مبدل حرارتی چیست؟
دو نوع مبدل حرارتی که در صنعت کاربرد زیادی دارند، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله و مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای می‌باشند. این دو نوع مبدل حرارتی هر کدام کاربردهای خاص و مزایا و معایب خود را دارند.
یک نوع مبدل حرارتی که به صورت متداول در صنایع مختلف به کار می‌روند، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchangers) می‌باشند. در بین ویژگی‌های مفید این نوع مبدل‌ها می‌توان از تحمل فشار و دمای زیاد نام برد. مبدل‌های پوسته و لوله‌ای دارای خصوصیات نامطلوبی نیز هستند که از آن جمله می‌توان به بزرگی اندازه مبدل و عدم دسترسی به سطوح داخلی اشاره نمود.
امروزه استفاده از مبدل‌های حرارتی پلیتی (plate type heat exchangers) رو به افزایش است. بر خلاف مبدل‌های پوسته لوله‌ای، مبدل‌های صفحه‌ای حداکثر تا دماهایی در حدود 250 درجه سانتی‌گراد و فشارهایی در حدود 25 بار قابل استفاده هستند. در دماها و فشارهای بیش‌تر می‌توان از صفحات جوشی استفاده کرد، اما این امر انعطاف‌پذیری مبدل را کم و تعمیر و نگهداری آن را مشکل می‌نماید. حداکثر دما و فشار مجاز در مبدل‌های پوسته و لوله‌ای بسیار بیش‌تر از مقادیر حدی برای مبدل‌های صفحه‌ای است. بنابراین در مواردی که فشار یا دمای مورد نظر خیلی زیاد است، مبدل لوله‌ای انتخاب منطقی بi نظر می‌رسد.
در مواردی که استفاده از یک مبدل صفحه‌ای یا لوله‌ای برای انجام تحول خاصی یکسان باشد، انتخاب نهایی بر مبنای شرایط اقتصادی انجام می‌شود. در این رابطه باید هزینه سرمایه‌گذاری اولیه، هزینه جاری، هزینه نصب و فاکتورهایی از قبیل میزان فضای اشغالی، امکان بازرسی و تمیز کردن، انعطاف‌پذیری در برابر تغییر شرایط کارکرد در نظر گرفته شوند.
محدوده کارکرد مبدل‌های صفحه‌ای
در گذشته شرایط کارکرد مبدل‌های واشردار محدود به فشار 2 بار و دمای 60 درجه سانتی‌گراد بود. با آن که ساختار اصلی این مبدل‌ها تغییری نکرده، ولی پیش‌رفت‌های ایجاد شده در 60 سال اخیر محدوده کارکرد آنها را تا فشار 30 بار و دمای 180 درجه سانتی‌گراد بالا برده است.
ماکزیمم فشار کارکرد مجاز توسط سازه قاب مبدل حرارتی صفحه‌ای تعیین می‌گردد. توانایی نگهداری سیال توسط گسکت‌ها و مقاومت صفحات در قبال تغییر شکل نیز از نظر اهمیت در درجه دوم قرار می‌گیرند. ماکزیمم دمای کارکرد معمولا توسط نوع واشرها محدود می‌شود. از گسکت‌های Neoprene و Viton می‌توان تا دمای 120 درجه سانتی‌گراد و از واشرهای Resin-Cured Butyl تا دمای 200 درجه سانتی‌گراد به خوبی استفاده نمود.
یکی از معایب مبدل‌های صفحه‌ای این است که وجود اختلاف فشار بین مسیرهای مختلف باعث ایجاد تمرکز تنش در محل اتصالات می‌گردد که ممکن است موجب ترک برداشتن آن و نشت سیال از یک مسیر به مسیر دیگر گردد. بنابراین این گروه از مبدل‌های حرارتی برای فشارهای بیش‌تر از 2 مگاپاسکال مناسب نیست و تقریبا در همه جا برای فرآیندهای فشار قوی از مبدل‌های لوله‌ای استفاده می‌شود. از سوی دیگر بالا بودن مقاومت برشی مبدل‌های صفحه‌ای، ممکن است موجب بروز تنش‌های حرارتی نسبتا بزرگی در سازه مبدل گردد. لذا کاربرد این مبدل‌ها برای دماهای بیش از 250 درجه سانتی‌گراد توصیه نمی‌شود.
