مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی

مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی؛ راهنمای انتخاب، طراحی و عملکرد در سیستم‌های گرمایشی

مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی یکی از مهم‌ترین اجزای انتقال حرارت در بسیاری از سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی مدرن است. این نوع مبدل حرارتی به دلیل ابعاد فشرده، راندمان انتقال حرارت بالا، وزن کم و قابلیت کار با اختلاف دمای پایین، در طراحی انواع پمپ حرارتی هوا به آب، آب به آب و زمین‌گرمایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.برای انتخاب بهترین تجهیز انتقال حرارت، لازم است ابتدا با مدل‌های مختلف آشنا شوید. با مشاهده انواع مبدل صفحه ای می‌توان تفاوت میان مبدل‌های صفحه‌ای گسکتی، بریز، جوشی و فری‌فلو را از نظر ساختار، فشار کاری، نوع کاربرد و شرایط سرویس بررسی کرد. هر مدل برای شرایط خاصی طراحی شده است؛ به‌عنوان مثال مبدل‌های بریز شده در سیستم‌های پمپ حرارتی و تبرید به دلیل ابعاد کوچک، راندمان بالا و عدم نیاز به گسکت کاربرد گسترده‌ای دارند.

اما انتخاب یک مبدل صفحه‌ای بریز برای پمپ حرارتی صرفاً به معنی انتخاب یک مبدل با ظرفیت حرارتی مشخص نیست.

در یک سیستم پمپ حرارتی، مبدل حرارتی باید بتواند هم‌زمان چند وظیفه مهم را انجام دهد:

• انتقال مؤثر حرارت بین مبرد و سیال ثانویه

• تحمل فشار و دمای کاری سیکل تبرید

• کنترل افت فشار در مدار مبرد و آب

• جلوگیری از یخ‌زدگی در شرایط کاری خاص

• تأمین سوپرهیت یا ساب‌کول مناسب در صورت استفاده به‌عنوان مبدل مبرد

• حفظ عملکرد پایدار در طول زمان

• سازگاری با نوع مبرد، آب و شرایط واقعی پروژه

به همین دلیل، انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی باید بر اساس یک فرآیند مهندسی انجام شود، نه صرفاً بر اساس توان نامی دستگاه.

در ادامه بررسی می‌کنیم که مبدل صفحه‌ای لحیمی چه نقشی در پمپ حرارتی دارد، چه زمانی به‌عنوان اواپراتور یا کندانسور چیلر استفاده می‌شود، چگونه ظرفیت مورد نیاز آن محاسبه می‌شود و هنگام انتخاب این تجهیز باید به چه پارامترهایی توجه کرد.

مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی چیست؟

مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی نوعی مبدل حرارتی فشرده است که از مجموعه‌ای از صفحات فلزی موج‌دار تشکیل می‌شود. این صفحات معمولاً از فولاد ضدزنگ ساخته شده و در نقاط تماس خود با استفاده از فرآیند لحیم‌کاری به یکدیگر متصل می‌شوند.

در این ساختار، صفحات به‌گونه‌ای کنار هم قرار می‌گیرند که کانال‌های جداگانه‌ای برای عبور دو سیال ایجاد شود. یک سیال از یک مجموعه کانال و سیال دیگر از کانال‌های مجاور عبور می‌کند و حرارت از طریق صفحات فلزی بین آن‌ها منتقل می‌شود.

در پمپ حرارتی، یکی از این سیالات می‌تواند مبرد باشد و سیال دیگر معمولاً آب یا محلول آب و ضدیخ است.

به همین دلیل، مبدل صفحه‌ای لحیمی در پمپ حرارتی می‌تواند در نقش‌های مختلفی مورد استفاده قرار گیرد، از جمله:

• اواپراتور پمپ حرارتی

• کندانسور پمپ حرارتی

• مبدل بین مدار مبرد و مدار آب

• مبدل مدار آب گرم مصرفی

• مبدل مدار گرمایش ساختمان

• مبدل مدار زمین‌گرمایی

• مبدل مدار آب استخر

نکته مهم این است که مبدل مورد استفاده در هر یک از این بخش‌ها، شرایط طراحی متفاوتی دارد.

برای مثال، یک مبدل صفحه‌ای لحیمی که به‌عنوان کندانسور استفاده می‌شود، باید برای انتقال حرارت از مبرد داغ و متراکم‌شده به آب طراحی شود. در مقابل، مبدل مورد استفاده به‌عنوان اواپراتور باید بتواند حرارت را از آب یا منبع حرارتی دریافت کرده و به مبرد منتقل کند.

بنابراین، یک مبدل با ظرفیت حرارتی یکسان الزاماً برای هر دو موقعیت مناسب نیست.

چرا مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی انتخاب می‌شود؟

پمپ های حرارتی معمولاً در شرایطی کار می‌کنند که اختلاف دمای بین دو سیال نسبتاً کم است. این موضوع باعث می‌شود طراحی مبدل حرارتی اهمیت زیادی پیدا کند.

اگر مبدل حرارتی سطح انتقال حرارت کافی نداشته باشد، سیستم برای رسیدن به ظرفیت مورد نظر مجبور می‌شود با دمای تبخیر یا دمای تقطیر نامناسب کار کند. این موضوع می‌تواند مستقیماً روی راندمان پمپ حرارتی و ضریب عملکرد آن تأثیر بگذارد.

مبدل صفحه‌ای لحیمی به دلیل ساختار صفحات موج‌دار، جریان متلاطم‌تری ایجاد می‌کند. این تلاطم باعث افزایش انتقال حرارت می‌شود و به مبدل اجازه می‌دهد در حجم بسیار کوچک، ظرفیت قابل‌توجهی را منتقل کند.

مهم‌ترین دلایل استفاده از این نوع مبدل در پمپ حرارتی عبارت‌اند از:

ابعاد فشرده

مبدل‌های صفحه‌ای لحیمی معمولاً نسبت به بسیاری از مبدل های پوسته و لوله، فضای بسیار کمتری اشغال می‌کنند.

