مبدل های حرارتی در تاسیسات ساختمان جهت تبادل حرارت بین دو سیال که عموما آبگرم یا بخار آب با آب سرد است بوده و به خصوص در تامین آبگرم بهداشتی مصرفی در ساختمان استفاده می شوند.

در این مقاله به معرفی و بررسی عملکرد مبدل حرارتی صفحه ای که نمونه ای پر بازده از مبدل های حرارتی هستند می پردازیم. در ادامه مزایای مبدل های حرارتی صفحه ای را برشمرده و به نکاتی در خصوص نصب و استفاده از آنها اشاره

می کنیم.

مبدل حرارتی صفحه ای چیست

مبدل حرارتی صفحه ­ای، نوعی از مبدل حرارتی است که عموما از تعداد زیادی صفحات چیندار از جنس فولاد ضد زنگ تشکیل شده است. این صفحات توسط واشرهای پلیمری از هم جدا گشته اند و درون یک قاب فولادی قرار گرفته اند. اجزای

اصلی تشکیل دهنده­­­ مبدل حرارتی صفحه ای شامل قاب، صفحات و واشرها می باشد. صفحات که سطح تبادل حرارت را  تشکیل می دهند، توسط پیچ و مهره بین دو صفحه­ ی فولادی محکم شده اند. ساختار این مبدل های حرارتی به گونه

ای است که امکان باز کردن صفحات برای بازرسی و تمیز کردن آنها را فراهم آورد. هر صفحه دارای یک واشر است که وظیفه­ ی آن آب بندی صفحه و تأمین شبکه انتقال سیال در مجموعه ­­ی صفحات است.

علاوه بر این نوع مبدل حرارتی صفحه ­ای که به آن صفحه­ ای قابدار می گویند ، دو نوع دیگر نیز وجود دارند که شامل مبدل­ های صفحه­ ای لحیم ­کاری شده و مبدل­ های صفحه ­ای جوشکاری شده می باشد. در مبدل صفحه ای لحیم کاری

شده که از لحیم ­کاری برای اتصال صفحات به هم به جای واشر استفاده شود، مبدل می تواند در فشارهای ۳۰ بار نیز کار کند، در حالی که مبدل های حرارتی واشردار نهایتا فشار ۲۵ بار را می توانند تحمل کنند. در صورت استفاده از

جوشکاری برای اتصال صفحات در مبدل حرارتی جوشکاری شده، این فشار تا حدود ۶۰  بار ارتقاء می یابد. در حالت واشردار، محدوده دمایی کارکرد بین ۳۵- تا ۲۲۰ درجه­ ی سانتی­گراد قرار دارد و برای حالت لحیم­ شده محدوده ­ی آن بین ۱۹۵-

تا ۲۰۰ درجه­ ی سانتی­گراد است. در حالت جوشکاری شده، محدوده­ ی دما توسط ماده­ ی به کار رفته تعیین می شود.

مبدل حرارتی صفحه ای چگونه عمل می کند

در مبدل حرارتی صفحه ای سیال گرم و سرد در جهات خلاف هم وارد شبکه­­ ی مجاری مبدل می­ شوند. صفحات سیال سرد و گرم به صورت یک در میان کنار هم قرار گرفته ­اند تا تبادل حرارت بین دو سیال صورت بگیرد. در دو صفحه­ ی مجاور

هم، جریان سیال سرد و گرم در جهات مخالف از کنار یکدیگر عبور می کنند. نمونه­ این سیستم در شکل زیر قابل ملاحظه است. بر روی هر صفحه، قسمت دایروی واشر مانع ورود سیال به صفحه می­ شود و آن را به دهانه­ ی بعدی هدایت می

کند. قسمت دیگر واشر سیال را به سمت صفحه هدایت می کند.

باریک بودن مجاری در مبدل حرارتی صفحه ای باعث می شود عمده­ ی حجم سیال با صفحات تماس داشته باشد. صفحات مبدل حرارتی چین دار هستند که باعث افزایش آشفتگی جریان و در نتیجه افزایش انتقال حرارت بین صفحات می

شود.

