انعطاف پذیری بالای مبدل های صفحه ای باعث می شود که طراحی آن دقیق و مطابق با کاربرد مورد نظر باشد. در مبدل های صفحه ای سطح موثر تبادل حرارتی حداکثر و سطح تماس با محیط پیرامون حداقل می باشد، علت این امر بالا بودن سطح موثر حرارتی و الگوی منحصر به فرد توزیع سیال در سطح صفحات می باشد که تمام صفحه را به هنگام عبور از آن پوشش می دهد. این امر اتلاف حرارتی را به حداقل می رساند. از آنجایی که کارایی حرارتی مبدل های صفحه ای در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بسیار بهتر است. بنابراین دستگاه به سطح انتقال حرارت کمتری نیاز دارد. در نتیجه مقدار مورد استفاده وزن و سطح دستگاه کاهش می یابد، مبدل های صفحه ای بسیار متراکم تر از سیستم پوسته و لوله هستند که باعث کاهش سطح دستگاه و هزینه ساخت می شود.
مبدل های حرارتی تجهیزاتی هستند که امکان انتقال انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال با مختلف را فراهم می کنند. این عملیات می تواند بین مایع-مایع، گاز-گاز و یا گاز-مایع انجام شود. این تجهیزات به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین ترو یا هر دو، مورد استفاده قرار می گیرند. برای انتخاب مبدل حرارتی مناسب لازم است اطلاعاتی در مورد انواع مبدل حرارتی رایج بازار داشته باشیم. از این جهت، در این مقاله ضمن معرفی مبدل های حرارتی پوسته و لوله و صفحه ای از زوایای مختلف به بررسی تفاوت ها و ویژگی های مبدل های پوسته و لوله و مبدل های صفحه ای می پردازیم. برای این منظور از مشخصات و ویژگی های مبدل های پوسته و لوله آغاز می کنیم.
مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell & tube) از معروف ترین مبدل های حرارتی در گروه تجهیزات گرمایشی به کار رفته در صنایع و کارخانجات به خصوص در حوزه صنعت پتروشیمی و واحدهای تقطیر نفت خام می باشد. این دستگاه انرژی حرارتی را از سیالی به سیال دیگر منتقل می کند که این سیال ممکن است مایع یا گاز باشد. به این صورت که دو سیال با دمای مختلف را وارد محفظه می کنند و میان آنها انتقال حرارت صورت می گیرد. ساختمان و شکل ظاهری این مبدل ها به شکل استوانه است که در داخل آن تعدادی لوله تعبیه شده است. به طور معمول، لوله های مبدل های حرارتی ، از جنس مس یا فولاد بوده و قطر خارجی آنها به ۱ اینچ می رسد. کارکرد این مبدل ها به گونه ای است که دو سیال مورد نظر که یکی سرد و دیگری گرم است، بدون برخورد مستقیم از طریق دیواره فلزی لوله ها با یکدیگر تبادل حرارت خواهند کرد. به عبارت دیگر یکی از این دو سیال در لوله ها و دیگری در اطراف لوله ها، درون پوسته جریان خواهد داشت. دو سیال این امکان را دارند که در دو فاز و غیر هم جهت حرکت کنند. مایع در داخل لوله ها حرکت می‌کند و بخار داغ بر روی لوله ها و درون پوسته جریان دارد. به علت تعداد زیاد این لوله ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می‌کند، حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می‌آورد.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله به سه دسته زیر تقسیم می شوند:
مبدل حرارتی پوسته و لوله قابل استفاده برای سطح تماس زیاد با فشار بالاتر از ۳۰ بار و حرارت بیشتر از ۲۶۰ درجه سانتیگراد می باشد.
یک مبدل حرارتی پوسته و لوله از قسمت های اصلی زیر تشکیل شده است:
اجزای اصلی این مبدل عبارتند از:
مبدل حرارتی صفحه ای، نوعی از مبدل حرارتی است که از تعداد زیادی صفحات فولادی ضد زنگ تشکیل شده است. این صفحات به صورت چین دار و توسط واشرهای پلیمری از هم جدا شده اند و درون یک قاب فولادی قرار گرفته اند. اجزای اصلی یک مبدل حرارتی صفحه ای شامل قاب، صفحات و واشرها است که صفحات توسط پیچ و مهره به هم متصل شده و به عنوان سطح تبادل حرارت عمل می کنند. ساختمان این نوع مبدل حرارتی به گونه ای طراحی شده است که امکان جدا کردن صفحات برای بازرسی، سرویس و تمیز کردن آنها به آسانی امکان پذیر است. همچنین، هر صفحه دارای یک واشر است که وظیفه آن آب بندی صفحه و تأمین شبکه انتقال سیال در مجموعه صفحات است.