این ویژگی در پمپ‌های حرارتی کوچک، سیستم‌های مسکونی، پکیج‌های حرارتی و تجهیزات ماژولار اهمیت زیادی دارد.

راندمان انتقال حرارت بالا

صفحات نازک فلزی و کانال‌های باریک باعث می‌شوند مسیر انتقال حرارت کوتاه باشد. از طرف دیگر، الگوی موج‌دار صفحات می‌تواند ضریب انتقال حرارت را افزایش دهد.

نتیجه این است که یک مبدل صفحه‌ای بریز می‌تواند با حجم نسبتاً کم، ظرفیت حرارتی بالایی را منتقل کند.

کاهش وزن و حجم سیستم

در بسیاری از پروژه‌ها، کاهش ابعاد تجهیز به معنی کاهش حجم شاسی، کاهش فضای نصب و ساده‌تر شدن حمل‌ونقل است.

این مزیت در طراحی پمپ حرارتی برای ساختمان‌های مسکونی، سیستم های تهویه مطبوع و تجهیزات قابل‌حمل اهمیت زیادی دارد.

کاهش موجودی مبرد

به دلیل حجم داخلی نسبتاً کم، بسیاری از مبدل‌های صفحه‌ای لحیمی به مقدار کمتری از مبرد نسبت به برخی طراحی‌های بزرگ‌تر نیاز دارند.

این موضوع می‌تواند در طراحی سیستم‌های جدید با مبردهای کم‌اثرتر بر محیط‌زیست نیز اهمیت داشته باشد.

مبدل صفحه ای لحیمی در کدام بخش پمپ حرارتی نصب می‌شود؟

در یک پمپ حرارتی معمولی، مبدل حرارتی ممکن است در دو بخش اصلی سیکل تبرید مورد استفاده قرار گیرد:

1. اواپراتور

2. کندانسور

در برخی طراحی‌ها، یک مبدل صفحه ای لحیمی ممکن است به‌عنوان مبدل داخلی یا مبدل کمکی نیز استفاده شود.

برای درک بهتر، مسیر اصلی عملکرد را می‌توان به این شکل توضیح داد:

در حالت گرمایش، پمپ حرارتی حرارت را از یک منبع کم‌دما دریافت کرده و پس از افزایش سطح انرژی مبرد توسط کمپرسور، آن را به مدار گرمایش منتقل می‌کند.

در این چرخه، عملکرد مبدل‌های حرارتی مستقیماً بر راندمان کل سیستم اثر دارد.

مبدل صفحه‌ای لحیمی به‌عنوان اواپراتور پمپ حرارتی

اواپراتور یکی از حساس‌ترین اجزای پمپ حرارتی است.

در این بخش، مبرد در فشار پایین وارد مبدل شده و با دریافت حرارت از منبع حرارتی تبخیر می‌شود.

منبع حرارتی می‌تواند یکی از موارد زیر باشد:

• هوای محیط

• آب چاه

• آب مدار زمین‌گرمایی

• آب یک مدار حرارتی

• آب استخر

• سیال دارای ضدیخ

در این حالت، طراحی مبدل حرارتی صفحه ای لحیمی باید به‌گونه‌ای باشد که انتقال حرارت کافی انجام شود، اما افت فشار مبرد نیز بیش از حد افزایش پیدا نکند.

اگر افت فشار در سمت مبرد بالا باشد، فشار مکش کمپرسور کاهش پیدا می‌کند و کمپرسور برای تأمین ظرفیت مورد نیاز باید شرایط سخت‌تری را تحمل کند.

در مقابل، اگر مبدل کوچک‌تر از نیاز واقعی انتخاب شود، ممکن است دمای تبخیر کاهش پیدا کند و عملکرد پمپ حرارتی افت کند.

به همین دلیل، در انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای اواپراتور باید پارامترهای زیر به‌صورت هم‌زمان بررسی شوند:

• ظرفیت حرارتی

• نوع مبرد

• دمای تبخیر

• دمای ورودی و خروجی منبع حرارتی

• دبی مبرد

• دبی سیال ثانویه

• افت فشار مجاز

• احتمال یخ‌زدگی

• نوع و غلظت ضدیخ

مبدل صفحه‌ای لحیمی به‌عنوان کندانسور پمپ حرارتی

در کندانسور، مبرد داغ و پرفشار حرارت خود را به مدار گرمایش منتقل می‌کند.

در یک پمپ حرارتی آب‌گرم، این مدار می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• سیستم گرمایش از کف

• فن‌کویل

• رادیاتور

• مخزن آب گرم مصرفی

• مدار گرمایش صنعتی

• سیستم گرمایش استخر

مبدل صفحه‌ای لحیمی در این بخش باید بتواند حرارت مبرد را به‌صورت پایدار به آب منتقل کند.

در بسیاری از سیستم‌های پمپ حرارتی، افزایش دمای تقطیر باعث افزایش مصرف برق کمپرسور می‌شود. بنابراین اگر مبدل کندانسور عملکرد مناسبی نداشته باشد، سیستم ممکن است برای رسیدن به دمای خروجی مورد نیاز، با فشار تقطیر بالاتری کار کند.

این موضوع می‌تواند باعث افزایش مصرف انرژی شود.

به همین دلیل، در انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای کندانسور، تنها ظرفیت اسمی اهمیت ندارد. افت فشار سمت آب، دمای تقطیر، نوع مبرد و دمای آب خروجی نیز باید در محاسبات لحاظ شوند.

ظرفیت مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی چگونه محاسبه می‌شود؟

یکی از اولین مراحل انتخاب مبدل، محاسبه بار حرارتی است.

در ساده‌ترین حالت، بار حرارتی در مدار آب از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

نام فرمول: بار حرارتی سیال

Q = m × Cp × ΔT

در این رابطه:

• Q ظرفیت حرارتی است.