مزایای مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای در مقایسه با سایر مبدل های حرارتی مزایا و محاسن متعددی دارد از جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:

نرخ تبادل بالای حرارتی مبدل های صفحه ای

به سبب آشفتگی بالای جریان سیال در مبدل حرارتی صفحه ­ای، تبادل حرارت با بازدهی بیشتری انجام می گردد. ضرایب انتقال حرارت در مبدل های حرارتی صفحه ای حدود ۳ تا ۶ برابر مبدل های لوله­ ای می باشد.

رسیدن به اختلاف دماهای پایین توسط مبدل حرارتی صفحه ای

مبدل حرارتی صفحه ای این قابلیت را دارد که اختلاف دمای بین ورودی یک سیال و خروجی سیال دیگر را به کمتر از ۱ درجه سانتیگراد برساند. این ویژگی به طور خاص در کاربردهایی بهبود و بازیابی حرارتی قابل توجه می باشد.

نیاز به فضای کمتر برای جانمایی مبدل

به سبب داشتن بازدهی انتقال حرارت بالا، مبدل­ حرارتی صفحه ای نیاز به فضای کمتری دارد و حدود ۲۰ تا ۵۰ درصد نسبت به مبدل­ های پوسته و لوله ­ای فضای کمتری را اشغال می کنند. در نتیجه در مواردی که محدودیت فضا وجود دارد

گزینه ی مناسبی محسوب می شود.

سبک­تر بودن مبدل های حرارتی صفحه ای

این مبدل­ ها در مجموع نسبت به انواع دیگر سبک­تر هستند. به دلیل اینکه فاصله­ ی بین صفحات کم است، مقدار کمتری از سیال عامل در این مبدل­ ها به کار می رود. همچنین با توجه به داشتن سطح کوچک­تر، وزن کمتری دارند.

رسوب گیری اندک در مبدل های حرارتی صفحه ای

به دلیل آشفتگی بالای جریان، رسوبات کمتری در مجاری باقی می ماند در نتیجه این مبدل ها نیاز کمتری به باز شدن و تمیز شدن دارند.

سادگی بازرسی در مبدل حرارتی صفحه ای

با توجه به نحوه­ طراحی مبدل حرارتی صفحه ای، باز کردن آن برای تمیز کردن یا بازبینی آن­ها به سادگی انجام می پذیرد.

عدم ترکیب سیالات در این مبدل های حرارتی

از آنجایی که هر سیال به طور جداگانه واشر بندی می شود و فضای بین واشرها به اتمسفر راه دارد، اختلاط بین دو سیال به وجود نمی آید.

انعطاف پذیری در افزایش و کاهش ظرفیت

یکی از ویژگی های برجسته ی مبدل حرارتی صفحه ای این است که به سادگی می توان با افزایش تعداد صفحات یا کاهش آن، به نرخ تبادل حرارت مطلوب دست یافت. این قابلیت به ویژه در مواردی که مقدار دقیق بار حرارتی در دست

نیست کارایی دارد و می تواند باعث صرفه جویی در زمان و هزینه گردد.

تبادل حرارت همزمان بین چند نوع سیال مختلف در یک مبدل حرارتی

یکی از ویژگی­های منحصر به فرد مبدل های حرارتی صفحه ای ، امکان استفاده از صفحات و اتصالات برای سیالات دیگر است تا به ازای یک منبع سرمایش یا گرمایش، چندین سیال تبادل حرارت داشته باشند.

امکان بکارگیری مبدل حرارتی صفحه ای در تبادل حرارت بین سیالات با لزجت بالا

از آنجا که در این مبدل­ های حرارتی سیال دارای آشفتگی جریان بالا در سرعت­ های پایین می ­باشد، در مواردی که سیال مورد نظر دارای لزجت بالا باشد کاربرد دارد.

