مبدل صفحه ای 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 در ساختمان استفاده می شوند.در این مقاله به معرفی و بررسی عملکرد مبدل صفحه ای که یکی از پر بازده ترین انواع مبدل های حرارتی هستند می پردازیم. در ادامه مزایای مبدل های صفحه ای را برشمرده و انواع مبدل صفحه ای را معرفی می کنیم .در پایان نیز به نکاتی در خصوص نصب و نگهداری از آن ها اشاره می کنیم. ای چیست

مبدل صفحه ­ای، یکی از انواع مبدل های حرارتی است که از تعدادی صفحه فلزی موج دار تشکیل شده است. این صفحات در جنس های مختلف و با طرح های مخصوصی ساخته شده و در کنار یکدیگر قرار می گیرند. چیدمان آن ها یک شبکه لانه زنبوری را ایجاد می کند که مسیر حرکت سیال سرد و گرم خواهد بود. دو سیال خلاف جهت یکدیگر از نازل هایی وارد مبدل شده و پس از انتقال حرارت ، از آن خارج می شوند. صفحات سیال سرد و گرم به صورت یک در میان کنار هم قرار می گیرند.

ساختار این مبدل به گونه ای است که دسترسی به اجزای داخلی آن بسیار آسان است. این امکان قابلیت نظافت ، تعمیر و نگهداری آسان مبدل را فراهم آورده است. چین دار بودن صفحات باعث افزایش آشفتگی جریان سیال می شود. به همین دلیل میزان انتقال حرارت افزایش یافته و بازده گرمایی مبدل بالا می رود.

اجزای مبدل صفحه ای

یک مبدل صفحه ای علاوه بر صفحه اجزای دیگری چون قاب ، نازل و واشر دارد. عکس بالا نمای برشی یک مبدل صفحه ای واشردار را نشان می دهد. در ادامه اجزای مهم مبدل معرفی می شوند.

صفحه

روی صفحات چین های برجسته یا فرو رفته ای واقع شده اند که کارشان بیشتر کردن آشفتگی ( توربولانس ) سیال است. همچنین چین ها باعث افزایش سطح تماس نیز شده و تحمل صفحه در برابر فشارهای جزئی را بالا می برند. به گونه ای که صفحه ای با ضخامت ۰٫۶ میلی متر می تواند فشاری معادل ۱۶۰۰ کیلو پاسکال را تحمل نماید. چین و شیارهای صفحات در بیش از ۶۰ طرح ساخته شده اند. معروف ترین آن ها مدل های واشبرد و شورون هستند.

در مدل واشبرد ( Washboard ) عمق شیار ها بیشتر از فاصله بن دو صفحه است. ازین رو فشار عملیاتی آن پایین تر است. مینیمم قطر کانال ایجاد شده ۱٫۵ تا ۳ میلی متر و ماکزیمم ۳ تا ۵ میلی متر می باشد . سرعت سیال بنا به افت فشار مورد نیاز از ۰٫۲ تا ۳ متر بر ثانیه متغیر خواهد بود. در مدل شورون ( Chevron ) عمق شیار با فاصله صفحات برابر بوده و قطر کانال بین ۳ تا ۵ میلی متر می باشد . سرعت سیال نیز در بازه ۰٫۱ تا ۱ متر بر ثانیه خواهد بود. این مدل نسبت به واشبرد تحمل فشار بالاتری را دارد. جنس صفحات بیشتر از فولاد ضدزنگ ، تیتانیوم ، مس / نیکل ، تانتالیوم ، پالادیوم ، قلع / آلومینیوم ، کروم / نیکل و اینکونل می باشد. از فولاد کربنی به دلیل مقاومت کم در برابر خوردگی و قیمت بالا به ندرت استفاده می شود.

قاب

قاب ها صفحاتی فولادی هستند که صفحات را نگه می دارند. چون با سیال در تماسند اغلب رنگ آمیزی شده تا خورندگی سیال اثر کمتری داشته باشد. همچنین ورودی و خروجی سیال درین قاب ها قرار دارد. به سه شکل وجود دارند: قاب B که قاب معلق نیز نامیده شده و برای مبدل های بزرگتر کارایی دارند. قاب C که پایه دار بوده و برای مبدل های کوچک استفاده می شوند. و در نهایت قاب F که معلق بوده و برای سایزهای متوسط بکار می روند.