• m دبی جرمی سیال است.

• Cp ظرفیت گرمایی ویژه سیال است.

• ΔT اختلاف دمای ورودی و خروجی است.

اگر دبی حجمی در اختیار باشد، می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

نام فرمول: ظرفیت حرارتی بر اساس دبی حجمی

Q = ρ × V̇ × Cp × ΔT

در این رابطه، چگالی سیال نیز باید در محاسبات وارد شود.

برای آب، در بسیاری از محاسبات اولیه می‌توان از رابطه تقریبی زیر استفاده کرد:

نام فرمول: ظرفیت حرارتی تقریبی آب

Q ≈ 1.163 × V̇ × ΔT

در این رابطه، اگر دبی بر حسب مترمکعب بر ساعت باشد، ظرفیت حرارتی بر حسب کیلووات به دست می‌آید.

با این حال، برای انتخاب نهایی مبدل صفحه‌ای بریز، محاسبه ظرفیت حرارتی به‌تنهایی کافی نیست.

بیشتر بخوانید: مزایا و معایب مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

اختلاف دمای میانگین لگاریتمی در انتخاب مبدل حرارتی

یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی مبدل حرارتی، اختلاف دمای میانگین لگاریتمی یا LMTD است.

این پارامتر نشان می‌دهد که اختلاف دمای مؤثر بین دو سیال در طول مبدل چقدر است.

برای جریان مخالف، رابطه به شکل زیر نوشته می‌شود:

نام فرمول: اختلاف دمای میانگین لگاریتمی

LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

هرچه اختلاف دمای مؤثر کمتر باشد، معمولاً برای انتقال همان مقدار حرارت به سطح انتقال حرارت بیشتری نیاز است.

این موضوع در پمپ‌های حرارتی اهمیت زیادی دارد، زیرا بسیاری از سیستم‌ها با اختلاف دمای نسبتاً پایین کار می‌کنند.

برای مثال، در یک پمپ حرارتی که وظیفه گرم کردن آب از 30 به 35 درجه سانتی‌گراد را دارد، اختلاف دمای مؤثر با مبرد می‌تواند محدود باشد. بنابراین طراحی دقیق مبدل اهمیت بیشتری نسبت به سیستم‌هایی با اختلاف دمای بسیار زیاد خواهد داشت.

تأثیر مبدل حرارتی بر ضریب عملکرد پمپ حرارتی

یکی از مهم‌ترین معیارهای عملکرد پمپ حرارتی، COP یا ضریب عملکرد است.

این پارامتر نشان می‌دهد سیستم در برابر انرژی الکتریکی مصرف‌شده چه مقدار انرژی حرارتی تولید می‌کند.

نام فرمول: ضریب عملکرد گرمایشی پمپ حرارتی

COP = Q_heating / W_input

در این رابطه:

• Q_heating ظرفیت گرمایشی تولیدشده است.

• W_input توان الکتریکی مصرف‌شده توسط کمپرسور و تجهیزات جانبی است.

مبدل صفحه‌ای لحیمی می‌تواند از طریق چند مسیر بر COP اثر بگذارد.

اگر مبدل حرارتی صفحه ای به‌عنوان اواپراتور عملکرد مناسبی داشته باشد، انتقال حرارت مؤثرتر انجام می‌شود و امکان حفظ دمای تبخیر در سطح مناسب فراهم خواهد شد. این موضوع می‌تواند به کاهش فشار کاری کمپرسور و کاهش توان مصرفی آن کمک کند.

اگر کندانسور بتواند حرارت را با اختلاف دمای مناسب منتقل کند، نیاز به افزایش بیش از حد فشار تقطیر کاهش می‌یابد.

در نتیجه، طراحی درست مبدل می‌تواند به کاهش فشار کاری کمپرسور و بهبود عملکرد کلی پمپ حرارتی کمک کند.

به همین دلیل، انتخاب مبدل حرارتی نباید از سایر اجزای سیکل تبرید جدا در نظر گرفته شود.

مبدل، کمپرسور، شیر انبساط و مدار آب همگی به یکدیگر وابسته هستند.

افت فشار؛ پارامتری که نباید در انتخاب مبدل نادیده گرفته شود

یکی از اشتباهات رایج در انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی، تمرکز بیش از حد بر ظرفیت انتقال حرارت است.

ممکن است یک مبدل از نظر حرارتی ظرفیت کافی داشته باشد، اما افت فشار آن بیش از مقدار مجاز باشد.

در این حالت، عملکرد سیستم می‌تواند تحت تأثیر قرار گیرد.

افت فشار در دو سمت مبدل باید بررسی شود:

• افت فشار سمت مبرد

• افت فشار سمت آب یا سیال ثانویه

در سمت آب، افت فشار بالا می‌تواند باعث افزایش توان مصرفی پمپ شود.

در سمت مبرد، افت فشار می‌تواند باعث تغییر شرایط تبخیر یا تقطیر شود.

بنابراین انتخاب نهایی باید یک نقطه تعادل میان انتقال حرارت بالا و افت فشار قابل‌قبول باشد.

انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی بر اساس نوع کاربرد

یک مبدل مناسب برای سیستم زمین‌گرمایی الزاماً برای پمپ حرارتی هوا به آب بهترین گزینه نیست.

شرایط منبع حرارتی، نوع سیال و دامنه دمایی هر پروژه متفاوت است.

پمپ حرارتی هوا به آب

در این سیستم، مبدل حرارتی معمولاً با مدار آب یا ضدیخ در ارتباط است.

در شرایط سرد، احتمال یخ‌زدگی اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.

پمپ حرارتی آب به آب

در این سیستم، کیفیت آب منبع باید بررسی شود.

رسوب، مواد معلق و ترکیبات خورنده می‌توانند عملکرد مبدل صفحه‌ای لحیمی را کاهش دهند.