فرآیند کنترل در مبدل حرارتی صفحه ای سریع تر انجام می شود

با توجه به اینکه فاصله­ ی کمی بین صفحات وجود دارد و مقدار سیال به کار رفته در مبدل کمتر است، سریع­تر نسبت به تغییرات شرایط کارکرد پاسخ  می دهد و در نتیجه کنترل آن راحت­تر و سریع­تر انجام پذیر است.

هزینه تعمیرات و نگهداری کمتر در مبدل های حرارتی صفحه ای

به سبب داشتن بازدهی بالای حرارتی، دبی های جریان در این مبدل ها کمتر بوده و به سبب اشغال فضای کمتر، هزینه­ های نگهداری کمتری دارند.

معایب مبدل حرارتی صفحه ای

به سبب محدودیت در ورودی­ های جریان روی صفحات در مبدل حرارتی صفحه ای، در زمانی که دبی های بالا از سیال با چگالی پایین (همچون بخار و گازها) وجود داشته باشند، رسیدن به یک طراحی اقتصادی امری دشوار می باشد چرا که

افت فشار برای این سیالات افزایش می یابد.

از دیدگاه مکانیکی، مجاری صفحه­ ها بهینه نیستند و در صفحه های واشردار، معمولا تحمل فشارهای بالاتر از ۲۵ بار را ندارند.

زمانی که استفاده از فولاد کربنی برای ساخت مبدل امکان پذیر باشد و نیاز به رسیدن به اختلاف دماهای پایین نباشد، استفاده از مبدل های حرارتی لوله ای از نظر اقتصادی به صرفه تر می باشد چرا که مبدل های صفحه ای به ندرت از فولاد

کربنی ساخته می شوند.

اختلافات بزرگ بین اندازه­ ی دبی جریان دو سیال قابل اعمال نیست.در مبدل­های صفحه­ای رایج، وجود ذرات با قطر بزرگ­تر از ۰٫۵میلی­متر در سیال مشکل­ ساز است. در مبدل­های صفحه ­ای واشردار، احتمال نشتی جریان وجود دارد.

نکات استفاده از مبدل حرارتی صفحه ­ای

یکی از نکات مهم در هنگام استفاده از مبدل حرارتی صفحه ­ای، پرهیز از تغییرات ناگهانی در فشار کارکرد می باشد. اگر به دلیل عواملی همچون بسته شدن ناگهانی یک شیر، اثر چکش آبی و… امکان وجود تغییرات ناگهانی فشار در سیستم

وجود دارد، نیاز به احتیاط بیشتر می باشد در غیر این صورت ممکن است در اثر ترکیدن یکی از واشرها، نشتی رخ دهد. از تغییرات فشار بیشتر از حدود ۷ کیلو پاسکال بر دقیقه و تغییرات دمایی بیشتر ۱۰درجه سانتی­گراد بر دقیقه باید پرهیز

کرد. برای این شرایط می توان از تجهیزاتی همچون شیرهای تخلیه و دمپر استفاده نمود.

با توجه به اینکه فاصله­ ی بین صفحات در یک مبدل حرارتی صفحه ای برای افزایش انتقال حرارت بسیار کوچک می باشد، ذرات با ابعاد بزرگتر ۰٫۵ میلی­متر ممکن است در این فضا گیر کنند. در نتیجه می بایست از ورود این ذرات با استفاده

ازصافیهاجریان جلوگیری کرد. این نکته مخصوصاَ در شرایطی که مخازن باز به کار رفته باشد و امکان وجود ذرات بزرگ­تر بیشتر است مهم­تر می گردد. افزایش سرعت سیال می­تواند به عبور ذرات و جلوگیری ته ­نشینی آنها کمک کند.

اگر در مبدل حرارتی صفحه ای دمای سیال از ۶۰درجه­ ی سانتی­گراد فراتر می رود یا سیال به کار رفته خاصیت خورندگی دارد، برای احتیاط از یک صفحه­ ی پوشش برای جلوگیری از تماس استفاده کنید.

