میکنند که هر دو به افزایش سرعت انتقال حرارت از طریق مبدل کمک میکنند. الگوهای مختلفی وجود دارد که هر کدام خواص منحصر به فرد خود را دارند (شکل 2 یک طرح استاندارد "هرینگ" را نشان می دهد).
یک واشر لاستیکی ناهموار هر صفحه را قاب میکند، به طوری که آب تنها زمانی می‌تواند در صفحات خاصی جریان یابد که در پشته صفحه فشرده شود. شکل 3 زیر این جریان های جداگانه را به رنگ قرمز و آبی نشان می دهد:
صفحات در یک الگوی سرد-گرم-سرد-گرم چیده شده اند تا اختلاط حرارتی بین هر سیال به حداکثر برسد. یک سیال (قرمز) از سمت راست بالا وارد ورودی خود می شود و به طور متوالی به سمت پایین هر صفحه با شماره زوج جریان می یابد، در حالی که مایع دیگر (آبی) از پایین سمت چپ وارد می شود و به هر صفحه با شماره فرد به بالا پمپ می شود. این سفارش به اپراتورها اجازه می دهد تا به راحتی صفحات را به پشته اضافه یا حذف کنند و به طور موثر ظرفیت انتقال حرارت مبدل حرارتی را در هر زمان افزایش یا کاهش دهند.
واشرها را می توان به گونه ای مهندسی کرد که انواع مختلفی از الگوهای جریان ایجاد شود که بر سرعت انتقال حرارت از طریق مبدل حرارتی تأثیر می گذارد. آنها همچنین تعیین می کنند که دریچه های ورودی یا خروجی به کجا ختم شود، که می تواند برای اهداف نصب مهم باشد. مبدل های حرارتی صفحه ای از جریان مخالف استفاده می کنند، جایی که یک سیال در خلاف جهت دیگری جریان می یابد. جریان موازی جایی است که هر دو سیال در یک جهت حرکت می کنند، اما این رژیم در طراحی صفحات غیر معمول است زیرا صفحات در پیکربندی جریان مخالف بهترین عملکرد را دارند.
شکل 4 نشان می دهد که چگونه از واشرها برای ایجاد ترتیبات جریانی مختلف استفاده می شود.
آرایش سمت چپ و میانی جریان تک گذری را به تصویر می کشد که در آن هر سیال کاری تنها یک بار از دیگری عبور می کند. چیدمان صحیح جریان چند گذری را نشان می دهد، جایی که هر سیال بارها از دیگری عبور می کند و سرعت انتقال حرارت را افزایش می دهد اما به پیچیدگی طراحی نیز می افزاید. بسته به کاربرد، ممکن است یک گذر واحد کافی باشد، اما طرح های چند گذری اغلب زمانی مفید هستند که نرخ جریان هر سیال بسیار متفاوت باشد.
صفحات فقط از واشرهای لاستیکی استفاده نمی کنند. در واقع، انواع خاصی از مبدل های حرارتی صفحه ای وجود دارند که از سیلانت های دیگری استفاده می کنند که مزایای بیشتری را ارائه می دهند. مبدلهای حرارتی لحیم‌شده صفحهای از مس برای لحیم کاری هر صفحه استفاده میکنند که نه تنها کانال‌های سیال پیچیده را تولید میکند، بلکه باعث ایجاد فشار بالا و مقاومت در برابر خوردگی در اندازه کوچک و اقتصادی میشود. مبدل های حرارتی صفحه جوش داده شده مشابه هستند، جایی که کل پشته صفحه به هم جوش داده می شود. آنها برای فشارهای بالا خوب هستند اما متأسفانه نمی توان آنها را تمیز کرد زیرا هر صفحه به صفحه بعدی متصل است. در نهایت، مبدل های حرارتی صفحه نیمه جوش از توالی صفحات جوشی و غیر جوشی استفاده می کنند تا مزایای هر دو طرح واشر و جوش داده شده را فراهم کنند.