پمپ حرارتی زمین‌گرمایی

در این سیستم، نوع سیال مدار زمین و غلظت ضدیخ باید در انتخاب مبدل لحاظ شود.

پمپ حرارتی برای آب گرم مصرفی

در این کاربرد، کنترل دما، کیفیت آب و الزامات بهداشتی اهمیت بیشتری دارد.

مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی یکی از اجزای کلیدی در طراحی یک سیستم حرارتی کارآمد است.

این مبدل می‌تواند به‌عنوان اواپراتور، کندانسور یا مبدل بین مدارهای مختلف استفاده شود. با این حال، انتخاب صحیح آن فقط با توجه به ظرفیت حرارتی انجام نمی‌شود.

ظرفیت، نوع مبرد، دمای تبخیر، دمای تقطیر، دبی سیالات، افت فشار، نوع آب، احتمال رسوب و شرایط کاری واقعی باید به‌صورت هم‌زمان بررسی شوند.

مهم‌ترین نکته این است که یک مبدل حرارتی مناسب باید با کل سیکل پمپ حرارتی هماهنگ باشد.

بیشتر بخوانید: صدای غیرعادی یا لرزش مبدل صفحه ای نشانه چیست؟

چگونه مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی را انتخاب کنیم؟

انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی باید از یک مسئله واقعی شروع شود:

سیستم چه مقدار حرارت باید منتقل کند؟

این سؤال ساده، نقطه شروع تمام محاسبات طراحی است.

انتخاب یک مبدل صرفاً بر اساس توان نامی پمپ حرارتی می‌تواند باعث انتخاب تجهیزی کوچک‌تر یا بزرگ‌تر از نیاز واقعی شود. برای مثال، ممکن است یک پمپ حرارتی دارای ظرفیت اسمی 100 کیلووات باشد، اما شرایط واقعی کار آن در دمای محیط، دمای آب، نوع مبرد و دبی مشخص، با ظرفیت نامی متفاوت باشد.

به همین دلیل، مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی باید بر اساس شرایط واقعی عملکرد انتخاب شود.

فرآیند مهندسی انتخاب معمولاً شامل این مراحل است:

هر مرحله روی مرحله بعدی اثر می‌گذارد.

به همین دلیل، انتخاب مبدل حرارتی برای پمپ حرارتی یک فرآیند زنجیره‌ای است و نمی‌توان تنها با یک پارامتر درباره مناسب بودن یک مدل تصمیم گرفت.

گام اول؛ تعیین ظرفیت واقعی مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی

اولین اطلاعات مورد نیاز، ظرفیت حرارتی واقعی است.

اگر مبدل در سمت آب یا محلول آب و ضدیخ کار کند، ظرفیت انتقال حرارت از رابطه زیر به دست می‌آید:

نام فرمول: ظرفیت حرارتی سیال

Q = m × Cp × ΔT

در این رابطه:

• Q ظرفیت حرارتی است.

• m دبی جرمی سیال است.

• Cp ظرفیت گرمایی ویژه سیال است.

• ΔT اختلاف دمای سیال در ورودی و خروجی مبدل است.

اگر دبی به‌صورت حجمی مشخص باشد، رابطه زیر کاربرد بیشتری دارد:

نام فرمول: ظرفیت حرارتی بر اساس دبی حجمی

Q = ρ × V̇ × Cp × ΔT

برای آب، می‌توان در محاسبات اولیه از رابطه تقریبی زیر استفاده کرد:

نام فرمول: ظرفیت حرارتی آب

Q = 1.163 × V̇ × ΔT

در این رابطه:

• Q بر حسب کیلووات است.

• V̇ دبی آب بر حسب مترمکعب بر ساعت است.

• ΔT اختلاف دمای آب بر حسب درجه سانتی‌گراد است.

برای مثال، اگر یک پمپ حرارتی باید 100 کیلووات حرارت به آب منتقل کند و آب از 30 به 35 درجه سانتی‌گراد برسد:

نام فرمول: محاسبه دبی آب

V̇ = Q / (1.163 × ΔT)

بنابراین:

V̇ = 100 / (1.163 × 5)

در نتیجه، دبی مورد نیاز آب تقریباً 17.2 مترمکعب بر ساعت خواهد بود.

این عدد یکی از مهم‌ترین ورودی‌های انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی است.

چرا ظرفیت اسمی پمپ حرارتی برای انتخاب مبدل کافی نیست؟

ظرفیت اعلام‌شده برای یک پمپ حرارتی معمولاً در یک شرایط مشخص اندازه‌گیری می‌شود.

برای مثال، ظرفیت یک دستگاه ممکن است در شرایطی مانند موارد زیر اعلام شده باشد:

• دمای مشخص هوای بیرون

• دمای مشخص آب ورودی

• دمای مشخص آب خروجی

• نوع مشخص مبرد

• دبی مشخص

• شرایط استاندارد آزمایشگاهی

اما سیستم واقعی ممکن است در شرایط متفاوتی کار کند. برای نمونه، پمپ حرارتی که در کاتالوگ دارای ظرفیت اسمی ۱۰۰ کیلووات است، ممکن است در دمای محیط پایین‌تر، دمای آب خروجی بالاتر یا دبی متفاوت، ظرفیت واقعی دیگری داشته باشد.

این موضوع در زمان انتخاب مبدل حرارتی الکتریکی اهمیت زیادی دارد. انتخاب مبدل نباید فقط بر اساس ظرفیت اسمی درج‌شده در کاتالوگ پمپ حرارتی انجام شود؛ زیرا ظرفیت واقعی انتقال حرارت به شرایط کاری مبدل، دمای ورودی و خروجی، دبی سیال، اختلاف دمای مؤثر و افت فشار مجاز نیز وابسته است.

بنابراین برای انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی باید مشخص شود:

در این مرحله، اطلاعات واقعی پروژه از ظرفیت اسمی مهم‌تر است.