در این مبدل ها، جریان های سیال، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موج دار هستند، از هم جدا می شوند. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز، مایع یا جریان های دو فاز، استفاده می شوند. بر اساس شکل ظاهری صفحات، مبدل های صفحه ای به صورت زیر طبقه بندی می شوند:
الف- مبدل صفحه ای واشردار ( Gasketed-plat ) : این مبدل ها متشکل از تعدادی صفحه نازک با سطح موج دار هستند که در نقش جداکننده سیال های گرم و سرد عمل می کنند. این صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که جریان های سرد و گرم برای انتقال گرما به صورت یک در میان در فضای بین صفحات جریان یابند. این مبدل ها بیشتر در فرآیند های مایع-مایع، عملگرهای کندانس و تبخیر استفاده می شوند. محدوده عملیاتی این مبدل ها دمای -۳۵ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد و فشار طراحی تا ۲۵ بار می باشد.
ب- مبدل صفحه ای حلزونی ( Spiral plat ) : این مبدل ها از دو صفحه بلند و موازی تشکیل شده اند که به صورت حلزونی حول یک میله پیچیده می شوند. سطح انتقال حرارت این مبدل ها از نیم تا ۵۰۰ متر مربع است، حداکثر فشار کارکرد آنها ۱۵ بار و حداکثر دمای عملیاتی آن ها نیز ۵۰۰ درجه سانتیگراد است.
ج- مبدل لاملا ( Lamella ) : این نوع مبدل که شکل اصلاح شده ای از مبدل های پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است که لوله های به کار رفته در آن به صورت تخت شده اند. به این لوله ها لاملا نیز گفته می شود. مبدل صفحه ای لاملا از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته به یکدیگر جوش خورده اند، تشکیل شده است. مبدل های لاملا رسوب نمی گیرند و ظرفیت تحمل فشار ۳۵ بار را دارند.
تمیز کردن آسانتر مجموعه، هزینه کم در روش ساخت و تولید مبدل های پوسته و لوله نسبت به مبدل های دیگر ویژگی بارز این نوع مبدل هاست. از مزیت های دیگر این مبدل ها می توان به سطح تماس زیاد در حجم کم، طرح مکانیکی خوب و توزیع یکنواخت فشار اشاره کرد.
نکته مهم در مورد مبدل های صفحه ای این است که موج های روی صفحات جریان سیال را متلاطم می سازد و در نتیجه ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد. در این مبدل ها، امکان افزایش ضریب انتقال حرارت در هر دو طرف صفحه وجود دارد. نکته قابل توجه دیگر این است که شرایط جریان غیر هم جهت در مبدل های صفحه ای به سادگی تأمین می شود و بنابراین با اختلاف دمای موجود انتقال حرارت بیشتری حاصل می گردد. این امر در مبدل های لوله ای به علت جریان متقاطع حاصل از قرار دادن بافل در سمت پوسته دقیقاً تأمین نمی شود. همچنین تشکیل رسوب در مبدل های صفحه ای بر اثر تلاطم شدید سیال، فقدان حفره های سطح، کم بودن اختلاف دمای دو سیال و عدم وجود فضای مرده در مبدل های صفحه ای، کمتر از مبدل های لوله ای می باشد.
انعطاف پذیری بالای مبدل های صفحه ای باعث می شود که طراحی آن دقیق و مطابق با کاربرد مورد نظر باشد. در مبدل های صفحه ای سطح موثر تبادل حرارتی حداکثر و سطح تماس با محیط پیرامون حداقل می باشد، علت این امر بالا بودن سطح موثر حرارتی و الگوی منحصر به فرد توزیع سیال در سطح صفحات می باشد که تمام صفحه را به هنگام عبور از آن پوشش می دهد. این امر اتلاف حرارتی را به حداقل می رساند. از آنجایی که کارایی حرارتی مبدل های صفحه ای در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بسیار بهتر است. بنابراین دستگاه به سطح انتقال حرارت کمتری نیاز دارد. در نتیجه مقدار مورد استفاده وزن و سطح دستگاه کاهش می یابد، مبدل های صفحه ای بسیار متراکم تر از سیستم پوسته و لوله هستند که باعث کاهش سطح دستگاه و هزینه ساخت می شود.
