مقایسه مبدل حرارتی صفحه‌ای با مبدل حرارتی پوسته و لوله: معایب، مزایا و کاربردها

مبدل‌های حرارتی در بسیاری از صنایع و برای تبادل حرارت بین دو یا چند سیال (مایع یا گاز) به کار می‌روند. دو نوع مبدل حرارتی صفحه‌ای و مبدل حرارتی پوسته و لوله معمولا کاربرد بیشتری در صنایع مختلف دارند. در این مقاله به مقایسه این دو نوع مبدل حرارتی پرداخته و مزایا و معایب مبدل حرارتی صفحه‌ای و پوسته ولوله و کاربردهای هر کدام را مورد ارزیابی قرار میدهیم.

مبدل حرارتی صفحه‌ای چیست؟

مبدل حرارتی صفحه‌ای انواع مختلفی دارد اما پرکاربردترین آن مبدل حرارتی صفحه ای واشردار است که موضوع بحث در این مقاله است. مبدل حرارتی صفحه ای (واشردار) از تعدادی صفحه نازک فلزی شیاردار، واشرهای آب بندی و فریم نگهدارنده تشکیل شده است. سیال سرد و گرم در فضای بین این صفحات (که توسط گسکتها یا واشرها محدود و آب بند شده) به صورت یک در میان جریان یافته و با هم تبادل حرارت میکنند. برای مطالعه بیشتر در این خصوص به صفحه مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار (GPHE) مراجعه کنید.

مزایا و معایب مبدل حرارتی صفحه‌ای

مزایا

• بازده بالا: طراحی لایه ای مبدل حرارتی صفحه‌ای، سطح تماس بزرگی برای انتقال حرارت ایجاد می‌کند که منجر به بازدهی بالا می‌شود. به علاوه پترن خاص صفحات باعث اغتشاش بالا در جریان سیالات شده که این نیز به افزایش راندمان مبدل حرارتی کمک میکند. نتیجتاً مبدل حرارتی صفحه ای برای یک توان یکسان به سطح حرارتی کمتری نسبت به مبدلهای حرارتی پوسته و لوله نیاز دارد.
• ابعاد کوچک: مبدل حرارتی صفحه‌ای برای ظرفیت یکسان به فضای بسیار کمتری نسبت به مبدل‌های پوسته و لوله نیاز دارند.
• تعمیر و نگهداری آسان: به دلیل طراحی پیچ و مهره ای مبدل حرارتی صفحه‌ای، صفحات را می‌توان به راحتی برای تمیز کردن و تعویض صفحات و واشرها جدا کرد.
• انعطاف‌پذیری: تعداد صفحات را می‌توان برای افزایش یا کاهش ظرفیت انتقال حرارت تغییر داد.
• هزینه کلی پایین‌تر: در بسیاری از موارد هزینه اولیه مبدل حرارتی صفحه ای نسبت به مبدل حرارتی پوسته و لوله پایینتر است. در مواردی با توجه به استفاده از متریال با گرید بالاتر در مبدل حرارتی صفحه‌ای هزینه اولیه ممکن است بالاتر باشد. اما تعمیر و نگهداری آسانتر و کم هزینه‌تر و فضای اشغالی کمتر سبب کاهش هزینه‌های کلی میشود.
• دمای اپروچ نزدیک (Close Temperature Approach): به اختلاف دمای خروجی سیال گرم و ورودی سیال سرد (یا بالعکس بسته به کاربرد) دمای اپروچ گفته میشود. هرچه این مقدار کمتر باشد مبدل حرارتی پر بازده تر است. به این معنی که سیال گرم انرژی حرارتی بیشتری را به سیال سرد منتقل کرده که سبب شده دمای آنها به هم نزدیکتر شود.
• نرخ رسوب‌گذاری پایین: آشفتگی بالای جریان در مبدل حرارتی صفحه ای سبب میشود که سرعت رسوب گذاری در این نوع مبدل حرارتی بسیار پایینتر باشد.