محاسبه LMTD در مبدل صفحه‌ای لحیمی پمپ حرارتی

پس از مشخص شدن ظرفیت و دماهای ورودی و خروجی، باید اختلاف دمای میانگین لگاریتمی محاسبه شود.

LMTD یکی از مهم‌ترین پارامترها در طراحی مبدل حرارتی است.

در یک مبدل جریان مخالف:

نام فرمول: اختلاف دمای میانگین لگاریتمی

LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

در این رابطه:

نام فرمول: اختلاف دمای انتهایی اول

ΔT1 = T_hot,in - T_cold,out

نام فرمول: اختلاف دمای انتهایی دوم

ΔT2 = T_hot,out - T_cold,in

هرچه LMTD کمتر باشد، معمولاً برای انتقال همان مقدار حرارت به سطح بیشتری نیاز است.

این موضوع در پمپ‌های حرارتی بسیار مهم است، زیرا این سیستم‌ها اغلب برای افزایش راندمان در اختلاف دمای پایین کار می‌کنند.

برای مثال، در یک سیستم گرمایش از کف، آب ممکن است با دمای نسبتاً پایین گرم شود. در چنین شرایطی، مبدل باید بتواند حرارت مورد نیاز را با اختلاف دمای محدود منتقل کند.

اگر سطح مبدل کافی نباشد، سیستم برای جبران این کمبود ممکن است به افزایش دمای تقطیر مبرد نیاز پیدا کند.

این وضعیت می‌تواند مصرف انرژی کمپرسور را افزایش دهد.

سطح انتقال حرارت مورد نیاز چگونه محاسبه می‌شود؟

پس از محاسبه ظرفیت و LMTD، باید سطح انتقال حرارت مورد نیاز تعیین شود.

رابطه کلی به شکل زیر است:

نام فرمول: سطح انتقال حرارت مورد نیاز

A = Q / (U × LMTD)

در این رابطه:

• A سطح انتقال حرارت مورد نیاز است.

• Q ظرفیت انتقال حرارت است.

• U ضریب کلی انتقال حرارت است.

• LMTD اختلاف دمای میانگین لگاریتمی است.

ضریب کلی انتقال حرارت به عوامل مختلفی وابسته است، از جمله:

• نوع سیالات

• سرعت جریان

• خواص فیزیکی سیالات

• جنس صفحات

• الگوی موج صفحات

• وضعیت جریان

• وجود یا عدم وجود تغییر فاز

• میزان رسوب

به همین دلیل، مقدار U را نمی‌توان بدون توجه به شرایط واقعی پروژه به‌صورت ثابت در نظر گرفت.

در مبدل صفحه‌ای لحیمی که مبرد در یک سمت تبخیر یا تقطیر می‌شود، شرایط انتقال حرارت با مبدلی که دو سیال مایع در دو طرف آن جریان دارند، متفاوت است.

بیشتر بخوانید: تفاوت مبدل صفحه ای گسکت دار و لحیمی؛ کدام انتخاب بهتری است؟

چرا ضریب انتقال حرارت در مبدل صفحه‌ای لحیمی مهم است؟

مبدل صفحه‌ای لحیمی به دلیل شکل خاص صفحات، جریان را در کانال‌ها به‌صورت ساده و مستقیم عبور نمی‌دهد.

الگوی موج‌دار صفحات باعث ایجاد تغییرات مداوم در مسیر جریان می‌شود.

این وضعیت می‌تواند باعث افزایش اختلاط و تلاطم سیال شود.

در نتیجه، ضریب انتقال حرارت افزایش پیدا می‌کند.

اما این مزیت یک هزینه هیدرولیکی نیز دارد.

هرچه شدت تلاطم افزایش یابد، ممکن است افت فشار نیز افزایش پیدا کند.

به همین دلیل، طراحی مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی همیشه یک مسئله بهینه‌سازی است:

انتقال حرارت بیشتر
        ↕
افت فشار بیشتر

هدف مهندس این نیست که صرفاً بیشترین انتقال حرارت را ایجاد کند.

هدف این است که بهترین تعادل بین موارد زیر ایجاد شود:

• ظرفیت حرارتی

• سطح انتقال حرارت

• افت فشار

• مصرف توان پمپ

• شرایط کاری کمپرسور

• هزینه تجهیز

انتخاب تعداد صفحات مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی

تعداد صفحات یکی از پارامترهای مهم در طراحی و انتخاب مبدل حرارتی صفحه ای بریز برای پمپ حرارتی است.

افزایش تعداد صفحات معمولاً سطح انتقال حرارت را افزایش می‌دهد، اما اثر آن فقط به افزایش سطح محدود نمی‌شود. تعداد صفحات بر حجم داخلی مبدل، آرایش کانال‌های جریان، سرعت عبور سیال و افت فشار نیز تأثیر می‌گذارد.

تعداد صفحات می‌تواند روی موارد زیر اثر بگذارد:

• حجم داخلی مبدل

• تعداد کانال‌ها

• سرعت جریان

• افت فشار

• ظرفیت حرارتی

• مقدار مبرد داخل مبدل

به همین دلیل، انتخاب تعداد صفحات باید بر اساس طراحی کامل انجام شود.

در یک نگاه ساده:

در سمت آب نیز تعداد کانال‌ها روی سرعت جریان اثر می‌گذارد.

اگر سرعت جریان بسیار پایین باشد، احتمال کاهش ضریب انتقال حرارت و افزایش رسوب وجود دارد.

اگر سرعت بیش از حد بالا باشد، افت فشار و احتمال فرسایش موضعی افزایش پیدا می‌کند.

سرعت جریان در مبدل صفحه‌ای لحیمی پمپ حرارتی

سرعت سیال یکی از پارامترهای مهم طراحی کانال است.

سرعت پایین می‌تواند باعث کاهش تلاطم شود.

سرعت بسیار بالا نیز ممکن است افت فشار را افزایش دهد.