مزایا و معایب مبدل های حرارتی صفحه ای
مبدل های حرارتی صفحه ای به دلیل طراحی های کوچک و در عین حال همه کاره خود به طور گسترده در صنعت استفاده می شوند. در زیر برخی از مزایای استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای نسبت به مبدل حرارتی پوسته و لوله همیشه محبوب وجود دارد:
مبدل های صفحه ای معمولاً ضریب انتقال حرارت بیشتری دارند، زیرا سطح تماس بیشتری بین سیالات دارند
آنها اندازه کوچکی دارند که به فضای نگهداری کمی نیاز دارد
نگهداری، تعمیر و سرویس آنها آسان است
با این حال، برخی از معایب قابل توجه وجود دارد که نتیجه مستقیم ساخت آنها است:
واشرها در صورت فشرده شدن بیش از حد مشکل ایجاد می کنند، زیرا می توانند پیچ خورده و باعث نشتی در سیستم شوند. آنها همچنین نسبت به صفحات حساس تر به دما هستند، بنابراین نمی توان از دمای بالای سیال برای خطر آسیب رساندن به مواد واشر استفاده کرد.
مسیرهای صفحه باریک به شدت فشار جریان را کاهش می دهد و به نیروی پمپ اضافی نیاز دارد
دو سیال با اختلاف دمای زیاد در مبدل صفحه ای انرژی را به خوبی در مبدل پوسته و لوله انتقال نمی دهند.
آنها تمایل دارند گرما را به محیط اطراف پخش کنند که باعث کاهش کارایی آنها می شود
مشخصات، معیارهای انتخاب، و برنامه های کاربردی مبدل حرارتی صفحه ای:
مبدل حرارتی صفحه ای در اندازه ها، شکل ها و قیمت های مختلف موجود است. این مقاله به خریداران کمک می کند تا مشخصات مورد نیاز برای پروژه های خود و نحوه انتخاب مبدل حرارتی صفحه ای مناسب را با استفاده از این مشخصات تعریف کنند.
اولین پارامترهایی که باید مشخص شوند، ویژگی های برنامه هستند، مانند:
نوع سیالات مورد استفاده (آب، روغن، مبرد و غیره)
دمای هر مایع ورودی
نرخ هر جریان (واحد gal/min یا L/min)
در مرحله بعد، نوع انتقال حرارت مورد نظر (گرمایش/سرمایش/تعادل کردن) را تعریف کنید و جهتی را که ورودی یا خروجی ها باید در آن قرار گیرند، تعیین کنید. با دانستن این حقایق، تامین کنندگان می توانند از معادلاتی برای تعیین ضریب انتقال حرارت مورد نیاز استفاده کنند، که مقدار آن در نهایت تعیین می کند که چه تعداد صفحه مورد نیاز است، از چه موادی باید استفاده شود و از چه ترتیبی باید در طراحی نهایی استفاده شود.
در مرحله بعد، یک نقطه قیمت مناسب را از بودجه خود تعیین کنید و با تامین کننده خود صحبت کنید تا ببینید آیا هر یک از اقلام موجودی آنها با نیازهای شما مطابقت دارد یا خیر. صدها گزینه برای انتخاب وجود دارد، بنابراین به احتمال زیاد مبدل حرارتی سبک صفحه ای مناسب با تحقیق کافی خود را نشان می دهد.
کاربردهای بالقوه زیادی برای مبدل های حرارتی صفحه ای وجود دارد. برای نام بردن تنها چند مورد، آنها را می توان در پاستوریزه ها، تولید نوشیدنی، اتصال دهنده ها بین چیلرها، بویلرها و برج های خنک کننده و سایر کاربردهای مهندسی فرآیند استفاده کرد. آنها سیستم های ظریف و مدولار هستند که انتقال حرارت عالی را در کسری از اندازه برخی دیگر از طرح های سنتی ارائه می دهند. اگر فضا باید به حداقل برسد و قابلیت باید به حداکثر برسد، مبدل حرارتی صفحه ای را در نظر بگیرید.