شرکت تیلار، طراح و سازنده انواع مبدل های حرارتی (Shell&Tube) صنعتی، موتورخانه ای و نیمه صنعتی، با مواد و متریال مختلف از جنس آهن، گالوانیزه، استیل، مس، آلومینیوم و ...

مبدل حرارتی، عضو جدانشدنی یک سیستم یا پلنت مورد کاربرد است. مبدل های حرارتی مختلف در قسمت های مختلف برای کابردهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله از جمله پرکاربردترین مبدل های حرارتی موجود در صنعت هستند که مورد استفاده در قسمت های مختلف موتورخانه، پالایشگاه و پتروشیمی خواهند بود. مبدل های حرارتی که در موتورخانه مورد استفاده قرار میگیرند، دارای بدنه از جنس آهن گالوانیزه و لوله های مسی هستند که با آرایش U-Type، در داخل Shell قرار گرفته شده است.

تقسیم بندی مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی از نقطه نظر های مختلف، به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. ازحیث نوع انتقال حرارت، افت دما، نوع متریال مورد استفاده، شکل مبدل حرارتی و نحوه قرارگیری در مدار، انواع مبدل حرارتی را می توان دسته بندی کرد. در این قسمت سعی شده است به طور کلی مبدل حرارتی مختلفی که در صنعت و در موتورخانه مورد استفاده قرار میگیرد توضیح داده شود.

مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و ولوله، از نوع پرکاربردترین مبدل حرارتی در صنعت موتورخانه، پتروشیمی و پالایشگاه هستند. مبدل حرارتی پوسته و لوله به طور گسترده در تصفیه خانه استخر، در فرآیندهای پالایشگاهی، استخر های صنعتی و تفریحی مورد استفاده قرار میگیرد. مبدل های حرارتی موجود در موتورخانه معمولا از جنس بدنه آهن بوده که آب در گردش استخر درون آن جریان دارد و لوله های از جنس مس هستند که آب بویلر درون آن جریان دارد. به لوله های مسی موجود در مبدل حرارتی کویل مسی گفته می شود که برای گرم کردن آب استخر استفاده می شود.

نوع دیگری از مبدل حرارتی که در موتورخانه مورد استفاده قرار میگرید، منابع کویل دار آب گرم موتورخانه هستند که برای گرم کردن آب گرم مصرفی مورد استفاده قرار میگیرد. بدنه (Shell) این نوع مبدل حرارتی از جنس آهن گالوانیزه است تا برای مصارف بهداشتی مشکلی نداشته باشد. کویل های موجود در این نوع مبدل یا از جنس آهن گالوانیزه یا از جنس مس هستند که در داخل آن آب موجود در دیگ گردش دارد.

مبدل حرارتی صفحه ای (PHE) چیست؟

مبدل حرارتی قاب صفحه ای، مجموعه ای از صفحات موازی است که توسط شیار های موجود روی این صفحات، اشفتگی خاصی به جریان سیال منتفل می شود. این صفحات بین دو کاور واقع می شوند و توسط Tie Bot  ها به یکدیگر متصل می گردند. در واقع این صفحات از اختلاط سیال گرم و سرد جلوگیری کرده و موجب انتقال حرارت غیر مستقیم می شوند.

این صفحات مستطیلی شامل نازل های حلقوی هستند که سیالات از طریق انها وارد و خارج می شوند. به دلیل انباشتگی و فشردگی صفحات، این مبدل در زیر مجموعه ی مبدل های packed  قرار می گیرد.

صفحات که وظیفه انتقال حرارت و تبادل گرمایی بین سیال گرم و سرد را دارا می باشند توسط واشر هایی که به صورت یک تکه بین صفحات قرار گرفته اند محافظت شده و مانع از نشت جریان سرد و گرم به خارج از مبدل می گردند.

به دلیل استفاده از اب بند های دو طرف صفحات، هیچ گونه نشتی و نفوذ سیالات به یکدیگر در این مبدل ها وجود نخواهد داشت.

معمولا جنس Frame ها از نوع کربن استیل با پوشش Epoxy  بوده که جهت محاسبات ضخامت انها از استاندارد ASME استفاده می شود. ورق هایی که مسیر جریان را هدایت می کنند معمولا از جنس Alloy Material یا SS 304 می باشند.یان صفحات دارای برامدگی منظم می باشند که توسط قالب یا پرس خاص به وجود امده و مسیر های هدایت سیال را تعریف می کنند.

 ضخامت این صفحات معمولا0.8mm  0.4  و دارای برامدگی هایی به عمق 2-10mm می باشند.