معایب

• محدودیت فشار و دما: وجود واشرهای لاستیکی سبب شده که استفاده از مبدلهای حرارتی صفحه‌ای در کاربردهای فشار بالا (بیش از ۳۰ بار) یا دما بالا (بیش از ۲۰۰ درجه سانتیگراد) با محدودیت مواجه شود.
• مستعد نشتی: واشرهای مبدل حرارتی می‌توانند با گذشت زمان کیفیت خود را از دست بدهند و نیاز به نظارت و تعویض داشته باشند.
• گرفتگی: اگرچه نرخ رسوبگذاری در مبدل حرارتی صفحه‌ای کم است اما به خاطر باریک بودن کانال‌ها، مقادیر کم رسوب هم میتواند مشکل‌آفرین شده و موجب افت فشار شدید یا حتی گرفتگی شود. همچنین این باریک بودن کانال‌ها باعث چالش مبدل حرارتی با سیالات چسبناک یا دارای ذرات معلق می‌شود. بنابراین استفاده از فیلتر با سایز مش مناسب ضروری بوده و همچنین کانال‌ها دائما باید تمیز شوند.
• نامناسب برای سیالات گازی: مبدل حرارتی صفحه‌ای به دلیل استفاده از واشر، در آب‌بندی سیالات گازی ضعیف عمل میکند.

کاربرد مبدل حرارتی صفحه‌ای

با توجه به مزایا و معایب مبدل حرارتی صفحه‌ای که عنوان شد، این نوع مبدل برای سیالات نسبتا تمیز، و دارای فشار و دمای نسبتا پایین مناسب است. برخی از کاربردهای رایج آن به شرح زیر است:

• تاسیسات و تهویه مطبوع
  • تامین آب گرم مصرفی
  • گرمایش استخر و جکوزی
  • ایزولاتور چیلر و دیگ
  • زون بندی فشار
• صنایع غذایی و نوشیدنی
  • خنک کردن شیر جهت ذخیره سازی در دامداری ها
  • پاستوریزه کردن، هموژنیزه کردن و استریلیزه کردن شیر، نوشیدنی‌ها و سایر مواد غذایی.
• نفت و گاز
  • خنک‌کاری روغن هیدرولیک تجهیزات حفاری
  • خنک‌کردن آب فرآیندی با آب دریا در پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها
  • بازیافت حرارت آمین/آمین در فرآیند شیرین‌سازی گاز طبیعی
• نیروگاه
  • خنک کاری روغن روانکار یاتاقان توربین‌ها

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله شامل یک پوسته‌ی استوانه‌ای (Shell) است که یک دسته تیوب (Tube Bundle) داخل آن قرار می‌گیرد. یک سیال در داخل تیوب‌ها جریان یافته و سیال دیگر داخل شل و روی تیوبها جریان دارد. این نوع مبدل حرارتی به دلیل طراحی ساده و استاندارد و ساخت نسبتا آسان پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی است.

مزایا و معایب مبدل حرارتی پوسته و لوله

مزایا

• فشار و دمای بالا: مبدل حرارتی پوسته و لوله می‌تواند فشارها و دماهای بسیار بالاتری نسبت به مبدل‌های حرارتی واشردار را تحمل کند.
• کمتر مستعد نشتی: به طور کلی به دلیل ساختار بدون واشر احتمال نشتی در این نوع مبدل حرارتی پایین است؛ و نشتی احتمالی لوله‌ها را می‌توان بدون نیاز به جداسازی کامل، جدا و تعمیر کرد.
• مناسب برای سیالات کثیف: احتمال گرفتگی مبدل حرارتی پوسته و لوله در سرویسهای با سیالات دارای ذرات معلق پایینتر است.
• طراحی ساده‌تر و استاندارد: طراحی و ساخت مبدل حرارتی صفحه‌ای بسیار ساده‌تر بوده و به تجهیزات پیشرفته‌ای نیاز ندارد. ضمنا به دلیل قدمت این نوع مبدل حرارتی تمامی فرآیندهای طراحی، ساخت، بازرسی و کنترل کیفیت آن استاندارد‌سازی شده است.
• قابل استفاده برای طیف گسترده‌ای از سیالات: این مبدل نسبت به نمونه‌های صفحه‌ای مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارد. از همین رو در پالایشگاه‌ها، کارخانه‌های تولید مواد شیمیایی و حتی سیستم‌های تهویه مطبوع کاربرد گسترده‌تری دارند.
• ساختار مستحکم و عمر مفید طولانی: ساختار این مبدل‌ها کاملا قوی و بادوام است و در صورت نگهداری اصولی تا سالیان سال قابل استفاده می‌باشند.

