بهبود انتقال حرارت در مبدل حرارتی صفحه ای

مقدمه

مبدل های حرارتی صفحه ای (PHEs) به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله فرآوری شیمیایی، HVAC، غذا و نوشیدنی و بخش های انرژی استفاده می شود. آنها به دلیل کارایی خود در انتقال گرما بین دو سیال و در عین حال طراحی فشرده مورد علاقه هستند. با این حال، بهینه سازی عملکرد انتقال حرارت در PHE ها برای افزایش کارایی کلی سیستم، کاهش مصرف انرژی و بهبود اثربخشی فرآیند ضروری است. این مقاله به بررسی روش‌ها و استراتژی‌های مختلف برای بهبود انتقال حرارت در مبدل‌ حرارتی صفحه‌ای، با در نظر گرفتن اصلاحات طراحی، انتخاب مواد، بهینه‌سازی جریان و شیوه‌های نگهداری می‌پردازد.

درک مبدل های حرارتی صفحه ای

یک مبدل حرارتی صفحه ای شامل یک سری صفحات نازک و موجدار است. آنها روی هم چیده شده اند و کانال های متعددی را برای جریان سیالات ایجاد می کنند. این صفحات معمولاً از موادی با رسانایی حرارتی بالا مانند فولاد ضد زنگ، تیتانیوم یا آلیاژهای دیگر ساخته می شوند. طراحی موجدار صفحات سطح در دسترس برای انتقال حرارت را افزایش می دهد و باعث ایجاد تلاطم در جریان سیال می شود که هر دو سرعت انتقال حرارت را افزایش می دهند.

سیالات در یک PHE در کانال های متناوب، معمولاً در آرایش جریان مخالف یا موازی جریان می یابند. گرما از سیال داغ به سیال سرد از طریق صفحات منتقل می شود که این امر به واسطه سطح بزرگ و نازک بودن صفحات تسهیل می شود که مقاومت حرارتی را به حداقل می رساند.

اصلاحات طراحی

اصلاحات طراحی یکی از مؤثرترین راه‌ها برای بهبود عملکرد انتقال حرارت PHE است. چندین عامل طراحی را می توان بهینه کرد، از جمله هندسه صفحه، الگوی راه راه، و چینش صفحات.

• هندسه صفحه و الگوی راه راه : هندسه صفحات و الگوی راه راه نقش مهمی در راندمان انتقال حرارت دارد. با تغییر زاویه، عمق و گام موج‌ها، می‌توان تلاطم را در کانال‌های سیال افزایش داد و در نتیجه انتقال حرارت را افزایش داد. یک الگوی موجدار تهاجمی تر معمولاً منجر به تلاطم بالاتر می شود که ضریب انتقال حرارت همرفتی را بهبود می بخشد. با این حال، این افت فشار را در سراسر مبدل افزایش می دهد، که باید در برابر مزایای انتقال حرارت بهبود یافته متعادل شود.

بهبود انتقال حرارت در مبدل حرارتی صفحه ای

• چیدمان صفحات : چیدمان صفحات در یک PHE می تواند عملکرد حرارتی آن را به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار دهد. به عنوان مثال، استفاده از آرایش جریان مخالف، که در آن دو سیال در جهت مخالف جریان می یابند، به طور کلی در دستیابی به سرعت انتقال حرارت بالاتر در مقایسه با آرایش جریان موازی موثرتر است. علاوه بر این، استفاده از گذرهای متعدد، که در آن سیال چندین بار از طریق مبدل جریان می‌یابد، می‌تواند با افزایش اختلاف دما بین سیالات در هر پاس، راندمان انتقال حرارت را بهبود بخشد.

• زاویه شورون : زاویه شورون که توسط موج‌های روی صفحات ایجاد می‌شود، بر انتقال حرارت و ویژگی‌های افت فشار مبدل تأثیر می‌گذارد. زاویه شورون بالاتر (نزدیک به 45 درجه) به طور کلی ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد اما همچنین منجر به افت فشار بیشتر می شود. بهینه سازی زاویه شورون بر اساس نیازهای خاص برنامه می تواند منجر به بهبود عملکرد انتقال حرارت شود.