صفحات انتقال حرارت

در این قسمت به معرفی انواع صفحات مبدل های قاب صفحا ای از نظر مشخصات، نوع شیار های روی صفحات و تقسیم بندی انها به شرح ذیل می پردازیم :

1. GFP – Wide – Gap plates

این صفحات بیشتر برای سیالات ویسکوز یا جامدات و دوغابها به کار می روند و دارای شیار هایی به غمق 2 تا 5 برابر ضخامت مرسوم می باشند که موجب عبور ذرات درشت می گردند. از شیار Wide – Narrow برای عبور تنها یک سیال با ذرات درشت استفاده می شود اما زمانی که هر دو سیال،سطح جریان اضافی نیاز داشته باشند از نوعMedium/medium  استفاده می شود. در  پیکربندی این دو نوع شیار، از هندسه صفحه منفردی استفاده می شود. در ضمن این نوع از صفحات کاربرد خوبی برای گاز ها دارند.

2. GFP Washboard

صفحات GFP Washboard که دارای شیاری از نوع Washboard می باشند، برای مایعات ویسکوز و محلول هایی با ذرات درشت کاربرد دارند. این صفحات نسبت به صفحات Herringbone  می توانند ذرات بزرگتری را از لحاظ سایز عبور دهند و تمایل کمتری برای رسوب ذرات دارند زیرا دارای تماس ننقطه ای کمتر بین فلز با فلز می باشند و همچنین دارای مسیر شستشوی عریضی می باشند.

3. GCD-Series plates

ضخامت gcd-series plates با ntu  بالا و ntu کم، ابتکاری تازه در طراحی سطوح توزیع جریان می باشد که برای بخار ها و سیالات ویسکوز کاربرد دارد و احتیاج به شدت انتقال حرارت بالا در افت فشار پایین دارد.

4. UXP- Series plate

این صفحات دارای شیار های متداول chevron می باشند که بریا طول های مختلف حرارتی ارائه شده است و دارای کاربرد های چند گانه می باشند. در ضمن به واسطه القا کردن اشفتگی بیشتر در جریان سیالات برای محلول های خالص و تمیز کاربرد دارند.

5. SXP Series plates

Sxp series plates   مکمل صفحات  uxp-series plates  می باشند. Pitch  های محکمتر و فاصله کم مسیر شستشو موجب ایجاد ضریب انتقال حرارت بهتر و نیز تزریق فشار بیشتر به جریان می گردد.`

6. Mixd plates

به کارگیری صفحات ترکیبی موجب عملکرد بهتر انتقال حرارت می گردد که این عملکرد از طریق ترکیب صفحات با NTU کم و NTU بالا حاصل می شود. بنابراین در این نوع از صفحات به تعداد صفحات کمتری نیازمندیم. زیرا شرایط هیدرولیکی و حرارتی می توانند به طور کامل با یکدیگر هماهنگ شوند.

7. GXD- Series plates

زمانی که توزیع جریان ها موازنه نشده باشد برای نزدیگ شدن به افت فشار مجاز از این طرح صفحات استفاده می شود. انطباق بهتر دبی های نا مساوی جریان که شدت انتقال حرارت و افت فشار را برای هر دو سیال بهینه می سازد، بهترین بازده کلی سیستم را می دهد و هزینه کمتری دربر خواهد داشت.

در تکنولوژی صفحاتGXD  دو الگوی صفحه نا متقارن برای ایجاد 6 کانال جریان مختلف استفاده می شود.

سه جزء اصلی یک مبدل صفحه ای که در تویلد ان نقش دارند عبارتند از : صفحات شیاردار، واشرها و صفحات انتهایی(قاب) یا درپوش ثابت یا متحرک که از میان این اجزا، تولید صفحات با الگوهای سطحی، بسیار اهمیت دارند چرا که این صفحات و الگوهایشان عامل اصلی کارایی حرارتی هیدرولیکی مبدل های صفحه ای هستند لذا به بررسی جنس این صفحات می پردازیم :

جنس صفحات

صفحات شیاردار مورد استفاده در مبدل های صفحه ای از هر فلز یا الیاژی ساخته می شوند که بتوان روی انها عملیات اهنگری سرد (فرم دادن در دمای محیط) یا جوشکاری را انجام داد. فولاد زنگ نزن، تیتانیم، نیکل، الومینیوم، اینکولی(INCOLOY) ، هستلوی، تانتالم و مونل از جمله مواد مورد استفاده در ساخت مبدل های صفحه ای هستند.