یکی از معایب بزرگ مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای گسکت‌دار، گستردگی سطوح نیازمند آب‌بندی توسط واشر می‌باشد. مشکلی که معمولا این مبدل‌ها در هنگام کار به وجود می‌آورند عدم آب‌بندی کامل و صحیح واشرها به علت محدود بودن عمر مفید واشرها یا استفاده مجدد از واشرهای مستعمل می‌باشد.
پارامترهای مهم در مقایسه مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله‌ای و مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای
1- موج‌دار بودن صفحات: موج‌های روی صفحه جریان سیال را متلاطم می‌سازد و در نتیجه ضریب انتقال حرارت حتی به ازای عدد رینولدز کم افزایش می‌یابد. امکان افزایش ضریب انتقال حرارت در هر دو طرف صفحه وجود دارد. در حالی که در مبدل‌های پوسته و لوله غالبا به سختی می‌توان ضریب انتقال حرارت زیادی در طرف لوله به دست آورد. البته افت‌های فشار مربوطه نیز باید مورد توجه قرار گیرند.
2- ضخامت صفحات: ضخامت صفحه را می‌توان در حداقل ممکن نگه داشت، البته برای جلوگیری یا کاستن از احتمال انحنای صفحه تحت فشار، در طراحی صفحه تعداد زیادی نقاط تقویتی پیش‌بینی می‌شود. این مساله همراه عدم استفاده از جوش‌کاری در ساخت صفحات، منجر به صرفه جویی در قیمت مبدل صفحه‌ای در قیاس با مبدل‌های لوله‌ای می‌گردد. ضمنا ضخامت کم صفحات مقاومت ناچیزی در برابر انتقال حرارت ایجاد می‌کند، هر چند که ضخامت کم، معمولا با ضریب هدایت حرارتی کم صفحات همراه است.
3 – تشکیل رسوب: تشکیل رسوب در مبدل‌های صفحه‌ای بر اثر عوامل زیر کم‌تر از مبدل‌های لوله‌ای می‌باشد.
تلاطم شدید سیال، ذرات جامد را در حالت تعلیق نگه می‌دارد
فضای مرده در مبدل‌های صفحه‌ای وجود ندارد
صفحات غالبا فاقد حفره‌های روی سطح بوده و جایی برای ته نشین شدن رسوب وجود ندارد
کم بودن اختلاف دماها دو سیال ( به علت با لا بودن ضریب انتقال حرارت).
4- جریان‌های غیر هم جهت: شرایط جریان غیر هم جهت در مبدل‌های صفحه‌ای به سادگی تامین می‌شود و بنابراین با اختلاف دمای موجود انتقال حرارت بیش‌تری حاصل می‌گردد. این امر در مبدل‌های لوله‌ای به علت جریان متقاطع حاصل از قرار دادن بافل در سمت پوسته دقیقا تامین نمی‌شود. هر چند مبدل‌های پوسته لوله‌ایی که تعداد زیادی بافل دارند جریان غیر هم جهت را بهتر تامین می‌کنند.
5 – تلفات حرارتی: مبدل‌های صفحه‌ای در مقایسه با مبدل‌های لوله‌ای معادل، مساحت کمی برای اتلاف حرارت دارند. ارقام داده شده نشان می‌دهد که افت حرارتی حاصل از تابش در مبدل‌های صفحه‌ای در حدود 20 درصد مبدل‌های لوله‌ای است.
6- تغییر سطوح حرارتی: مبدل‌های صفحه‌ای قابلیت کم یا زیاد کردن صفحه را دارا می‌باشد. بنابراین حتی پس از نصب آن نیز می‌توان سطح انتقال حرارت را افزایش داد. انعطاف‌پذیری بالای مبدل‌های صفحه‌ای باعث می‌شود که طراحی آن دقیق و مطابق با کاربرد مورد نظر باشد. در مبدل‌های پوسته لوله برای ساخت دستگاه باید ابعادی را که به طراحی نزدیک و در بازار موجود است، انتخاب نمود که این در مقایسه با کاربرد مورد نظر بهینه نیست و در بسیاری موارد سطح انتقال حرارت ایجاد شده زیادتر از سطح مورد نظر است و مبدلی از نظر کارآیی دارای بهترین طراحی نمی‌باشد.