انتخاب مواد

انتخاب مواد برای صفحات و واشر در PHE برای بهینه سازی انتقال حرارت بسیار مهم است. این ماده باید دارای رسانایی حرارتی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام مکانیکی برای مقاومت در برابر شرایط عملیاتی باشد.

• رسانایی حرارتی : مواد با رسانایی حرارتی بالاتر، مانند آلیاژهای مس یا آلومینیوم، می توانند راندمان انتقال حرارت را به میزان قابل توجهی بهبود بخشند. با این حال، این مواد اغلب گران تر هستند و ممکن است مقاومت در برابر خوردگی کمتری در مقایسه با فولاد ضد زنگ داشته باشند. بنابراین، انتخاب مواد یک مبادله بین عملکرد حرارتی، هزینه و دوام است.
• مقاومت در برابر خوردگی : در کاربردهایی که سیالات خورنده هستند، انتخاب مواد با مقاومت در برابر خوردگی بالا، مانند تیتانیوم یا هاستلوی، برای اطمینان از عملکرد طولانی مدت و جلوگیری از تخریب سطوح انتقال حرارت ضروری است. خوردگی می تواند منجر به رسوب گیری و پوسته پوسته شدن شود که اثربخشی انتقال حرارت را کاهش می دهد.
• مواد پیشرفته : پیشرفت‌های اخیر در علم مواد منجر به توسعه مواد پیشرفته مانند کامپوزیت‌های تقویت‌شده با گرافن و پوشش‌های نانو شده است که رسانایی حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی عالی را ارائه می‌دهند. این مواد برای بهبود بیشتر عملکرد انتقال حرارت PHE ها، به ویژه در کاربردهای سخت، نویدبخش هستند.

بهینه سازی جریان

بهینه سازی جریان سیال در یک PHE یکی دیگر از عوامل مهم در افزایش انتقال حرارت است. برای دستیابی به شرایط جریان بهینه می توان از چندین استراتژی استفاده کرد.

• ارتقای آشفتگی : ترویج آشفتگی در کانال های سیال یک استراتژی کلیدی برای بهبود انتقال حرارت است. جریان آشفته اختلاط لایه های سیال را افزایش می دهد، ضخامت لایه مرزی حرارتی را کاهش می دهد و ضریب انتقال حرارت همرفتی را افزایش می دهد. این را می توان با طراحی صفحات با الگوهای راه راه خاص که باعث ایجاد تلاطم در اعداد رینولدز پایین تر می شود به دست آورد.
• توزیع جریان : اطمینان از توزیع یکنواخت جریان در تمام کانال ها در PHE برای به حداکثر رساندن انتقال حرارت ضروری است. توزیع ضعیف جریان می تواند منجر به هات اسپات ها شود، جایی که مناطق خاصی از مبدل دمای بالاتری دارند و بازده کلی را کاهش می دهد. توزیع جریان را می توان با استفاده از طراحی مناسب درگاه ورودی و خروجی، تنظیم فاصله بین صفحات و استفاده از دستگاه های توزیع جریان مانند بافل یا منحرف کننده بهبود بخشید.
• به حداقل رساندن رسوب و پوسته پوسته شدن : رسوب گیری و پوسته پوسته شدن، ناشی از رسوب ذرات یا تبلور نمک های محلول بر روی سطوح انتقال حرارت، می تواند راندمان انتقال حرارت PHE را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. برای به حداقل رساندن رسوب، بهینه سازی سرعت جریان برای نگه داشتن ذرات در حالت تعلیق و کاهش احتمال رسوب مهم است. علاوه بر این، استفاده از پوشش‌های ضد رسوب یا استفاده از عملیات شیمیایی سیالات می‌تواند به کاهش رسوب و رسوب کمک کند.

نگهداری و تمیز کردن

نگهداری و تمیز کردن منظم PHE برای حفظ عملکرد بهینه انتقال حرارت حیاتی است. با گذشت زمان، رسوب گیری، پوسته پوسته شدن و خوردگی می تواند سطوح انتقال حرارت را تخریب کند و منجر به کاهش راندمان شود.