در برخی شرایط، سرعت پایین می‌تواند خطر رسوب‌گذاری را افزایش دهد، زیرا نیروی برشی جریان برای جلوگیری از تجمع ذرات کافی نیست.

بنابراین طراحی کانال باید بین انتقال حرارت و افت فشار تعادل ایجاد کند.

به‌صورت مفهومی:

این رابطه نشان می‌دهد که انتخاب مبدل بزرگ‌تر همیشه بهترین راه‌حل نیست.

اگر مبدل بیش از حد بزرگ انتخاب شود، سرعت جریان ممکن است کاهش پیدا کند و عملکرد واقعی از مقدار مورد انتظار پایین‌تر بیاید.

بررسی افت فشار در مبدل صفحه‌ای لحیمی

افت فشار باید برای هر دو مدار بررسی شود.

افت فشار سمت آب

افت فشار زیاد در سمت آب باعث افزایش توان مورد نیاز پمپ می‌شود.

در سیستم‌های بزرگ، این موضوع می‌تواند در طول زمان به افزایش قابل‌توجه مصرف انرژی منجر شود.

به همین دلیل، مبدل باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که افت فشار آن با ظرفیت پمپ و طراحی هیدرولیکی سیستم سازگار باشد.

افت فشار سمت مبرد

افت فشار سمت مبرد اهمیت ویژه‌ای دارد.

در اواپراتور، افت فشار زیاد می‌تواند باعث کاهش فشار تبخیر شود.

در کندانسور، افت فشار می‌تواند روی فشار تقطیر و شرایط عملکرد سیکل اثر بگذارد.

به همین دلیل، طراحی مبدل صفحه‌ای لحیمی برای مبرد باید با مشخصات کمپرسور و شیر انبساط هماهنگ باشد.

بیشتر بخوانید: تاثیر مبدل صفحه ای بر کاهش ردپای کربن و مصرف انرژی پایدار

رابطه افت فشار و توان پمپ

در مدار آب، توان هیدرولیکی مورد نیاز برای غلبه بر افت فشار از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

نام فرمول: توان هیدرولیکی پمپ

P_hydraulic = ΔP × V̇

در محاسبات واقعی، راندمان پمپ نیز باید در نظر گرفته شود:

نام فرمول: توان ورودی پمپ

P_input = (ΔP × V̇) / η

در این رابطه:

• ΔP افت فشار است.

• V̇ دبی حجمی است.

• η راندمان پمپ است.

این موضوع نشان می‌دهد که انتخاب مبدل فقط بر اساس راندمان حرارتی انجام نمی‌شود.

یک مبدل با افت فشار بسیار بالا می‌تواند باعث افزایش مصرف انرژی پمپ شود.

بنابراین در طراحی سیستم‌های پمپ حرارتی، باید هزینه انرژی تمام تجهیزات جانبی نیز بررسی شود.

انتخاب مبدل صفحه ای لحیمی برای اواپراتور؛ مهم ترین پارامترها

در زمان انتخاب مبدل برای اواپراتور، باید موارد زیر مشخص باشند:

• نوع مبرد

• دمای تبخیر

• فشار تبخیر

• دمای ورود منبع حرارتی

• دمای خروج منبع حرارتی

• دبی منبع حرارتی

• ظرفیت تبخیر

• افت فشار مجاز مبرد

• احتمال یخ‌زدگی

یکی از نکات مهم در اواپراتور، کنترل دمای خروجی سیال است.

اگر دمای خروجی بیش از حد کاهش پیدا کند، احتمال یخ‌زدگی افزایش می‌یابد.

این موضوع به‌خصوص در سیستم‌هایی که از آب خالص استفاده می‌کنند اهمیت بیشتری دارد.

در سیستم‌های سردسیر، استفاده از محلول آب و ضدیخ می‌تواند خطر یخ‌زدگی را کاهش دهد، اما خود ضدیخ نیز خواص متفاوتی نسبت به آب دارد.

افزایش غلظت ضدیخ می‌تواند باعث تغییر در:

• ویسکوزیته

• ظرفیت گرمایی ویژه

• چگالی

• افت فشار

• ضریب انتقال حرارت

شود.

بنابراین انتخاب مبدل باید بر اساس خود سیال واقعی انجام شود.

انتخاب مبدل صفحه ای لحیمی برای کندانسور؛ چه پارامترهایی اهمیت دارد؟

در کندانسور، مبرد معمولاً حرارت خود را به آب یا سیال ثانویه منتقل می‌کند.

پارامترهای اصلی عبارت‌اند از:

• ظرفیت گرمایشی

• دمای تقطیر

• دمای آب ورودی

• دمای آب خروجی

• نوع مبرد

• دبی آب

• افت فشار سمت مبرد

• افت فشار سمت آب

در این بخش، دمای خروجی آب اهمیت زیادی دارد.

هرچه دمای آب مورد نیاز بیشتر باشد، معمولاً دمای تقطیر مبرد نیز باید افزایش پیدا کند.

افزایش دمای تقطیر می‌تواند باعث افزایش نسبت تراکم کمپرسور شود.

در نتیجه، توان مصرفی کمپرسور افزایش پیدا می‌کند.

به همین دلیل، اگر مبدل صفحه‌ای لحیمی بتواند با اختلاف دمای مناسب حرارت را منتقل کند، می‌تواند به عملکرد بهتر سیکل کمک کند.

نمودار تصمیم گیری برای انتخاب مبدل صفحه ای لحیمی پمپ حرارتی

فرآیند انتخاب را می‌توان به شکل زیر خلاصه کرد:

این فرآیند از انتخاب‌های حدسی جلوگیری می‌کند.

ضریب اطمینان در انتخاب مبدل صفحه ای لحیمی

در بسیاری از پروژه‌های سرمایشی، ظرفیت مبدل دقیقاً برابر با بار حرارتی محاسبه‌شده انتخاب نمی‌شود. معمولاً یک ضریب اطمینان منطقی در نظر گرفته می‌شود تا مبدل در شرایط واقعی کارکرد سیستم، توانایی پاسخ‌گویی به تغییرات بار و نوسانات عملکرد را داشته باشد.

