مبدل ثانویه

صفر تا صد مبدل حرارتی ثانویه

مبدل های حرارتی صفحه ای یا ثانویه یکی از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی هستند که امروزه استفاده می شود. نوع رایج دیگر مبدل حرارتی مبدل حرارتی پوسته و لوله است. مبدل حرارتی مارپیچی برای کاربردهای صنعتی نیز استفاده می شود، اما استفاده از آن در مقایسه با دو نوع مبدل حرارتی دیگر جزئی است.

مبدل‌های حرارتی ثانویه کاربرد گسترده ای در سراسر جهان مهندسی پیدا کرده اند زیرا آنها کارآمد، قوی و نگهداری نسبتا آسان دارند.

اجزای مبدل حرارتی ثانویه

مبدل های حرارتی ثانویه از قطعات نسبتا کمی تشکیل شده اند. از آنجایی که این مبدل‌‌ها برای انتقال حرارت استفاده می‌شوند، به ورودی‌ها و خروجی‌هایی نیاز دارند که محیط‌های جاری – یا سیالات – بتوانند وارد مبدل شده و از آن خارج شوند. سیال ممکن است مایع یا گاز باشد. از آنجایی که سیالات اغلب فقط مایع فرض می شوند، برای جلوگیری از سردرگمی از اصطلاح محیط جاری استفاده می کنیم.

واشرها و صفحات برای جداسازی محیط های جاری و جلوگیری از اختلاط آنها استفاده می شود. واشرها فقط به یک طرف هر صفحه چسبانده می شوند. صفحات روی میله حمل آویزان شده و با استفاده از پیچ و مهره های گیره به هم فشرده می شوند. هنگامی که صفحات به یکدیگر فشرده می شوند، به آنها “پشته صفحه” گفته می شود. یک نوار راهنما تضمین می کند که صفحات به درستی در هنگام باز و بسته شدن پشته صفحه، تراز شده باشند.

اجزای نهایی در انتهای مقابل پشته صفحه قرار دارند. یکی پوشش متحرک و دیگری ثابت است. پوشش متحرک و پوشش ثابت گاهی اوقات به عنوان صفحه قاب و صفحه فشار نیز شناخته می شود. توجه داشته باشید که ورودی ها و خروجی ها فقط روی پوشش ثابت نصب می شوند.

مبدل های حرارتی ثانویه چگونه کار می کنند؟

در طول این مقاله، فرض می کنیم که مبدل حرارتی ثانویه فرضی دارای دو محیط جریان است، یکی سرد و دیگری گرم است. محیط گرم باید توسط محیط سرد خنک شود و این در مبدل حرارتی ثانویه رخ می دهد.

سیال داغ از طریق ورودی محیط داغ وارد مبدل حرارتی می شود. واشرها محیط داغ را هنگام عبور از مبدل ثانویه هدایت می کنند. هر صفحه دارای یک الگوی واشر متناوب است. سیال داغ در فضای بین یک جفت صفحه جریان می یابد، اما به فضای بین جفت صفحه بعدی جریان نمی یابد زیرا واشرها از این امر جلوگیری می کنند. این روند به گونه ای ادامه می یابد که هر مجموعه دوم از صفحات، با سیال داغ پر شود.

در همان زمان، سیال سرد از طریق ورودی محیط سرد وارد مبدل حرارتی می شود، اما این بار، واشرها طوری قرار می گیرند که به سیال سرد اجازه دهند به فضایی که هیچ محیط گرمی وجود ندارد جریان یابند. مبدل حرارتی اکنون مملو از سیالات گرم و سرد است. هر رسانه از خروجی مربوط به خود خارج می شود و این فرآیند پیوسته ادامه دارد.