در مبدل های صفحه ای، صفحات می توانند برای بازدید و تمیز کردن از سیستم خارج شوند. اگر رسوبات سخت در دستگاه تشکیل شود به راحتی می توان با محلول اسید آن را تمیز کرد. به علت سادگی تعمیر و تمیزکاری یک مبدل صفحه ای، فضای چندانی برای نصب نیاز نیست، اما برای مبدل های پوسته و لوله ای به فضای بیشتر از دو برابر ابعاد آن ها نیاز است. مبدل های صفحه ای در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله ای معادل، مساحت کمی برای اتلاف حرارت دارند
انعطاف پذیری بالای مبدل های صفحه ای باعث می شود که طراحی آن دقیق و مطابق با کاربرد مورد نظر باشد. در مبدل های صفحه ای سطح موثر تبادل حرارتی حداکثر و سطح تماس با محیط پیرامون حداقل می باشد، علت این امر بالا بودن سطح موثر حرارتی و الگوی منحصر به فرد توزیع سیال در سطح صفحات می باشد که تمام صفحه را به هنگام عبور از آن پوشش می دهد. این امر اتلاف حرارتی را به حداقل می رساند. از آنجایی که کارایی حرارتی مبدل های صفحه ای در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بسیار بهتر است. بنابراین دستگاه به سطح انتقال حرارت کمتری نیاز دارد. در نتیجه مقدار مورد استفاده وزن و سطح دستگاه کاهش می یابد، مبدل های صفحه ای بسیار متراکم تر از سیستم پوسته و لوله هستند که باعث کاهش سطح دستگاه و هزینه ساخت می شود.
مبدل های حرارتی تجهیزاتی هستند که امکان انتقال انرژی گرمایی بین دو یا چند سیال با مختلف را فراهم می کنند. این عملیات می تواند بین مایع-مایع، گاز-گاز و یا گاز-مایع انجام شود. این تجهیزات به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین ترو یا هر دو، مورد استفاده قرار می گیرند. برای انتخاب مبدل حرارتی مناسب لازم است اطلاعاتی در مورد انواع مبدل حرارتی رایج بازار داشته باشیم. از این جهت، در این مقاله ضمن معرفی مبدل های حرارتی پوسته و لوله و صفحه ای از زوایای مختلف به بررسی تفاوت ها و ویژگی های مبدل های پوسته و لوله و مبدل های صفحه ای می پردازیم. برای این منظور از مشخصات و ویژگی های مبدل های پوسته و لوله آغاز می کنیم.
مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell & tube) از معروف ترین مبدل های حرارتی در گروه تجهیزات گرمایشی به کار رفته در صنایع و کارخانجات به خصوص در حوزه صنعت پتروشیمی و واحدهای تقطیر نفت خام می باشد. این دستگاه انرژی حرارتی را از سیالی به سیال دیگر منتقل می کند که این سیال ممکن است مایع یا گاز باشد. به این صورت که دو سیال با دمای مختلف را وارد محفظه می کنند و میان آنها انتقال حرارت صورت می گیرد. ساختمان و شکل ظاهری این مبدل ها به شکل استوانه است که در داخل آن تعدادی لوله تعبیه شده است. به طور معمول، لوله های مبدل های حرارتی ، از جنس مس یا فولاد بوده و قطر خارجی آنها به ۱ اینچ می رسد. کارکرد این مبدل ها به گونه ای است که دو سیال مورد نظر که یکی سرد و دیگری گرم است، بدون برخورد مستقیم از طریق دیواره فلزی لوله ها با یکدیگر تبادل حرارت خواهند کرد. به عبارت دیگر یکی از این دو سیال در لوله ها و دیگری در اطراف لوله ها، درون پوسته جریان خواهد داشت. دو سیال این امکان را دارند که در دو فاز و غیر هم جهت حرکت کنند. مایع در داخل لوله ها حرکت می‌کند و بخار داغ بر روی لوله ها و درون پوسته جریان دارد. به علت تعداد زیاد این لوله ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می‌کند، حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می‌آورد.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله به سه دسته زیر تقسیم می شوند:
مبدل حرارتی پوسته و لوله قابل استفاده برای سطح تماس زیاد با فشار بالاتر از ۳۰ بار و حرارت بیشتر از ۲۶۰ درجه سانتیگراد می باشد.
یک مبدل حرارتی پوسته و لوله از قسمت های اصلی زیر تشکیل شده است:
اجزای اصلی این مبدل عبارتند از:
مبدل حرارتی صفحه ای، نوعی از مبدل حرارتی است که از تعداد زیادی صفحات فولادی ضد زنگ تشکیل شده است. این صفحات به صورت چین دار و توسط واشرهای پلیمری از هم جدا شده اند و درون یک قاب فولادی قرار گرفته اند. اجزای اصلی یک مبدل حرارتی صفحه ای شامل قاب، صفحات و واشرها است که صفحات توسط پیچ و مهره به هم متصل شده و به عنوان سطح تبادل حرارت عمل می کنند. ساختمان این نوع مبدل حرارتی به گونه ای طراحی شده است که امکان جدا کردن صفحات برای بازرسی، سرویس و تمیز کردن آنها به آسانی امکان پذیر است. همچنین، هر صفحه دارای یک واشر است که وظیفه آن آب بندی صفحه و تأمین شبکه انتقال سیال در مجموعه صفحات است.