معایب

• بازده پایین‌تر: مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل نوع طراحی لوله‌ای و ویژگیهای ذاتی به طور کلی بازده انتقال حرارت پایینتری نسبت به مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای دارد.
• ابعاد بزرگ‌تر: این نوع مبدل حرارتی برای ظرفیت انتقال حرارت مشابه به فضای بیشتری نیاز دارند.
• تعمیر و نگهداری پیچیده و دشوار: به دلیل اندازه بزرگتر و وزن سنگین تر، تعمیر و نگهداری مبدل حرارتی پوسته و لوله میتواند دشوارتر، پرهزینه‌تر و زمانبر‌تر باشد.
• هزینه اولیه، راه اندازی و نگهداری بالاتر: به طور کلی به دلیل اندازه بسیار بزرگتر و مصرف بیشتر مواد، هزینه اولیه، راه اندازی و نگهداری بالاتری نسبت به مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای دارند.
• زمان واکنش بالا: زمان واکنش مبدل حرارتی پوسته و لوله نسبت به تغییرات دما در مقایسه با مبدل حرارتی صفحه‌ای کمی کند است.
• نرخ رسوب گذاری بالا: به دلیل آشفتگی پایین جریان و وجود نقاط مرده سیال مخصوصا در پوسته، نرخ رسوبگذاری در مبدل حرارتی پوسته و لوله بالاتر است.

کاربردهای مبدل حرارتی پوسته و لوله

همانطور که عنوان شد مبدل حرارتی پوسته و لوله پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی در صنعت است. این نوع مبدل حرارتی به دلیل ساختار مستحکم و ساده در اکثر کاربردها به ویژه موارد با فشار و دمای بالا، سیالات کثیف و دارای ذرات معلق قابل استفاده است. در ادامه به برخی از کاربردهای مبدل حرارتی پوسته و لوله اشاره میکنیم:

• نفت و گاز
  • خنک کردن نفت خام و گاز استخراج شده
  • بازیافت حرارت
  • ریبویلر برج آمین
• تهویه مطبوع و تبرید
  • اواپراتور و کندانسور چیلرها
• نیروگاه
  • کندانسر بخار
  • پیشگرم آب بویلر
  • خنک کاری روغن روانکار و هیدرولیک

جدول مقایسه مبدل حرارتی صفحه‌ای با مبدل حرارتی پوسته و لوله

تا اینجا با مزایا و معایب مبدل حرارتی صفحه‌ای و مبدل پوسته و لوله آشنا شده‌اید. برای مقایسه بهتر این دو نوع مبدل حرارتی جدول زیر به شما کمک خواهد کرد:

جمع بندی

هر دو نوع مبدل حرارتی صفحه ای و مبدل حرارتی پوسته و لوله ابزارهایی قوی در زمینه انتقال حرارت هستند. دانستن نقاط قوت و ضعف هر کدام به شما کمک میکند تا بتوانید انتخابی بهینه بر اساس نیازمندیهای خود داشته باشید. مثلا اگر نیاز به یک مبدل حرارتی برای محیط کاری با فشار و دمای بالا می‌گردید باید مبدل پوسته و لوله را انتخاب کنید. اگر به دنبال راندمان بالا و استقلال از نیروی‌های تکنسین برای نصب و مونتاژ مبدل هستید پس مبدل حرارتی صفحه‌ای را انتخاب کنید.

البته لازم به ذکر است که محدودیتهای عنوان شده برای مبدلهای حرارتی صفحه‌ای واشردار (نظیر تحمل دما و فشار پایین) در مبدلهای حرارتی صفحه‌ای جوشی تا حدود زیادی برطرف شده است. به عنوان مثال مبدل حرارتی صفحه و پوسته (PSHE) و مبدلهای حرارتی پیلوپلیت (Pillow-Plate) میتوانند سیالات با دمای بیش از ۶۰۰ درجه سانتیگراد و فشار بیش از ۱۰۰ بار را پوشش دهند.

اگر در انتخاب و تصمیم گیری در خصوص نوع مناسب مبدل حرارتی با چالش مواجه هستید، میتوانید با کارشناسان آگرین انرژی فرآیند – AGEN تماس فرمایید.