پرسکاری سرد مورد استفاده برای فرم دادن الگوهای سطحی صفحات به کمک پرس، مارا از استفاده از مواد تردی مانند الیاژ های زیر کنیوم و فولاد پر کروم بی نیاز می سازد . انتخاب جمس صفحه بر اساس سازگاری با سیال و کارکرد حرارتی که به عهده دارد، انجام می شود و عوامل دیگری مانند بهینه سازی طرح حرارتی و انتخاب های سازنده نیز نقش دارند، با ان که در کاربردهای خاص ممکن است لاطم شود که از جنس صفحه خاصی استفاده کنیم.

الگوهای شیار

محدوده وسیعی از انواع شیار موجود استو هر یک از صفحات دارای شیار های خاص و متناسب با نوع کارکرد و عملکرد مبدل می باشند که معمولا شیار های intermating یاwashboard  و chevron یا herringbone کاربرد فراوان دارند.

شیار ها سطح موثر صفحات را افزایش می دهند و اشفتگی جریان را نیز ترفیع می دهند. در شیار intermating  ، اشفتگی از طریق تغییر دادن پیوسته جهت جریان و سرعت سیال افزایش می یابد. در نوع intermating  صفحات مجاور چنان مونتاژ می شوند که کانال به سیال حرکت گردابه ای را انتقال دهد.

برای مقاوم کردن این صفحات نازک در برابر فشار های مختلف (حد اقل 10 bar تا 25bar) وجود شیار ها ضروری است. در نوع intermating ، شیار های اریب می توانند عمیق تر از فاصله صفحات باشند. فاصله صفحات از طریق فرورفتگی های ایجاد شده در ننوگ و فضای بین دو شیار محافظت می شود.

شیارintermating  نقاط تماس کمتر و عمق شیار بیشتری نسبت به نوع chevron دارد. در نتیجه شیار intermating در فشار کمتری کار می کند اما ره صفحات بزرگتری نیاز دارد.

در شیار chevron عمق شیار مشابه فاصله صفحات می باشد. زاویه chevron در صفحات مجاور وارونه می شود تا زمانی که صفحات به یکدیگر متصل شدند، شیار ها در عرض یکدیگر قرار گیرند و نقاط تماس مختلفی را ایجاد کنند.

بنابراین نوعchevron  مقاومت بیشتری نسبت به نوع intermating دارد و قادر است در برابر فشار های بالا با ضخامت صفحه کم مقاومت نماید. شیار های ان نیز عمق کمی دارند که به عملیات پرس کردن کمک می نمایند و در نتیجه نوع chevron  برای تولید صفحه با فلزات گران مناسب است و متداولترین نوع به کار رفته می باشد.

مجاری ورودی و خروجی(ports)  موجود روی صفحات

سیالات از طریق ports (مجاری) که در یک یا دو انتهای صفحات واقع شده اند، وارد دستگاه می شوند. اگر port های ورودی و خروجی در انتهای هد ثابت واقع شوند، دستگاه می تواند بدون تاثیر تنش های ناشی روی لوله ها خنثی شده و مانع از ارتعاش به وسیله piping  شود.

این موضوع در ارایش های تک گذر کاربرد دارد اما در ارایش ها چند گذر،port  ها باید همیشه در هر دو هد قرار گیرند. این مسئله به این معنی است که دستگاه نمی تواند بدون اثرات ناشی از تنش لوله ها در انتهای هد متحرک عمل کند.port  ها می توانند به گونه ای ارایش یابند که جریانی مورب شکل را به وجود اورند که در ان سیال وارد می شود و در گوشه مخالف محیط را ترک می کند یا می تواند ارایش جریان عمودی را به وجود اورد که در ان سیال وارد می شود و از سمت مشابه محیط را ترک می کند .

اگر جریان مورب به کار رود، استفاده از صفحات شیار دار با جهت مخالف نیاز است. بنابراین این ارایش هزینه اضافی را در بر می گیرد. در حالی که این مسئله برای جریان عمودی صدق نمی کند. لذا جریان عمودی بیشترین کاربرد را دارد و کم هزینه تر می باشد.

جنس مجاری ورودی و خروجی (port) معمولا مشابه جنس صفحات می باشد تا از اثرات گالوانیک جلوگیری نماید اما گاهی اوقات خطوط از جنس لاستیک هستند. بیشترین قطرport  معمولا 450 mm  (18 in) است. بیشترین دبی1-1.5  متر مکعب بر ثانیه برای سیال ابی می باشد که البته این دبی بستگی به افت فشار دارد.

