طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای و فرآیند تولید آنها

طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای و فرآیند تولید آنها

فهرست

فصل 1
ساختمان و عملکرد مبدلهای صفحه ای
2-1 سابقه تاريخي استفاده از مبدل ها
3-1 ساختمان
4-1 مشخصه هاي عمومي مبدل هاي صفحه اي
فصل 2
ساختار و كاركرد مبدل هاي حرارتي صفحه اي
1-1-2 الگوهاي صفحه اي شياردار
2-2 ارزيابي مبدل هاي حرارتي صفحه اي
1-2-2 مبدل حرارتي صفحه اي لحيم كاري شده (BPHE)
2-2-2 مبدل حرارتي صفحه اي نيمه جوش شده
3-2-2 مبدل هاي حرارتي صفحه اي كاملا جوش شده
4-2-2 مبدل حرارتي صفحه اي با شكاف عريض
5-2-2 مبدل هاي حرارتي صفحه اي دو جداره
6-2-2 مبدل حرارتي صفحه اي گرافيت ديابون
7-2-2 مبدل حرارتي صفحه اي مينكس
3-2 بهره برداري و انتخاب مبدل حرارتي صفحه اي
فصل 3
كاربردهاي صنعتي مبدل هاي صفحه اي
1-3 صنايع غذايي
2-3 سيستم هاي تهويه و تبريد
3-3 استفاده از مبدل ها در گرمايش بخش هاي خدماتي و توليد هم زمان
4-3 استفاده از اين مبدل در صنايع نفت و گاز فراساحلي
5-3 كاربردهاي دريايي مبدل هاي صفحه اي
6-3 فرايندهاي شيميايي
7-3 استفاده از مبدل هاي صفحه اي در صنايع خمير و كاغذ
8-3 استفاده از مبدل هاي صفحه اي در سيستم هاي انرژي خورشيدي
9-3 نتيجه گيري
فصل 4
فرایند تولید مبدلهای صفحه ای
1-4 جنس صفحات
2-4 جنس واشرها
3-4 شيوه هاي توليد مبدل ها
1-3-4 مبدل هاي صفحه و قاب
2-3-4 مبدل هاي حرارتي لحيم شده
3-3-4 مبدل هاي صفحه اي نيم جوش شده
4-3-4 مبدل هاي حرارتي صفحه اي تمام جوش شده
فصل 5
فرایند طراحی مبدلهای صفحه ای
1-5 مقدمه
2-5 معادلات اصلي طراحي و معادله انرژي
3-5 روش هاي طراحي حرارتي
1-3-5 روش اختلاف دماي متوسط لگاريتمي
2-3-5 روش
4-3-5 روش اندازه بندي و درجه بندي مبدل ها
4-5 روش هاي طراحي هيدروديناميكي
5-5 ضريب انتقال حرارت كل متغير
6-5 اختلاط حرارتي
7-5 خصوصیات مبدل
8-5 افت فشار در مبدل های صفحه ای
9-5 تصحیح اختلاف درجه حرارت متوسط لگاریتمی
10-5 رسوب
11-5 محدودیت های فشار
12-5 محدودیت های درجه حرارت
13-5 محدودیتهای دیگر
منابع

چکیده

مبدلهای حرارتی صفحه ای تجهیزات بسیار مهمی هستند که به صورت گسترده در فرایندهای حرارتی ، حرارت و برق ، تهویه مطبوع و تبرید ، بازیافت حرارت ، صنایع تولیدی و حمل و نقل استفاده می شوند . تحقیقات مداوم برای دستیابی به راندمان بیشتر و قیمت كمتر نهایتاً منجر به توسعه و تكمیل چندین نوع مبدل حرارتی غیر از مبدل پوسته و لوله (كه متداول است) گردید.

طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای و فرآیند تولید آنها
یكی از موفق ترین مبدل های حرارتی عبارت است از مبدل حرارتی صفحه ای با واشر سرتاسری كه اولین بار در 1930 عرضه گردید تا بتواند جوابگوی نیازهای بهداشتی صنایع شیر باشد.
این پایان نامه به مبدلهای حرارتی صفحه ای ( PHE ) می پردازد که یکی از مشهورترین انواع مبدل ها در صنعت هستند . هدف کلی این پایان نامه تشریح جامع این نوع از مبدلها اعم از فرایند طراحی و تولید و مزایا و معایب آنهاست .