نازل

نازل ها در یک یا هر دو قاب دو طرف مبدل قرار می گیرند. در مدل های تک مسیره هر چهار نازل ورودی و خروجی دو سیال در یک قاب ثابت قرار گرفته و می توان مجموعه را بدون دست زدن به لوله کشی ها از پشت مبدل باز کرد. اما در مدل های چندمسیره همیشه دو پورت در قاب جلو و دو پورت در قاب پشتی واقع می شوند. درین حالت برای باز کردن مبدل باید لوله کشی ها را نیز جابجا نمود.

واشر

واشر ها بصورت مقاوم در برابر دما و خورندگی طراحی می شوند تا ضمن تماس با سیال موجب فرسایش و آسیب آن نشوند. جنس واشر از انواع فیبر فشرده آزبست ، پلاستیک های فلوئورکربنی ، اتیلن پروپیلن و الاستومرهای سیلیکونی می باشد

انواع مبدل صفحه ای

این مبدل بخاطر انعطاف پذیری و بازدهی بالا، در میان مصرف کنندگان محبوبیت گسترده ای پیدا کرده است. به همین دلیل ، سازندگان بصورت پیوسته طراحی های آن را بروز کرده و قابلیت های مبدل را ارتقا داده اند. ازین رو انواع مبدل صفحه ای با کاربردهای مشخص در بازار وجود دارد.

از میان انواع مبدل صفحه ای ، سه نوع زیر بیشترین استفاده را در مصارف خانگی و صنعتی دارند:

مبدل صفحه ای واشردار ( Gasketed )

مبدل صفحه ای لحیم کاری شده ( Brazed )

مبدل صفحه ای جوشکاری شده ( Welded )

مبدل صفحه ای واشردار

درین مبدل ، برای آب بندی صفحات از واشر های پلیمری استفاده می شود. مجموعه ی صفحات توسط پیچ و مهره بین دو قاب­ فولادی محکم شده اند. به همین خاطر بهشان مبدل صفحه ای قابدار هم می گویند. بین هر دو صفحه یک واشر قرار گرفته است. قسمت حلقوی 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 داخل صفحه هدایت می کند. مبدل های صفحه ای واشردار نهایتا فشار ۲۵ بار را می توانند تحمل کنند. محدوده دمایی کارکرد بین ۳۵- تا ۲۲۰ درجه­ ی سانتی­گراد قرار دارد. با انتخاب واشر مناسب یک مبدل صفحه ای واشردار قابلیت تحمل دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۲۵ بار را دارد.

مبدل صفحه ای لحیم کاری شده

درین مبدل، برای آب بندی صفحه ها از لحیم ­کاری به جای واشر استفاده می شود. معمولا از مس به عنوان ماده لحیم استفاده می شود. حذف قاب و واشر ، احتمال نشتی را بکلی حذف کرده که مهم ترین مزیت این مدل است. اما دیگر قابلیت بازکردن آسان جهت نظافت و تعمیر یا افزودن صفحات برای افزایش ظرفیت وجود ندارد. مبدل های لحیم شده قابلیت کار در دماهای بالای ۲۰۰ درجه سانتی گراد و فشار ۳۰ بار را دارند. ازین مبدل ها بیشتر در سیستم های تبرید به عنوان کندانسور و اواپراتور چیلر استفاده شده و برای مصارف آب گرم بهداشتی خانگی ، گرمایش استخر و گرمایش از کف منازل نیز کارایی دارند.

مبدل صفحه ای جوشکاری شده

در صورت استفاده از جوشکاری برای اتصال صفحات در مبدل ، فشار تحمل تا حدود ۶۰ بار و دما تا ۳۵۰ درجه ارتقا می یابد. این تحمل فشار و دما برای مبدل های صفحه ای مزیت بزرگی محسوب می شود. البته قابلیت ارتقای ظرفیت ندارند و امکان نظافت مکانیکی برایشان فراهم نیست. فقط بصورت شیمیایی تمیز می شوند.

