مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger از قرار گرفتن یک سری صفحات فلزی در کنار یکدیگر در داخل یک قاب فلزی ساخته میشوند. این صفحات در داخل قاب توسط میله‌های بلند بهم فشرده میشوند. طول این میله‌ها در شیارهای گسکت فاصله بین دو درپوش را طی می‌کنند و توسط مهره به درپوش محکم می‌گردند. واشر اطراف هر صفحه قرار داده میشود تا جریان سیال را در مجرای باریکی بین صفحات هدایت نماید و همچنین از نشت آنها به بیرون جلوگیری کند. در گوشه‌های هر صفحه مجرایی جهت ورود و خروج سیال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعیکه صفحات روی هم فشرده میشوند این محل‌های سوراخ شده در یک خط مستقیم قرار می‌گیرند.
صفحات میتوانند از هر فلزی با ابعاد معین ساخته شوند. هنگامی که این صفحات در محل خود در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند شیارهای موجود روی صفحات متوالی تشکیل یک سری کانالهای باریک جریان را می‌دهند. و سیال‌ها از طریق مجرای خیلی باریک و ظریف بين صفحات متوالی عبور می‌نمایند. در مبدل‌های مختلف آرایش جریان می‌تواند متفاوت باشد.
یکی از این آرایش‌ها به صورت موازی مختلف الجهت می‌باشد. در این نوع آرایش جریانهای هر کدام از سیال‌ها فقط یک بار ارتفاع صفحات را طی می‌کنند در حالیکه در آرایشهای چندگذر یک سیال ممکن است ۲ بار و یا بیشتر ارتفاع مبدل را طی نماید. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای برای انتقال گرما بین گاز مایع و یا جریانهای دو فاز استفاده میشوند.
انواع مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger به سه گروه زیر تقسیم بندی میشوند:
· مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار (Gasket Plate Heat Exchanger)
· مبدل حرارتی صفحه‌ای مارپیچ یا حلزونی (Spiral Plate Heat Exchanger)
· مبدل حرارتی صفحه‌ای لایه‌ای یا برگی (Lamella Plate Heat Exchanger)
مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار (Gasket Plate Heat Exchanger)
مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger دارای تعدادی از صفحات نازک با سطح چین دار می‌باشند که سیالهای گرم و سرد را از هم جدا می‌سازد. صفحات دارای قطعاتی در گوشه‌ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که دو ماده‌ای که بایستی گرما بین آنها مبادله شود یکی در میان و دیگری در فضای بین صفحات جریان می‌یابند.
طراحی و واشربندی مناسب امکان آنرا ایجاد می‌کند که مجموعه‌ای از صفحات توسط پیچ‌هایی که از صفحات ابتدایی و انتهایی نیز می‌گذرند در کنار یکدیگر نگه داشته شوند. صفحات میتوانند تا چند صد عدد پشت سر هم قرار بگیرند. واشرها از نشتی به بیرون جلوگیری می‌کنند و سیال را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت می‌کنند.
شکل جریان عموما به نحوی انتخاب میشود که جریان سیال‌ها در خلاف یکدیگر باشند. مبدل‌های گرمای صفحه‌ای معمولا به جریان سیال با فشار پایینتر از bar 25 و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه سانتیگراد محدود میشود. از آنجایی که گذرگاه‌های جریان کوچک هستند، جریان قوی گرداب‌های موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال گرما و افت فشارها می‌گردد. همچنین بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب میشود. مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger به آسانی تمیز و استرلیزه میشوند زیرا میتوانند کاملا از یکدیگر باز و جدا گردند و بنابراین استفاده گسترده‌ای در صنایع غذایی دارند. این مبدلها برای کاربردهای انتقال گرمای مایع/ مایع، در فشار کم و متوسط میتوانند جایگزین مناسبی برای مبدل‌های پوسته لوله‌ای باشند.
اجزاء اصلی این نوع مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger عبارتند از: چهارچوب، صفحه ثابت، صفحه فشار، تجهیزات فشاردهنده و مجاری اتصال دهنده.