فصل 1
ساختمان و عملکرد مبدلهای صفحه ای

1-1 مقدمه
فرايند تبادل حرارتي ميان دو يا چند سيال با دماهاي مختلف در اغلب فرايندهاي صنعتي، تجاري و خانگي اتفاق مي افتد و معمولا براي اين كار از مبدل هاي حرارتي استفاده مي شود. طيف وسيعي از مبدل هاي حرارتي با شكل، اندازه، نحوه انتقال حرارت و ويژگي هاي متفاوت ديگر استفاده مي‌شوند كه در فرايندهاي مختلف، صنايع نفت، نيروگاه ها، حمل و نقل، تهويه، تبريد، و صنايع بيوميديكال و سرمازاي كريوژنيك و غيره مورد بهره برداري قرار مي گيرند. مبدل ها را مي توان براساس نحوه تماس (مستقيم و غيرمستقيم) دسته بندي كرد. در گذشته گرماي انتقال يافته از طريق سيالات با تماس مستقيم انجام می شد و ديواره سيالات را از هم جدا نمي كرد. در اين شيوه به علت فقدان ديواره ميان سيالات، دماهاي اپروچ يا تقریب دقيق تري به دست مي آيد و انتقال حرارت غالبا همراه با انتقال جرم نيز مي باشد. برج خنك كن نمونه اي از يك مبدل حرارتي از نوع تماس مستقيم است. در مبدل هاي حرارتي كه از تماس غيرمستقيم يا ترانسمورال استفاده مي كنند، يك ديواره (به شكل ورق، لوله يا در مواردي به صورت ديگر اشكال غير دايره اي جريان سيالات داغ و سرد را از هم جدا مي كنند و تبادل حرارت ميان آن ها از طريق اين سطح اتفاق مي افتد. مبدل‌هاي حرارتي پوسته و لوله و صفحه اي (يا صفحه و قاب) نمونه هايي از مبدل هاي تماس غيرمستقيم هستند؛ سيستم بازياب حرارت گردان نيز نمونه اي از مبدل تماس غيرمستقيم است كه در آن گرما به شيوه انتقالي مبادله مي شود. مبدل ها را مي توان براساس ويژگي هاي ساختاري آن‌ها، وضعيت هاي انتقال حرارت و مشخصه هاي كاركرد حرارتي طبقه بندي كرد.

طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای و فرآیند تولید آنها
شدت رقابت در بازارهاي جهاني و نياز روز افزون به صرفه جويي در مصرف انرژي و كاهش اثرات زيست محيطي فرايندها سبب شده است كه مصرف كنندگان به سمت استفاده از مبدل هاي با كارايي بالا متمايل شوند. با وجودي كه هنوز به وفور از مدل هاي حرارتي پوسته و لوله در صنايع مختلف استفاده مي شود و كارايي آن ها را مي توان با استفاده از وسايل تقويتي در آن ها بسيار بالا برد ، اما به نظر مي رسد كه اين مبدل ها از نظر نسبت قطرها و مساحت سطح هيدروليك به حجم بسيار بزرگ هستند. آگاهي مهندسين از اين مشكل سبب توسعه انواع مبدل‌هاي مختلف ديگر شده است كه كارايي بالايي دارند و بسيار جمع و جورترند . يك مبدل حرارتي كم حجم يا جمع و جور مبدلي است كه چگالي مساحت سطح انتقال آن در حداقل يكي از طرف هاي سيال بيش تر از 700 m2/m3 باشد .اين مبدل ها نه تنها جاي كوچكتري اشغال مي كنند بلكه ويژگي هاي ساختاري آن ها به گونه اي است كه كارايي هيدروليكي – حرارتي بهتري ايجاد مي كنند و بازدهي انرژي آن ها بيش تر و هزينه هاي بهره‌برداري از آن ها، هزينه هاي سرمايه اي و مواد در آن ها كمتر است.
هر چند مبدل هاي حرارتي صفحه اي (PHE) به لحاظ جمع و جور بودن در رده پايين طبقه‌بندي مبدل ها بر اين اساس قرار مي گيرند ، اما اين مبدل ها نسبت به مدل هاي دیگر بسيار جمع و جورتر، داراي مزاياي زياد و ويژگي هاي كاري منحصر به فردي هستند. از جمله اين مزايا مي‌توان به درجه بندي حرارتي قابل انعطاف اين مبدل ها (به راحتي مي توان صفحات را اضافه يا كم كرد تا جوابگوي نيازهاي مختلف به بار حرارتي باشند)، تميزكاري راحت آن ها در شرايط بهداشتي حاد (مثلا در صنايع غذايي) دارويي و صنايع فرآوري لبنيات)، اختلاف دماي اپروچ پايين در هنگام استفاده از شيوه جريان معكوس يا مخالف خالص (كه براي مواردي لازم است كه در آن ها به شرايط كرايوژنيك و تعديل روند كاهش دماي شماري از سيالات فرايند نياز داريم)، و افزايش كارايي انتقال حرارت اشاره كرد؛ بنابراين طرح PHE ها ماهيتا بسيار خاص است چرا كه توأما بايد به انواع صفحات و شيارهاي سطحي آن ها، آرايش جريان ها، مشخصه هاي عملكردي آن ها و ويژگي هاي ساختاري و كاري آن ها اشاره كرد.