در این مبدل ها، جریان های سیال، توسط صفحات مسطح که یا به صورت صاف و یا موج دار هستند، از هم جدا می شوند. این مبدل ها برای انتقال گرما بین گاز، مایع یا جریان های دو فاز، استفاده می شوند. بر اساس شکل ظاهری صفحات، مبدل های صفحه ای به صورت زیر طبقه بندی می شوند:
الف- مبدل صفحه ای واشردار ( Gasketed-plat ) : این مبدل ها متشکل از تعدادی صفحه نازک با سطح موج دار هستند که در نقش جداکننده سیال های گرم و سرد عمل می کنند. این صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که جریان های سرد و گرم برای انتقال گرما به صورت یک در میان در فضای بین صفحات جریان یابند. این مبدل ها بیشتر در فرآیند های مایع-مایع، عملگرهای کندانس و تبخیر استفاده می شوند. محدوده عملیاتی این مبدل ها دمای -۳۵ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد و فشار طراحی تا ۲۵ بار می باشد.
ب- مبدل صفحه ای حلزونی ( Spiral plat ) : این مبدل ها از دو صفحه بلند و موازی تشکیل شده اند که به صورت حلزونی حول یک میله پیچیده می شوند. سطح انتقال حرارت این مبدل ها از نیم تا ۵۰۰ متر مربع است، حداکثر فشار کارکرد آنها ۱۵ بار و حداکثر دمای عملیاتی آن ها نیز ۵۰۰ درجه سانتیگراد است.
ج- مبدل لاملا ( Lamella ) : این نوع مبدل که شکل اصلاح شده ای از مبدل های پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است که لوله های به کار رفته در آن به صورت تخت شده اند. به این لوله ها لاملا نیز گفته می شود. مبدل صفحه ای لاملا از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته به یکدیگر جوش خورده اند، تشکیل شده است. مبدل های لاملا رسوب نمی گیرند و ظرفیت تحمل فشار ۳۵ بار را دارند.
تمیز کردن آسانتر مجموعه، هزینه کم در روش ساخت و تولید مبدل های پوسته و لوله نسبت به مبدل های دیگر ویژگی بارز این نوع مبدل هاست. از مزیت های دیگر این مبدل ها می توان به سطح تماس زیاد در حجم کم، طرح مکانیکی خوب و توزیع یکنواخت فشار اشاره کرد.
نکته مهم در مورد مبدل های صفحه ای این است که موج های روی صفحات جریان سیال را متلاطم می سازد و در نتیجه ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد. در این مبدل ها، امکان افزایش ضریب انتقال حرارت در هر دو طرف صفحه وجود دارد. نکته قابل توجه دیگر این است که شرایط جریان غیر هم جهت در مبدل های صفحه ای به سادگی تأمین می شود و بنابراین با اختلاف دمای موجود انتقال حرارت بیشتری حاصل می گردد. این امر در مبدل های لوله ای به علت جریان متقاطع حاصل از قرار دادن بافل در سمت پوسته دقیقاً تأمین نمی شود. همچنین تشکیل رسوب در مبدل های صفحه ای بر اثر تلاطم شدید سیال، فقدان حفره های سطح، کم بودن اختلاف دمای دو سیال و عدم وجود فضای مرده در مبدل های صفحه ای، کمتر از مبدل های لوله ای می باشد.
انعطاف پذیری بالای مبدل های صفحه ای باعث می شود که طراحی آن دقیق و مطابق با کاربرد مورد نظر باشد. در مبدل های صفحه ای سطح موثر تبادل حرارتی حداکثر و سطح تماس با محیط پیرامون حداقل می باشد، علت این امر بالا بودن سطح موثر حرارتی و الگوی منحصر به فرد توزیع سیال در سطح صفحات می باشد که تمام صفحه را به هنگام عبور از آن پوشش می دهد. این امر اتلاف حرارتی را به حداقل می رساند. از آنجایی که کارایی حرارتی مبدل های صفحه ای در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بسیار بهتر است. بنابراین دستگاه به سطح انتقال حرارت کمتری نیاز دارد. در نتیجه مقدار مورد استفاده وزن و سطح دستگاه کاهش می یابد، مبدل های صفحه ای بسیار متراکم تر از سیستم پوسته و لوله هستند که باعث کاهش سطح دستگاه و هزینه ساخت می شود.
در مبدل های صفحه ای، صفحات می توانند برای بازدید و تمیز کردن از سیستم خارج شوند. اگر رسوبات سخت در دستگاه تشکیل شود به راحتی می توان با محلول اسید آن را تمیز کرد. به علت سادگی تعمیر و تمیزکاری یک مبدل صفحه ای، فضای چندانی برای نصب نیاز نیست، اما برای مبدل های پوسته و لوله ای به فضای بیشتر از دو برابر ابعاد آن ها نیاز است. مبدل های صفحه ای در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله ای معادل، مساحت کمی برای اتلاف حرارت دارند