این موضوع در انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای سیستم های سرمایش اهمیت زیادی دارد؛ زیرا شرایط واقعی کارکرد، دمای محیط، دمای سیال، دبی و بار سرمایشی ممکن است با شرایط اولیه طراحی متفاوت باشد.یک ضریب اطمینان منطقی ممکن است در نظر گرفته شود.

اما افزایش بیش از حد ظرفیت نیز همیشه مناسب نیست.

اگر مبدل بیش از حد بزرگ انتخاب شود، ممکن است:

• هزینه اولیه افزایش یابد

• حجم مبرد افزایش پیدا کند

• سرعت جریان کاهش پیدا کند

• رفتار هیدرولیکی تغییر کند

• کنترل سیستم پیچیده‌تر شود

بنابراین ضریب اطمینان باید منطقی و متناسب با شرایط پروژه باشد.

هدف، ایجاد حاشیه ایمنی مهندسی است، نه انتخاب بزرگ‌ترین مبدل موجود.

چرا انتخاب مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی باید با شرایط واقعی انجام شود؟

دو سیستم با ظرفیت حرارتی یکسان ممکن است به دو مبدل متفاوت نیاز داشته باشند.

برای مثال:

سیستم اول:

• آب تمیز

• دمای ثابت

• فشار متوسط

• بدون رسوب قابل‌توجه

سیستم دوم:

• محلول آب و ضدیخ

• دمای پایین

• ویسکوزیته بالاتر

• احتمال رسوب و خوردگی

اگر هر دو سیستم تنها بر اساس ظرفیت حرارتی انتخاب شوند، ممکن است نتیجه طراحی صحیح نباشد.

به همین دلیل، ظرفیت حرارتی فقط نقطه شروع انتخاب است.

طراحی واقعی باید مجموعه‌ای از پارامترها را در کنار یکدیگر بررسی کند.

انتخاب متریال و بررسی سازگاری مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی با مبرد و سیال

انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی فقط با محاسبه ظرفیت حرارتی و افت فشار به پایان نمی‌رسد.

ممکن است یک مبدل از نظر ظرفیت انتقال حرارت کاملاً مناسب باشد، افت فشار قابل‌قبولی داشته باشد و حتی از نظر فشار کاری نیز با سیستم سازگار باشد؛ اما اگر متریال آن با سیال، مبرد یا شرایط شیمیایی مدار سازگاری نداشته باشد، عمر واقعی تجهیز می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی کاهش پیدا کند.

در بسیاری از خرابی‌های زودهنگام مبدل‌های حرارتی، مشکل از ظرفیت ناکافی نیست.

عامل اصلی می‌تواند یکی از موارد زیر باشد:

• خوردگی صفحات

• خوردگی ماده لحیم

• رسوب سخت

• رسوب نرم

• گرفتگی کانال‌ها

• کیفیت نامناسب آب

• غلظت نامناسب ضدیخ

• وجود کلراید

• ناسازگاری شیمیایی سیال

• انتخاب نادرست متریال

به همین دلیل، انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی باید از دو دیدگاه بررسی شود:

اگر یکی از این دو بخش نادیده گرفته شود، نتیجه نهایی طراحی می‌تواند با مشکل مواجه شود.

چرا متریال مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی اهمیت دارد؟

مبدل صفحه‌ای لحیمی معمولاً از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود:

1. صفحات انتقال حرارت

2. ماده لحیم برای اتصال صفحات

هر دو بخش باید با شرایط کاری سیستم سازگار باشند.

صفحات در تماس مستقیم با سیالات قرار دارند و ماده لحیم نیز در ساختار داخلی مبدل حضور دارد. بنابراین نمی‌توان تنها جنس صفحات را بررسی کرد و ماده لحیم را نادیده گرفت.

در یک مبدل صفحه‌ای بریز، عوامل زیر روی انتخاب متریال اثر می‌گذارند:

• نوع مبرد

• فشار کاری

• دمای کاری

• نوع سیال ثانویه

• pH

• میزان کلراید

• سختی آب

• مواد ضدخوردگی

• غلظت ضدیخ

• وجود اکسیژن محلول

• وجود ذرات معلق

به همین دلیل، یک مبدل صفحه‌ای لحیمی که در یک پروژه سال‌ها بدون مشکل کار می‌کند، ممکن است در پروژه‌ای دیگر با شرایط شیمیایی متفاوت، خیلی زود دچار خوردگی یا افت عملکرد شود.

بیشتر بخوانید: خوردگی در مبدل صفحه ای: چرا اتفاق می افتد و چطور جلوگیری کنیم؟

جنس صفحات مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی

در بسیاری از مبدل‌های صفحه‌ای لحیمی، صفحات از فولاد ضدزنگ ساخته می‌شوند.

فولاد ضدزنگ به دلیل ویژگی‌هایی مانند موارد زیر کاربرد گسترده‌ای دارد:

• مقاومت مناسب در برابر خوردگی

• قابلیت ساخت صفحات نازک

• استحکام مکانیکی

• انتقال حرارت مناسب

• سازگاری با بسیاری از سیالات

اما عبارت «فولاد ضدزنگ» به‌تنهایی اطلاعات کافی برای انتخاب مبدل نیست.

گرید متریال اهمیت زیادی دارد.

برای مثال، شرایط یک مدار آب معمولی با مدار دارای غلظت بالای کلراید یکسان نیست.

به همین دلیل، در پروژه‌هایی که احتمال خوردگی بالاست، باید نوع دقیق آلیاژ و شرایط شیمیایی سیال بررسی شود.