اگر مبدل حرارتی در حال کار نباشد و در معرض دماهای زیر صفر باشد، در صورت وجود آب درون سیستم، امکان یخ زدن و تغییر شکل صفحات وجود دارد. در این صورت مبدل باید به طور کامل خشک شود.

برای بازبینی یا تمیز کردن مبدل حرارتی صفحه ای، دستگاه باید خاموش شود و دمای آن به زیر ۴۰ درجه ­ی سانتیگراد رسیده باشد.

مطمئن بودن از تمیز بودن مبدل حرارتی امر مهمی است چرا که وجود رسوب یا ذرات آلودگی داخل مبدل موجب کاهش جریان سیال، کاهش بازدهی مبدل و کوتاه شدن عمر آن می گردد.

چنانچه یک صفحه در اثر آسیب جدی احتیاج به عوض شدن داشته باشد، معمولاً صفحات مجاور آن نیز احتیاج به تعویض دارند.

به طور کلی، جلوگیری از نشتی در مبدل حرارتی صفحه ای راحت­تر از ترمیم آن است. نکته ­ا ی که باید به آن توجه داشت این است که برای تعیین میزان سفت بستن مبدل­ های حرارتی صفحه ای واشردار از ابعاد مجموعه استفاده می شود

نه از گشتاور مورد نیاز. شرکت سازنده با توجه به محصول و تعداد صفحات، یک طول مشخص را برای مجموعه­ ی صفحات تعیین می کند که سفت بستن سیستم با توجه با آن باید صورت گیرد. توصیه می­ شود که سالی یک بار در صورت نیاز

مجموعه برای جلوگیری از نشستی سفت شود و همزمان اتصالات و قاب برای بررسی هرگونه آسیب احتمالی یا خوردگی (در محیط های شیمیایی) بازبینی شوند.

نکات نصب مبدل حرارتی صفحه ­ای

یکی از نکات خیلی مهم برای نصب مبدل حرارتی صفحه ای ، در نظر گرفتن فضای کافی اطراف آن برای سرویس دستگاه (تعویض صفحات، سفت کردن مجموعه صفحات و…) می باشد. یک قاعده ­ی کلی این است که فاصله­ای حدود ۱٫۵ تا ۲

برابر عرض دستگاه در اطراف آن وجود داشته باشد.

برای بلند کردن دستگاه مبدل حرارتی صفحه ای هیچ­گاه از اتصالات اطراف آن استفاده نکنید. در اطراف مبدل حرارتی  دستگاه­ هایی که ازن تولید می کنند مانند موتورهای الکتریکی و دستگاه­های جوشکاری که قوس الکتریکی ایجاد می کنند

نباید وجود داشته باشد، چرا که ازن بسیاری از مواد لاستیکی (شامل واشرها) را از بین می برد.

هنگام اتصال سیستم لوله­ ها ، مطمئن شوید که هیچ فشار اضافه از طرف لوله ­ها بر مبدل حرارتی صفحه ای اعمال نگردد. اگر اتصالات لوله­ ها رزوه­ ای باشند، مطمئن شوید که این اتصالات هنگام نصب نچرخند، چرا که به واشر روی اولین

صفحه آسیب می­رساند.

برای مبدل­ های حرارتی صفحه­ ای واشردار امکان نشستی وجود دارد. توصیه می شود هنگام نصب دستگاه به این نکته توجه شود که یک سینی زیر مبدل تعبیه شود تا از نشتی روی زمین و یا آسیب به تجهیزات الکتریکی در اطراف مبدل

جلوگیری شود.

در هنگام راه­ اندازی مبدل حرارتی صفحه ای، توصیه می شود که از صافی روی ورودی­ های سیال استفاده شود. حتی اگر سیال به کار رفته تمیز و عاری از ذرات آلودگی باشد، برای مبدل نو همیشه امکان دارد ذراتی در سیستم باقی مانده

باشد. این ذرات ممکن است درون مبدل پمپ شوند و اگر درون آن گرفتار شوند، می توانند باعث افت فشار، کاهش بازدهی مبدل و یا آسیب به آن شوند.