ما هو مبادل الحرارة ذو الألواح؟ كيف يعمل وأين يُستخدم؟

المقدمة

مبادلات الحرارة ذات الألواح (plate heat exchangers) هي أجهزة تبادل حراري تسمح بنقل الحرارة بين سائلين مختلفين، وتُفضّل على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية بفضل هياكلها المدمجة، وكفاءتها العالية، ومزايا الصيانة السهلة. تُستكشف هذه المقالة مبادئ عمل مبادلات الحرارة ذات الألواح وكيفية عملها وهياكل تصميمها ومزاياها ومجموعة متنوعة من مجالات استخدامها بشكل مفصل.

1. ما هو مبادل الحرارة ذو الألواح؟

مبادل الحرارة ذو الألواح هو جهاز لتبادل الحرارة يتم إنشاؤه عن طريق ترتيب ألواح معدنية رقيقة فوق بعضها البعض، حيث يمر عادةً سائل ساخن وسائل باردة على جهات الألواح. يُفصل في هذه الأجهزة السوائل عن بعضها البعض في الواقع، لكن يحدث تبادل الحرارة من خلال سطوح الألواح.

1.1 التطور التاريخي

ظهرت مبادلات الحرارة ذات الألواح لأول مرة في العقد العشرين من القرن الماضي، وأفضلت خاصة في صناعة الأغذية والألبان بسبب ميزة الصحة للألواح الفولاذية المقاومة للصدأ. مع تطور تصميمها وتكنولوجيا المواد والحشوات مع مرور الوقت، أصبحت قابلة للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.

1.2 المكونات الأساسية

يتألف مبادلات الحرارة ذو الألواح عمومًا من المكونات الأساسية التالية:

• ألواح نقل الحرارة
• أنظمة الحشو أو الهياكل اللحامية/اللحامية
• ألواح الضغط الثابتة والمتحركة
• المسامير الضاغطة
• نظام الحامل (الإطار)

2. كيف يعمل مبادل الحرارة ذو الألواح؟

2.1 مبدأ نقل الحرارة

في مبادلات الحرارة ذو الألواح، يتدفق سائلان ذو اختلاف في درجة الحرارة على جهات ألواح المبدل. ينتقل الحرارة التي يحملها السائل الساخن إلى السائل البارد من خلال جدران الألواح. يحدث نقل الحرارة بالكامل بالتوصيل (التوصيل) وتبادل السوائل بشكل متبادل. يُنظم التدفق عادةً بواسطة مبدأ التدفق العكسي (counter-flow) لتحقيق أقصى كفاءة لنقل الحرارة.

2.2 مسار التدفق وترتيب الألواح

تتميز كل ألواح بنمط خاص من التموجات (corrugation). تعزز هذه التموجات نقل الحرارة عن طريق زيادة التوربولنس وتوفير المتانة الهيكلية للوحة. تتدفق السوائل عبر الألواح على التوالي، مرورًا بالألواح الساخنة والباردة المحددة.

3. أنواع مبادلات الحرارة ذو الألواح

3.1 مبادلات الحرارة ذو الألواح والحشوات (Gasketed PHE)

تحتوي الألواح على حشوات مطاطية بينها. تساعد هذه الحشوات في توجيه السوائل وتوفير الإحكام. يُعتبر الصيانة سهلة، ويمكن تنظيفها وتغيير الألواح.

3.2 مبادلات الحرارة ذو الألواح الملحومة (Brazed PHE)

تتم ربط الألواح بالنحاس أو النيكل باللحيم. يتميز بتصميم مدمج، ويمكن استخدامه تحت ضغط عالٍ ودرجة حرارة مرتفعة. يكون بنية لا يمكن فكها للتنظيف والصيانة.

3.3 مبادلات الحرارة ذو الألواح الملحومة (Welded PHE)

يُفضل في التطبيقات التي تتطلب عمل دون حشوات، أو في بيئات ملوثة أو ذات درجات حرارة مرتفعة. مناسب لعمليات الغاز والكيمياء.

3.4 مبادلات الحرارة ذو الألواح شبه الملح