مزایای مبدل صفحه ای

مبدل صفحه ای در مقایسه با سایر مبدل های حرارتی مزایا و محاسن متعددی دارد :

• نرخ بالای انتقال حرارت در حدود ۳ تا ۶ برابر مبدل های پوسته لوله
• کاهش اختلاف دمای خروجی دو سیال تا ۱ درجه سانتی گراد
• کاهش وزن و فضای اشغال شده توسط مبدل
• رسوب گیری اندک به دلیل آشفتگی بالای جریان
• انعطاف پذیری و قابلیت افزایش یا کاهش ظرفیت با تغییر تعداد صفحات
• قابلیت استفاده برای سیالات با ویسکوزیته بالا
• افزایش کنترل بر عملکرد به دلیل ساختار موثر
• هزینه تعمیر و نگهداری پایین تر

البته اگر چگالی سیال پایین و دبی آن بالا باشد (مانند گاز ها) برای استفاده از مبدل صفحه ای محدودیت وجود دارد. چرا که افت فشار درین سیالات افزایش می یابد. همچنین استفاده از مبدل های حرارتی لوله ای از نظر قیمت مقرون به صرفه تر می باشد.

نکات مهم استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای :

بطور کلی با توجه به رسوب املاح آب پس از گرم شدن ، برای تداوم کارایی تمامی انواع مبدل های حرارتی صفحه ای استفاده از سختی گیر مناسب در مدار آب سرد ورودی  الزام آور می باشد.

علاوه بر لزوم نصب سختی گیر در مسیر آب  مبدل های حرارتی که قبلا به آن اشاره شده است ، نصب مهره ماسوره و شیر فلکه روی کلیه لوله های آب ورودی و خروجی از مبدل های حرارتی جهت امکان انجام سرویس های دوره ای و اسید شویی الزامی است .

با توجه به لزوم استفاده از یک عدد شیر یکطرفه + دو عدد صافی (فیلتر) و همچنین سختی گیر خطی (مغناطیسی ، الکترونیکی و …) در هنگام نصب و بهره برداری از انواع مبدل های حرارتی صفحه ای ، در صورت عدم وجودملزومات فوق در پروژه ، همزمان با خرید مبدل حرارتی ، نسبت به سفارش خرید این تجهیزات جانبی ، متناسب با سایز لوله های ورودی و خروجی نیز اقدام نمائید .

در هنگام انتخاب مبدل حرارتی مورد نیاز ، علاوه بر محاسبه  و تعیین ظرفیت و سطح حرارتی،نوع مبدل حرارتی ، ابعاد و همچنین جنس و فشارکار مبدل حرارتی، باید موضوع مهم میزان افت فشارآب عبوری از درون کویل یا صفحات مبدل حرارتی ( و هوای عبوری از میان کویل های انتقال حرارت)جهت محاسبه هد پمپ سیرکولاتور و یا فشار استاتیکی فن هوادهی تعیین گردد.

محاسبه صحیح قطر لوله های آب رفت و برگشت به مبدل حرارتی صفحه ای هپاکو که سیال ناقل انرژی آنها آب می باشد باعث رسیدن حجم کافی سیال ناقل انرژی جهت امکان انجام تبادل حرارت مورد نیاز در مبدل حرارتی می گردد.

نکات نگهداری مبدل صفحه ­ای

در استفاده از مبدل صفحه ای ، توجه به موارد زیر ضروری است. چرا که باعث افزایش طول عمر مبدل حرارتی شده و در مصرف انرژی و هزینه ها صرفه جویی خواهد شد.

• تغییرات ناگهانی فشار
• رسوب دهی سیال
• تحمل دما یا خورندگی سیال
• تخلیه کامل در زمان کار نکردن
• بازرسی و سرویس دوره ای
• میزان فشرده سازی صفحات

رسوب دهی سیال

چون فاصله­ ی بین صفحات در یک مبدل بسیار کوچک می باشد، ذرات بزرگتر از ۰٫۵ میلی­متر ممکن است در این فضا گیر کنند. پس می بایست از ورود این ذرات توسط یک صافی­ یا فیلتر جلوگیری کرد. افزایش سرعت سیال می ­تواند به عبور ذرات و کاهش رسوب کمک نماید. وجود رسوب سبب کاهش جریان سیال، کاهش بازدهی و کوتاه شدن عمر آن می گردد.

طرز کار مبدل حرارتی

مبدل حرارتی اینگونه است که حرارت را از یک سیال (مایع یا گاز) به سیالی دیگر منتقل می کند. مبدل حرارتی صفحه ای ، که شامل تعداد زیادی صفحه (plate) بصورت پشت سر هم قرار می گیرند و بین آنها یک فضای خالی ایجاد می شود. از طریق یک لوله جریان سیال سرد و یک لوله جریان سیال گرم که بصورت یکی در میان به پلیت ها متصل هستند ، حرارت را بین دو سیال منتقل می کند.

نمای شماتیک نصب مبدل حرارتی