2-1 سابقه تاريخي استفاده از مبدل ها

سابقه ي استفاده از PHE ها به اواخر قرن نوزدهم ميلادي برمي گردد كه استفاده از آن ها در واكنش به افزايش ضوابط قانوني لازم الاجرا به ويژه در صنايع لبنيات رايج شد. در اوايل دهه 1880 ، همگان مي دانستند كه بيماري هايي مانند سل به خاطر مصرف شير خام يا فراوري نشده گسترش مي يابد. اين امر منجر به آغاز آزمايشات اوليه براي پاستوريزه كردن شير شد كه مستلزم گرم كردن آن تا دمايي معين بود كه اين دما روي مزه آن اثرگذار نبود. سپس شير را براي مدت كوتاهي در اين دما نگه مي داشتند و بلافاصله آن را سرد مي كردند. اين فرايند نيازمند استفاده از تجهيزات انتقال حرارتي بود كه به لحاظ حرارتي كارآمد باشند و از همه مهم تر اين وسايل مي‌بايست به راحتي تميز مي شدند (چرا كه لبنيات از آن ها عبور مي كرد) بديهي است كه تأمين اين شرايط در اين وضعيت منجر به توسعه مبدل هاي حرارتي صفحه اي شد.

طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای و فرآیند تولید آنها
شايد بتوان گفت اولين بار ايده PHE توسط يك فرد آلماني به نام البرش دراك در سال 1878 ارايه شد. در اين ايده (كه بر پايه سرد كردن يك سيال با سيالي ديگر بود) هر سيال در لايه‌اي جريان مي يافت كه در سمت مخالف صفحات ديگري بود. در سال هاي اخر دهه 1800 و اوايل دهه 1900 اقدامات ابتكاري زيادي انجام شد كه سبب ساخت الگوهاي متعدد ديگري از اين مبدل ها شد كه اشكال مختلفي داشتند.
اما اين مبدل ها به لحاظ تجاري تا دهه ي 1920 استفاده نشدند و در آن زمان بود كه دكتر ريچارد سليگمن بنيان گذار شركت APV International در انگليس، اولين مبدل حرارتي صفحه اي كاربردي را در سال 1923 اختراع كرد. اين وسيله كه دستگاه پاستوريزه كننده صفحه‌اي خوانده مي شد كار فرآوري حرارتي لبنيات را به اندازه جداساز مورد استفاده در آن زمان انجام مي داد. تقريباً يك دهه بعد در حدود سال 1930 بود كه آقاي برگدورفرايزنورك از شركت الفالاوال سوئد (در آن زمان به اين شركت AB Seperator گفته مي شد) يك مبدل حرارتي صفحه اي تجاري مشابه را اختراع كرد كه اولين محصول شركت از اين نوع بود. هر چند اندك زماني بعد از اين اختراع، مفهوم پايه و كاركرد اصلي اين مبدل ها عوض شد، اما طرح و ساختار كلي آن براي جوابگويي به ظرفيت هاي بزرگ تر، دماها و فشارهاي كاري زيادتر به شدت ارتقاء يافت. اين تغييرات كمك كردند تا كاربرد مبدل هاي صفحه اي به صنعت پاستوريزه كردن شير محدود نشود و به بسياري از صنايع ديگر نيز گسترش يابد.