واشر ها

کارایی مبدل های صفحه و قاب به شدت به واشر های مورد استفاده در انها و قابلیت اعتماد جنس مورد استفاده در ان بستگی دارد. واشر ها الاستومر های قالبگیری شده یک تکه هستند و مشخصه ها خاص انها بر اساس سازگاری با سیال، دمای کار و فشار موجود انتخاب می شود.

در کنار شرایط کاری، ویژگی های فشاری برای مقاومت در برابر تنش و نیروهایی که از جریان سیال تولید می شوند نیز بسیار حایز اهمیت و مهم می باشند. بنابراین، واشرها معمولا از مواد قابل شکل دهی و الاستیک ساخته می شوند مانند : لاستیک و اشکال پلیمری شده .

جنس واشرها

امروزه در صنعت از جنس های زیر ( که همگی نوع خاصی از لاستیک هستند ) برای واشرها استفاده می شود :

• EPDM
• NBR
• FPM

اجزای فرعی مبدل های حرارتی صفحه ای

• قاب پایه های انتهایی(قاب و درپوش متحرک و ثابت) که نازل هایمجاری ورودی و خروجی سیال در ان قرار می گیرند.
• میله های حامل (carrier bar) و پایه های نگهدارنده (support columns)

ترکیب بندی مبدل های حرارتی صفحه ای

همان طور که قبلا ذکر شد، یک مبدل حرارتی صفحه ای اساسا مجموعه ای از صفحات فلزی پرس شده نازک و مستطیلی است و واشر ها کاملا اطراف انها را احاطه کرده اند  این صفحات بین این واشر ها قرار گرفته اند.

صفحات به صورت یک تکه و بدون اتصال جوشی هستند و به قاب پیچ می شوند. واشر های بین صفحات و لابه لای هر جفت از صفحات، محل جریان سیالات را در مسیر جریان میان صفحات نگه می دارند و از اختلاط انها جلوگیری می نمایند و نیز مانع نشت سیال از صفحه ها به محیط بیرون و همچنین اختلاط با یکدیگر می شوند. این صفحات از طریق یک میله حامل فوقانی اتصال و توسسط میله پایینی به خوبی تنظیم می شوند و سر جای خود قرار می گیرند.

در اغلب موارد میله های حامل در سر دیگر قاب با کمک یک ستون پایه نگه داشته و از هم جدا می شوند. مجموعه صفحات که میان صفحه در پوش ثابت و در پوش متحرک قرار می گیرند، به کمک چند پیچ به هم بسته می شوند که خود به یک میله بلند از پیش مستقر شده پیچ و سفت می گردند.

لازم به ذکر است که در الگوی اولیه قرار گیری صفحات در صفحات میانی، در اطراف هر چهار سوراخ واشر قرار می گیرد تا مانع نشتی سیال میان صفحه اول و قاب شوند چرا که احتمال نشت سیال از طریق اتصال نازل های ورودی و خروجی روی قابها بیشتر می باشد لذا در این حالت استفاده از دو عدد واشر مانع این نشت سیال خواهد شد.

همان طور که در تصویر می بینید، جریان های سیال گرم و سرد در کانال ها و مسیرهای ویژه جریان می یابند که توسط صفحه شیار دار از هم جدا شده اند. هر جفت از صفحات مجاور در این مبدل ها با هم تشکیل یک کانال می دهند و سیالی که از طریق مجاری خورجی و وردی وارد مبدل می شود یا ان را ترک می کند، از طریق انها هدایت می شود.

لذا در ارایش جریان مخالف خالص (pure counter-current) ، حرارت سیال داغ از طریق دیواره ها به سیال سردتر انتقال می یابد و برعکس. این امر سبب بالا رفتن کارایی این مبدل ها می شود.

در بررسی این مبدل ها عموما به دو نوع عمده مبدل های قاب صفحه ای دارای واشر

   (gasket plate heat   exchanger) و مبدل های قاب صفحه ای جوشی

(partial or fully welded plate heat exchanger) برخورد می کنیم که هر یک دارای مزایا و معایب و عملکرد خاص می باشند.

مبدل های حرارتی قاب – صفحه ای دو جداره

این مبدل ها برای کار با یک سیال واکنشی طراحی شده اند و یا زمانی استفاده می شوند که لازم است از الودگی محصول در میان دو جریان سیال جلوگیری شود. صفحات دوبل که با واشرهای معمولی اب بندی می شوند، جایگرین تک صفحاتی می شوند که معمولا دو سیال را از هم جدا می کنند.