• تکنیک های تمیز کردن : چندین تکنیک تمیز کردن را می توان برای بازیابی عملکرد انتقال حرارت یک PHE به کار برد. تمیز کردن شیمیایی، با استفاده از محلول های اسیدی یا قلیایی، در از بین بردن رسوبات و رسوبات رسوب موثر است. تمیز کردن مکانیکی، مانند آب پرفشار یا برس زدن، نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد، به ویژه در موارد گرفتگی شدید. انتخاب روش تمیز کردن به نوع و میزان رسوب، جنس صفحات و محدودیت های عملیاتی بستگی دارد.
• نظارت و بازرسی : نظارت منظم بر عملکرد PHE، از جمله تفاوت دما، افت فشار، و نرخ جریان، می تواند به تشخیص زودهنگام رسوب یا سایر مسائل کمک کند. بازرسی دوره ای صفحات و واشرها نیز برای شناسایی علائم سایش، خوردگی یا آسیبی که می تواند بر راندمان انتقال حرارت تأثیر بگذارد، مهم است. اجرای یک برنامه تعمیر و نگهداری پیش بینی شده بر اساس داده های عملیاتی می تواند از خرابی های غیرمنتظره جلوگیری کند و عملکرد بهینه مستمر را تضمین کند.

بهبود انتقال حرارت در مبدل حرارتی صفحه ای

تکنیک ها و نوآوری های پیشرفته

پیشرفت های اخیر در فناوری راه های جدیدی را برای بهبود انتقال حرارت در PHE ها باز کرده است. اینها شامل استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای تجزیه و تحلیل جریان، توسعه سیستم های نظارت هوشمند، و استفاده از مواد و پوشش های جدید است.

• دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) : شبیه‌سازی‌های CFD به طور فزاینده‌ای برای مدل‌سازی و بهینه‌سازی جریان سیال و انتقال حرارت در PHEs مورد استفاده قرار می‌گیرند. با شبیه سازی پیکربندی های مختلف طراحی و شرایط عملیاتی، مهندسان می توانند موثرترین استراتژی ها را برای افزایش انتقال حرارت شناسایی کنند. CFD همچنین می تواند برای مطالعه اثرات رسوب و طراحی اقدامات ضد رسوب استفاده شود.
• سیستم‌های مانیتورینگ هوشمند : ادغام حسگرها و فناوری اینترنت اشیا (اینترنت اشیا) در PHE ها امکان نظارت در زمان واقعی پارامترهای عملکرد کلیدی را فراهم می‌کند. این امکان تعمیر و نگهداری پیش بینی را فراهم می کند. جایی که می توان مسائل بالقوه را قبل از اینکه منجر به کاهش قابل توجه عملکرد شود، شناسایی و به آنها رسیدگی کرد. سیستم‌های نظارت هوشمند همچنین می‌توانند داده‌های ارزشمندی را برای بهینه‌سازی شرایط عملیاتی و بهبود راندمان کلی انتقال حرارت ارائه کنند.
• مواد و پوشش های جدید : تحقیق در مورد مواد و پوشش های پیشرفته، مانند کامپوزیت های مبتنی بر گرافن و سطوح فوق آبگریز، نویدبخش افزایش بیشتر عملکرد انتقال حرارت PHE ها است. این مواد رسانایی حرارتی بالاتر، مقاومت در برابر خوردگی بهبود یافته و کاهش تمایل به رسوب را ارائه می دهند که آنها را برای کاربردهای سخت ایده آل می کند.

نتیجه گیری

بهبود انتقال حرارت در مبدل های حرارتی صفحه ای یک چالش چند وجهی است که نیاز به یک رویکرد جامع دارد. با بهینه سازی پارامترهای طراحی، انتخاب مواد مناسب، حصول اطمینان از شرایط جریان بهینه، و اجرای شیوه های تعمیر و نگهداری موثر. می توان به پیشرفت های قابل توجهی در راندمان انتقال حرارت دست یافت. علاوه بر این، استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند CFD، سیستم‌های نظارت هوشمند و مواد جدید می‌تواند عملکرد PHEs را بیشتر افزایش دهد. از آنجایی که صنایع همچنان به تقاضای مبدل‌های حرارتی کارآمدتر و مطمئن‌تر ادامه می‌دهند. تحقیقات و نوآوری‌های مداوم در این زمینه‌ها برای رویارویی با این چالش‌ها و پیشبرد پیشرفت‌های آینده در فناوری انتقال حرارت بسیار مهم خواهد بود.