توجه داشته باشید که دو سیال همیشه در سراسر مبدل ثانویه مجاور یکدیگر هستند. بنابراین، سیالات جاری دارای یک الگوی جریان گرم، سرد می‌باشند، زیرا از طریق مبدل حرارتی ثانویه جریان می‌یابند. هر دو سیال توسط واشرها و صفحات، کاملاً از یکدیگر جدا می شوند و با هم مخلوط نمی شوند.

به دلیل نزدیکی سیالات، گرما بین آنها رد و بدل می شود. سیال داغ صفحه را گرم می کند و صفحه مقداری از این گرما را به سیال سرد می‌دهد. بنابراین دمای محیط گرم کاهش می یابد در حالی که دمای محیط سرد افزایش می یابد.

طراحی مبدل حرارتی ثانویه

صفحات اصلی ترین دلیل کارآمد بودن مبدل های حرارتی ثانویه هستند.

صفحات روی مبدل حرارتی ثانویه ممکن است به نظر طراحی ساده ای داشته باشند، اما هر صفحه پر از ویژگی های طراحی مهندسی جالب است. به عنوان مثال:

• هنگامی که صفحات به یکدیگر فشرده می شوند تا یک پشته صفحه را تشکیل دهند، شکاف بین هر یک از صفحات بسیار کوچک است که این تماس حرارتی خوبی بین دو سیال جاری را تضمین می کند. شکاف بین صفحات نیز به عنوان “گپ” شناخته می شود.
• صفحات نازک هستند و سطح تماس زیادی دارند که این ویژگی، به هر صفحه سرعت انتقال حرارت بالایی می دهد.
• صفحات از ماده ای با رسانایی حرارتی بالا ساخته می شوند که سرعت انتقال حرارت را بیشتر می کند.
• موج‌های روی سطوح صفحه از جریان آرام جلوگیری می‌کنند و جریان آشفته را افزایش می‌دهند، که سرعت انتقال حرارت را افزایش می‌دهد و در عین حال احتمال تجمع رسوبات روی سطوح صفحه را کاهش می‌دهد.

واشرها نیز ویژگی های طراحی جالبی دارند:

• واشرها قادرند مهر و موم بین صفحات را حتی زمانی که فشار و دمای سیستم متفاوت است حفظ کنند.
• سوراخ های موجود در هر واشر – که به عنوان نشانگر شناخته می شوند – برای شناسایی واشرهای نشتی استفاده می شود. این ویژگی به اپراتورها اجازه می‌دهد تا قبل از اینکه محیط نشتی از واشر بعدی نشت کند و محیط جاری دیگر را آلوده کند، صفحه آسیب‌دیده را عوض کنند.
• از آنجایی که واشر ها از طریق مبدل حرارتی عبور می کنند، ضروری است که به ترتیب صحیح نصب شوند. به همین دلیل، واشرها اغلب با علامت گذاری نصب می شوند تا اپراتورها بتوانند بررسی کنند که هر صفحه به ترتیب صحیح در کل پشته صفحه نصب شده است.

تغییر ظرفیت خنک کننده

روش های مختلفی برای تغییر ظرفیت خنک کننده مبدل حرارتی صفحه ای وجود دارد.

• شیرهای خروجی را طوری تنظیم کنید که جریان کم یا زیاد شود.
• تعداد صفحات در پشته بشقاب را افزایش یا کاهش دهید. افزایش تعداد صفحات در پشته صفحه افزایش متناظر در ظرفیت خنک کنندگی را به همراه دارد. کاهش تعداد صفحات در پشته صفحه کاهش متناظر در ظرفیت خنک کننده را به همراه دارد. به طور خلاصه، صفحات بیشتر برابر با ظرفیت خنک کنندگی بیشتر و صفحات کمتر برابر با ظرفیت خنک کنندگی کمتر است.
• از طرح تک پاس (گذر) یا چند پاس استفاده کنید. مبدل های حرارتی تک گذر به دو محیط جریان اجازه می دهند فقط یک بار از کنار یکدیگر عبور کنند. مبدل های حرارتی چند گذر اجازه می دهد تا محیط های جریان چندین بار از کنار یکدیگر عبور کنند. اکثر مبدل های حرارتی صفحه ای از طرح تک پاس استفاده می کنند.