اين فعاليت ها در دهه 1970 و بعد از آن بيش از پيش گسترش يافتند، چرا كه بحران انرژي استفاده از اين مبدل ها را بيش از پيش ضروري ساخت. چندين طرح جديد براي موجدار كردن سطح صفحات و روش هاي توليد آن ها ارايه شد. يكي از اهداف فعاليت هاي آن دوره ايجاد الگوهاي صفحه اي جديد براي سرد كردن يا گرم كردن مؤثر سيالات فرايند با هزينه كم جهت توليد و انسجام ساختاري بهتر بود. هم چنين در اواخر دهه 1970، تلاش هاي هماهنگي براي صرفه جويي در مصرف انرژي با اصلاح عملكرد هيدروليكي – حرارتي مبدل ها انجام شد. نتيجه اين تلاش ها ساخت نوعي از مبدل هاي حرارتي صفحه اي بود كه در آن از صفحات با شيار يا موج هاي شورون در روي آن ها استفاده مي شد كه آرايش جريان در آن «اختلاطي» بود و در آن از تركيب صفحاتي با زاويه شورون پايين، متوسط يا زياد استفاده می شد . اين امر مي تواند كارآمدي حرارتي را افزايش دهد و افت فشار را كم كند. در شيوه هاي نسبتاً جديد اين روش تقسيم سطح صفحه به چهار بخش مدنظر است كه در آن هر بخش زاويه شورون متفاوتي داشت. هدف اصلي هماهنگ كردن هر چه بهتر محدوديت هاي افت فشار و آهنگ انتقال حرارت در هنگام استفاده از جريان با دو سيال، كاهش مشكل توزيع نامناسب جريان كل و بهينه سازي سطح حرارت بود.
امروزه ، در سراسر دنيا توليد كنندگان مشهوري وجود دارند كه انواع مبدل هاي حرارتي صفحه اي را براي طيف بسيار وسيعي از كارها ارايه مي دهند كه از جمله آن ها مي توان به سازنده هاي زير اشاره كرد:
Alfa Laval Lund AB(www.alfalaval.com )
APV (www.apv.com)
SWEP (www.swepphe.com)
Tranter (www.tranterphe.com)

3-1 ساختمان

شكل زیر ، تصوير اجزاي ساختاري اصلي يك مبدل حرارتي صفحه اي پيشرفته را نشان مي‌دهد. اجزاي اصلي اين مبدل شامل صفحات انتقال حرارت و جداسازي جريان، واشرها، قاب پايه هاي انتهايي (قاب درپوش متحرك و ثابت) كه نازل هاي مجاري ورودي و خروجي سيال در آن قرار مي گيرند.

ميله هاي حامل و هادي صفحه افقي، ستون پايه و پيچ هاي قاب هستند.

طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای و فرآیند تولید آنها
در قسمت مياني مبدل صفحات نازك مستطيلي قرار دارند كه از ورق پرس شده هستند و واشرها كاملا اطراف آن ها را احاطه كرده اند و اين صفحات بين اين واشرها قرار گرفته اند.
صفحات به صورت يك واحد هستند و به قاب پيچ مي شوند. واشرها لبه ميان هر جفت از صفحات محل جريان سيالات را در كانال جريان ميان صفحات نگه مي دارند و از اختلاط آن ها جلوگيري مي نمايند و نيز مانع نشت سيال از واحد صفحات به اطراف مي شوند. اين صفحات از يك ميله حمال فوقاني آويزان و توسط ميله پاييني به خوبي تنظيم مي شوند و سر جاي خود قرار مي گيرند. در اغلب موارد، ميله هاي حامل در سر ديگر قاب با كمك يك ستون پايه نگه داشته و از هم جدا مي شوند. مجموعه صفحات كه ميان صفحه قاب ثابت و درپوش متحرك يا صفحه فشار قرار مي گيرند به كمك چند پيچ به هم بسته مي شوند كه خود به يك ميله بلند از پيش مستقر شده پيچ و سفت مي گردند. لازم به ذكر است كه در الگوي اوليه قرارگيري صفحات در واحد مياني و در اطراف هر چهار سوراخ واشر قرار مي گيرد تا مانع نشتي سيال ميان صفحه اول و قاب شوند چرا كه سيالات از

طراحی مبدل های حرارتی صفحه ای و فرآیند تولید آنها

پسورد فایل: www.bazaarfile.ir

مطالعه بیشتر