در صورت واکنش سیال و خورده شدن سطح صفحات دو جداره، نشتی در مسیرهای بین دو صفحه هدایت می شود و این سبب حداقل شدن احتمال الودگی میان سیالی می شود و نشتی نیز به راحتی از خارج قابل مشاهده است.

کاربرد

این نوع مبدل بیشتر در گرم کردن و سرد کردن اب اشامیدنی، سیالات دارویی، روغن روانکاری و روغن مبدل استفاده می شود.

مبدل های حرارتی قاب – صفحه ای کاملا جوش داده شده

(fully – welded plate heat exchangers)

یک مبدل کاملا جوش شده از نوع مبدل های بدون واشر است که در ان از یک واحد از صفحات کاملا جوش شده میان دو صفحه انتهایی استفاده می شود که دور یک قاب معمولی پیچ شده اند. در این نوع از مبدل ها، جوش های لیزری در امتداد لبه ها و روی صفحه ها به صفحات امکان انبساط و انقباض در دماها و فشار های متغیر و بالا را می دهد.

از این رو مجموعه صفحات در مقابل نشتی بسیار مقاوم خواهند بود. لذا از این نوع از مبدل ها در شرایطی که با تغییر سریع در فشار و دما رو به رو هستیم استفاده می شود. دقت کنید که این مبدل ها بر خلاف انواع دیگر، امکان اضفه یا کم نمودن صفحات جهت تغییر بار حرارتی را ندارند.

همچنین نمی توان از روش های مکانیکی برای تمیز نمودن انها استفاده نمود بلکه باید روش های شیمیایی را به کار برد.

کاربرد

این مبدل ها اغلب برای فرایند های حرارتی به کار می روند که ضوابط کاری انها بسیار جدی است و غالبا کار کنترل و هدایت سیالات بسیار خورنده را انجام می دهند.

محدوده عملیاتی

این مبدل ها می توانند در برابر دماهای تا 350 درجه سانتی گراد و فشار های  تا40bar  مقاومت کنند.

 مبدل های حرارتی قاب – صفحه ای گرافیت دیابون

این مبدل از صفحات گرافیتی استفاده می کند که برای عمل اوری حرارتی سیالاتی استفاده می شوند که معمولا برای صفحات ساخته شده از فلزات نادر و الیاژها، بسیار خورنده است. صفحات گرافیتی علاوه بر اینکه در برابر خوردگی مقاومت می کنند، قادرند در دماهای بالا نیز مقاومت کنند و در وضعیت پرفشار و انبساط حرارتی کم، خواص انتقال حرارتی بسیار خوبی را از خود نشان می دهند.

کاربرد

این مبدل ها بیشتر در گرم کردن حمام های اسید شویی، روکش کاری فلزات، تولید اسید هیدرولیک و بازیافت حرارت تلف شده گاز سوخته استفاده می شوند.

مبدل های حرارتی قاب – صفحه ای مینکس

این مبدل از لحاظ شکل ظاهری، کوچک شده مبدل حرارتی صفحه و قاب معمولی است. قاب های انتهایی این مبدل و میله های حامل یا هادی حذف شده اند و پیچ ها دور صفحات انتقال حرارت قرار گرفته اند.

این ترکیب، امکان ایجاد یک طرح جمع و جور و انعطاف پذیر از مبدل های حرارتی صفحه ای با قابلیت کاهش یا افزایش صفحات جهت جوابگویی به شرایط متغیر را دارند.

کاربرد

چون برای نگه داشتن مجموعه صفحات واشر بندی شده تنها از پیچ استفاده می شود، مبدل حرارتی صفحه ای minex کوچک و جمع و جور، معمولا در مواردی از انتقال حرارت به کار می رود که در ان مقدار انتقال حرارت مورد نیاز بسیار کوچک است. این نوع مبدل کاربرد عمومی دارد و در ماردی که بار حرارت ثابت است، مورد استفاده قرار می گیرد و جای گزین مناسبی برای مبدل های بزرگ است.

مبدل های حرارتی قاب – صفحه ای نیمه جوش شده

(partially – welded plate heat exchangers)

با جوشکاری مبدل های حرارتی به صورت دوبل، جهت ساخت صفحات موسوم به صفحات دو قلو، یک مبدل حرارتی صفحه ای نیمه جوش شده ایجاد می شود که این صفحات دو قلو در یک واحد قاب و صفحه قرار می گیرند و تنها در کانال های صفحه، واشربندی انجام می شود که جریان سیال فرعی را هدایت می کنند