انواع جریان در مبدل حرارتی صفحه ای (ثانویه)

جریان از طریق مبدل حرارتی صفحه ای ممکن است موازی، متقاطع یا متقابل باشد. مبدل های حرارتی صفحه ای معمولاً از جریان مخالف استفاده می کنند زیرا این کارآمدترین نوع جریان برای انتقال حرارت است.

ملاحظات طراحی

از آنجایی که مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای برای کاربردهای گسترده استفاده می‌شوند، باید طوری طراحی شوند که در برابر شرایط فرآیندی که در آن کار می‌کنند مقاومت کنند، این ممکن است شامل محیط‌های خورنده و فرسایشی باشد. امکان ساخت مبدل های حرارتی صفحه ای از مواد مختلف از جمله:

فلزات، آلیاژها و پلاستیک ها. مواد مختلف مبدل حرارتی صفحه ای را برای کاربردهای مختلف مناسب تر می کند. به عنوان مثال، اگر یک محیط جریان خاص هنگام تماس با فلزات خاص واکنش تهاجمی نشان دهد، ممکن است به جای آن از مواد مبتنی بر پلیمر مانند تفلون استفاده شود.

مزایای مبدل حرارتی (ثانویه)

• مبدل های حرارتی صفحه ای وزن کمتری دارند، به فضای کمتری نیاز دارند.
• تعویض و تمیز کردن صفحات کار ساده ای است زیرا پشته صفحه به راحتی باز می شود و بر خلاف مبدل های حرارتی پوسته و لوله، مبدل های حرارتی صفحه ای به فضای اضافی برای جداسازی نیاز ندارند.
• در مقایسه با دیگر طرح های مبدل حرارتی با همان اندازه، کارایی بیشتری دارند.

معایب مبدل حرارتی (ثانویه)

• مبدل های حرارتی صفحه ای نسبت به سایر طرح های مبدل حرارتی گران تر هستند.
• اگر یک واشر نشتی وجود داشته باشد که باعث مخلوط شدن یک محیط جاری با دیگری شود، پیدا کردن صفحه نشتی اغلب دشوار است.
• تعویض واشرهای صفحه در محل می تواند دشوار یا غیرممکن باشد. برخی از واشرهای صفحه باید برای تعویض به سازنده بازگردانده شوند که هم هزینه و هم زمان دارد.
• هنگامی که صفحات به یکدیگر فشرده می شوند تا یک پشته صفحه را تشکیل دهند، فاصله بین هر یک از صفحات کوچک است، این احتمال رسوب را با کاهش متناظر در انتقال حرارت افزایش می دهد.
• هنگام مونتاژ مجدد پشته صفحه، سفت کردن بیش از حد پیچ ​​و مهره های گیره می تواند منجر به له شدن صفحات شود که به موج های صفحه آسیب می رساند و واشرها را فشرده می کند. اگر واشرها فشرده شوند، صفحه دیگر به درستی آب بندی نمی شود.
• مبدل های حرارتی صفحه ای برای کاربردهای فشار بالا مناسب نیستند زیرا واشرها در اثر فشار سیستم خارج می شوند. این وضعیت به عنوان “فشار واشر” نامیده می شود. با این حال، می توان با استفاده از طراحی بدون واشر، این مشکل را برطرف کرد. این طرح ها معمولا از صفحات لحیم کاری یا جوش داده شده استفاده می کنند. مبدل های حرارتی صفحه ای لحیم کاری شده و جوش داده شده برای کاربردهای دما و فشار بالاتر مناسب تر هستند، اما همچنین برای کاربردهایی که نشت می تواند خطرناک یا فاجعه بار باشد، به عنوان مثال سیالات سمی.