از مزایای مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger می‌توان به تلفات گرمایی بسیار پایین، عدم نیاز به عایق کاری، حداقل رسوب بدلیل آشفتگی جریان و زمان سکون کم، امکان جریان بیش از دو سیال در یک مبدل، به حداقل رسیدن خطر ناشی از نشتی داخلی، قابلیت انعطاف پذیری در طراحی با توجه به نیاز، قابلیت دسترسی به سطوح انتقال حرارت مختلف با تغییر در ساختار و تعداد صفحات اشاره کرد. همچنین ضرایب انتقال گرما با توجه به آشفتگی جریان و قطر هیدرولیکی کوچک برای هر دو سیال، بزرگ هستند و این سبب کارآمد بودن انتقال گرما میشود.
این نوع مبدلها جهت کاربرد و استفاده، دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشند که از آن جمله می‌توان به حداکثر فشار کار کرد bar ۲۵ و با ساخت ویژه bar ۳۰، حداکثر دما ۱۶۰ درجه سانتیگراد و با واشرهای ویژه ۲۵۰ درجه سانتی گراد، حداکثر نرخ جریان m3/hr 3600، سطح انتقال گرما m3/hr 2200- 1/0، ضریب انتقال گرما w/m2k 7500- 3500، اشاره کرد.
مبدل حرارتی صفحه‌ای مارپیچ یا حلزونی (Spiral Plate Heat Exchanger)
مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger مارپیچ با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل حلزونی با استفاده از یک میله اصلی و جوش دادن به لبه‌های صفحات مجاور بصورتی که یک کانال را تشکیل دهند، ساخته میشوند. فاصله بین صفحات فلزی در هر دو کانال حلزونی با استفاده از پین‌های فاصله انداز که به ورق جوش میشوند حفظ میشود. طول این پین‌ها بین ۵ تا ۲۰ میلیمتر متغیر است و به همین دلیل با توجه به نرخ جریان می‌توان فواصل مختلفی را برای کانال انتخاب کرد. این بدان معناست که شرایط جریان ایده آل، و بنابراین کوچکترین سطح گرمایش ممکن بدست می‌آید.
در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد شده که انتقال گرما را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش می‌دهد. این مبدلها کاملا فشرده هستند ولی به دلیل ساخت خاص خود نسبتاً گران قیمت می‌باشند. سطح انتقال گرما برای این مبدلها در محدوده m2 5/0 تا m2 500 می‌باشد و حداکثر فشار کار کرد تا bar ۱۵ و دمای کارکرد تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد محدود می‌باشد. مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger حلزونی برای سیال لجن آلود، مایعات لزج، مایعات دارای ذرات جامد معلق، و جریان دو فازی مایع / جامد بکار گرفته میشوند.
مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger مارپیچ در سه نوع زیر که در اتصالات و آرایشهای جریان تفاوت دارند ساخته میشوند؛
نوع I: دارای دو پوشش مسطح بر روی کانالهای حلزونی است، جریانهای سیال بصورت مختلف الجهت از داخل کانال‌ها از طریق اتصالات در مرکز و پیرامون جریان می‌یابد. این نوع برای مبادله گرما بین دو سیال بدون تغییر از قبیل مایع- مایع، گاز مایع و گاز - گاز استفاده میشود. یک جریان در وسط مبدل وارد شده و از داخل به سمت خارج جریان می‌یابد. جریان دیگر در پیرامون وارد شده و به طرف مرکز جاری میشود.
نوع II: برای حالت جریان متقاطع طراحی شده است. لبه‌های یک کانال در هر دو انتهای میدل به صورت کاملا آب بندی شده جوش داده میشود. در حالیکه دهانه کانال دیگر در هر دو انتهای میدل باز است. بنابراین در این نوع مبدل یک سیال دارای جریان حلزونی و دیگری دارای جریان متقاطع می‌باشد. گذرگاه سیال دارای جریان متقاطع از میان فضای بین دو دیواره حلزونی باز عبور می‌کند. دو بدنه حلزونی اغلب در داخل یک پوسته قرار می‌گیرند به طوریکه یکی در بالای دیگری سوار شده است. این مبدل در اصل به عنوان چگالنده سطحی در واحدهای تبخیری استفاده میشود و همچنین به صورت تبخیر کننده بسیار کارا می‌باشد.
نوع III: مشابه مبدل نوع اول می‌باشد. این مبدل با کانالهای یک در میان جوشکاری شده است، با این تفاوت که درپوش بالایی آن بطور مخصوص طراحی شده است. این نوع مبدل اساسا برای چگالش بخارها با مادون سرد کردن چگالیده با وجود گازهای غیرقابل چگالش مطلوب است. مبدل حلزونی اغلب به عنوان چگالنده استفاده میشود. بخار به لوله باز مرکزی وارد میشود و جهت جریان در امتداد پوسته بالایی معکوس شده و بخار در حرکت رو به پایین در المان حلزونی چگالش میشود در حالیکه چگالیده با سیال سرد، دارای جریان متقاطع است.
مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger لاملا (Lamella Heat Exchanger)
مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger نوع لاملا شامل مجموعه کانالهای ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که به طور موازی جوشکاری شده اند و به شکل لایه‌ای از ورق‌های تخت یا کانالهای مستطیلی می۔ باشند که به صورت طولی در یک پوسته قرار گرفته اند. این مبدل شكل اصلاح شده‌ای از مبدل پوسته و لوله‌ای با صفحه لوله شناور است. شکل دهی خاص صفحات فضای باریک داخل لاملاها را ایجاد می‌کند و برجستگی‌های به سمت خارج بیرون می‌زند که به صورت فاصله دهنده بین لاملاها برای ایجاد مقطع جریان در سمت پوسته بکار می‌رود. لاملاها در هر دو انتها با قرار دادن میله‌های فولادی در وسط آنها با یکدیگر جوش میشوند.
اختلاف انبساط بین سطح گرمایی و پوسته، به دقت توسط جعبه‌ای در انتهای متحرک و یا شناور در نظر گرفته شده است. این طرح قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد و دسته لاملا را در برابر شکست ناشی از تنش‌های حرارتی و کرنش ناشی از نیروهای خارجی محافظت می‌کند.
سطوح ما بین لاملاها برای تمیز کاری شیمیایی مناسب هستند. بنابراین سیالهای رسوب دهنده باید در سمت پوسته جریان یابند. دیوارهای کانال بصورت ساده و یا دارای فرورفتگی هستند، بدلیل آشفتگی زیاد جریان، لاملاها بسادگی رسوب نمی‌گیرند. هیچگونه دیوار کی در سمت پوسته وجود ندارد بنابراین مبدل‌های لاملا میتوانند برای آرایش جریان مخالف در جهت واقعی بکار گرفته شوند.
مزایا و معایب مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger
یکی از امتیازات مهم و اساسی مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger این است که سطح انتقال حرارت مبدل به آسانی از هم جدا میشوند. بعد از برداشتن مهره‌ها و میله‌های نگه دارنده و جداسازی صفحه متحرک انتهایی صفحات با لغزیدن روی صفحه باریکی برای معاینه از هم جدا میشوند. این امتیاز که صفحات به آسانی تمیز شوند و یا تعویض گردند باعث شده کاربردPlate Heat Exchanger در صنایع غذایی و لبنیات توسعه یابد. اما از دیگر امتیازات مهمی که این مبدلها نسبت به مبدل‌های پوسته و لوله دارند این است که در مقایسه با مبدل‌های پوسته و لوله بار حرارتی معینی حدودا بین یک سوم تا یک چهارم انتقال حرارت لازم دارند، که علتش را می‌توان به این صورت خلاصه نمود: توربولانس زیاد به علت حرکت سیال در مجاری باریک و ناهموار سبب افزایش ضریب انتقال حرارت می‌گردد. فاصله نزدیک به هم صفحات مانند این است که از لوله‌های با قطر کوچک استفاده شده است که این ضریب انتقال حرارت را افزایش می‌دهد. توربولانس زیاد سبب تقلیل سرعت کثیف شدن میشود.
اما با وجود تمام محاسن ذکر شده یک عیب مهم در مورد Plate Heat Exchanger وجود دارد و آن این است که سطوحی که باید توسط واشر آب بندی شود زیاد است. اغلب از مواد لاستیکی برای این کار استفاده میشود اما ماکزیمم فشار و درجه حرارت کاربردی نباید از bar ۲۷ و ۱۲۷ درجه سانتیگراد تجاوز نماید. از واشرهای فیبری و پنبه نسوز کمپرس شده نیز می‌توان استفاده نمود که برای آن حداکثر فشار ۱۸ بار و درجه حرارت ۳۲۷ درجه سانتیگراد می‌باشد. یکی از عمده مشکلاتی که معمولا در هنگام کار این مبدلها بوجود می‌آورند عدم آب بندی کامل و صحیح واشرها می‌باشد.
مبدل حرارتی صفحه ای Plate Heat Exchanger