7 - تمیزکاری: مبدل‌های صفحه‌ای خیلی راحت‌تر تمیز می‌شوند. کوچکی حجم محبوس شده، آشفتگی خیلی زیاد در مبدل‌های صفحه‌ای و همچنین عدم وجود نواحی مرده باعث شده است تا تمیز کردن به روش شیمیایی خیلی سریع‌تر و بهتر صورت پذیرد. در صورتی که تمیز کردن به روش مکانیکی لازم باشد همه صفحات و قطعات مبدل به آسانی قابل تمیزکاری هستند.
در مبدل‌های پوسته-لوله امکان بازدید و تمیز کردن مکانیکی مشکل است. اگر در این مبدل‌ها رسوب سختی تشکیل شود تنها راه ممکن این خواهد بود که با چرخش ماده شیمیایی همراه با شوک حرارتی آن را تمیز نمایند، اما تمیزکاری کامل سیستم امکان‌پذیر نیست. لازم به ذکر است که رسوبات باقیمانده بر روی سطح به عنوان دانه‌هایی برای تشکیل رسوبات جدید عمل کرده و بازه زمانی تمیزکردن را کاهش می‌دهند.
در سیستم صفحه‌ای، صفحات می‌توانند برای بازدید و تمیز کردن از سیستم خارج شوند. اگر رسوبات سخت در دستگاه تشکیل شود به راحتی می‌توان با محلول اسید، آنها را تمیز کرد.
8 – فضای مورد نیز برای نصب: به علت سادگی تعمیر و تمیزکاری یک مبدل صفحه‌ای، آن مبدل نیاز چندانی به فضای اضافی برای نصب ندارد؛ اما برای مبدل‌های پوسته و لوله‌ای به فضایی بیش‌تر از دو برابر ابعاد آنها نیاز است. به عنوان مثال برای یک کاربرد خاص می‌توان از یک مبدل صفحه‌ای با سطح انتقال حرارت 200 متر مربع با دو متر طول، سه متر ارتفاع و یک متر پهنا یا یک مبدل پوسته لوله‌ای با 600 متر مربع سطح انتقال حرارت و پنج متر طول و 8/1 متر قطر استفاده نمود. در این مورد برای مبدل صفحه‌ای نیاز به فضای اضافی برای تعمیر نمی‌باشد، در حالی که برای مبدل پوسته لوله‌ای باید حداقل فضایی برابر طول مبدل پیش بینی گردد، تا امکان بیرون آوردن لوله‌های مبدل وجود داشته باشد.
9 – نشت سیال: امکان اختلاط دو سیال بر اثر پاره شدن واشرها وجود ندارد، زیرا شیارهایی برای نشت سیال در واشرهای حاشیه هدر بالایی در نظر گرفته شده‌است که از طریق آنها نشت سیال به خارج مبدل صورت می‌گیرد، فقط در شرایطی اختلاط دو سیال ایجاد می‌شود که سوراخ‌هایی در صفحات به وجود آید.
10– زمان رکود: مبدل‌های صفحه‌ای نسبت به مبدل‌های لوله‌ای معادل خود زمان رکود یا زمان ماند سیال کم‌تری دارند.
11- وزن مبدل: از آنجا که کارآیی حرارتی مبدل‌های صفحه‌ای در مقایسه با مبدل‌های پوسته-لوله بسیار بهتر است بنابراین دستگاه به سطح انتقال حرارت کم‌تری نیاز دارد. در نتیجه مقدار مواد مورد استفاده، وزن و سطح دستگاه کاهش می‌یابد. مبدل‌های صفحه‌ای بسیار متراکم‌تر از سیستم پوسته-لوله هستند که باعث کاهش سطح دستگاه و هزینه ساخت می‌شود. مثلا برای نمونه آورده شده در بند 8، وزن خالی و پر مبدل صفحه‌ای به ترتیب 3300 و 4000 کیلوگرم است، در حالی که وزن مبدل پوسته لوله‌ای 6000 و 11000 کیلوگرم می‌باشد.