کلراید؛ یکی از مهم ترین عوامل خطر برای مبدل صفحه‌ای لحیمی

وجود یون کلراید در آب می‌تواند خطر خوردگی موضعی را در تجهیزات انتقال حرارت افزایش دهد. این موضوع در مبدل‌های حرارتی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا صفحات فلزی در بسیاری از طراحی‌ها ضخامت نسبتاً کمی دارند و کانال‌های داخلی نیز ممکن است باریک باشند.

خوردگی موضعی ممکن است در مراحل اولیه از نظر ظاهری بسیار محدود باشد، اما در صورت ادامه فرآیند خوردگی، می‌تواند به ایجاد سوراخ و در نهایت نشتی داخلی منجر شود. در چنین شرایطی، احتمال مخلوط شدن دو سیال با یکدیگر وجود دارد.

این مسئله در سیستم‌های پمپ حرارتی می‌تواند پیامدهای جدی داشته باشد. برای مثال، ورود مبرد به مدار آب یا ورود آب به مدار مبرد می‌تواند عملکرد کل سیستم را مختل کند و به سایر اجزای سیکل آسیب برساند.

به همین دلیل، بررسی غلظت کلراید و سایر عوامل خورنده باید بخشی از فرآیند انتخاب مبدل حرارتی باشد. این موضوع فقط به مبدل صفحه‌ای لحیمی  محدود نمی‌شود و در انتخاب مبدل حرارتی صفحه ای واشردار نیز باید نوع سیال، غلظت کلراید، دما، سرعت جریان و جنس صفحات به‌دقت بررسی شود.

در مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار، امکان باز کردن تجهیز و بررسی وضعیت صفحات می‌تواند به شناسایی زودهنگام خوردگی و آسیب‌های موضعی کمک کند؛ با این حال، انتخاب متریال مناسب و کنترل کیفیت سیال همچنان نقش اصلی را در کاهش خطر خوردگی ایفا می‌کند.

بنابراین، پیش از انتخاب مبدل صفحه‌ای برای پمپ حرارتی، باید شرایط واقعی سیال و میزان عوامل خورنده بررسی شود. انتخاب صحیح متریال و طراحی مناسب، چه در مبدل صفحه‌ای لحیمی و چه در مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار، بخش مهمی از افزایش قابلیت اطمینان و جلوگیری از نشتی داخلی سیستم است.

آیا فولاد ضدزنگ همیشه بهترین انتخاب است؟

خیر.

این یکی از تصورات اشتباه در انتخاب مبدل حرارتی است.

مقاومت خوردگی یک متریال به شرایط واقعی محیط بستگی دارد.

پارامترهایی مانند:

• دما

• pH

• کلراید

• اکسیژن

• سرعت جریان

• ترکیب شیمیایی سیال

می‌توانند رفتار متریال را تغییر دهند.

در برخی شرایط، متریالی که در آب معمولی عملکرد خوبی دارد، در آب دارای کلراید بالا ممکن است با خوردگی موضعی مواجه شود.

بنابراین انتخاب متریال باید بر اساس آنالیز واقعی سیال انجام شود.

در پروژه‌های حساس، بررسی دقیق متریال می‌تواند از هزینه‌های سنگین تعویض مبدل و توقف سیستم جلوگیری کند.

ماده لحیم در مبدل صفحه ای لحیمی چه نقشی دارد؟

در مبدل صفحه‌ای لحیمی، صفحات در نقاط مشخصی به یکدیگر متصل می‌شوند.

این اتصالات باید هم‌زمان چند وظیفه را انجام دهند:

• ایجاد اتصال مکانیکی

• حفظ جداسازی دو سیال

• تحمل فشار داخلی

• تحمل سیکل‌های حرارتی

• مقاومت در برابر شرایط شیمیایی

بنابراین ماده لحیم فقط یک ماده اتصال‌دهنده ساده نیست.

سازگاری آن با مبرد و سیال ثانویه اهمیت زیادی دارد.

در زمان انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی برای پمپ حرارتی، باید مشخص شود:

• ماده لحیم چیست؟

• با مبرد مورد استفاده سازگار است؟

• با آب یا محلول ضدیخ سازگار است؟

• در دمای کاری سیستم پایدار است؟

• در برابر مواد شیمیایی موجود در مدار مقاومت دارد؟

این پرسش‌ها به‌خصوص در سیستم‌هایی که با مواد شیمیایی خاص یا سیالات غیرمعمول کار می‌کنند، اهمیت بیشتری دارند.

بیشتر بخوانید: تفاوت رسوب سخت و نرم در مبدل صفحه ای و روش برخورد با هرکدام

سازگاری مبدل صفحه ای لحیمی با مبردهای مختلف

مبرد، یکی از مهم‌ترین عوامل انتخاب مبدل حرارتی است.

هر مبرد دارای ویژگی‌های متفاوتی است، از جمله:

• فشار کاری

• دمای اشباع

• چگالی

• ویسکوزیته

• گرمای نهان تبخیر

• خواص انتقال حرارت

این ویژگی‌ها مستقیماً روی طراحی مبدل اثر می‌گذارند.

برای مثال، دو مبرد ممکن است ظرفیت حرارتی مشابهی داشته باشند، اما به دلیل تفاوت در فشار کاری و دبی جرمی، به طراحی متفاوتی از مبدل نیاز داشته باشند.

به همین دلیل، نمی‌توان تنها با مقایسه ظرفیت نامی، یک مبدل را برای همه مبردها مناسب دانست.

مبدل صفحه ای لحیمی برای مبردهای مختلف

در سیستم‌های پمپ حرارتی ممکن است از مبردهای مختلفی استفاده شود.

برخی از مبردها فشار کاری نسبتاً بالایی دارند.

برخی دیگر به دلیل شرایط ترمودینامیکی خاص، نیازمند طراحی متفاوت کانال‌ها هستند.

در انتخاب مبدل باید حداقل این موارد بررسی شوند:

اگر فشار طراحی مبدل با فشار کاری سیکل سازگار نباشد، استفاده از آن مجاز نیست؛ حتی اگر از نظر ظرفیت حرارتی مناسب باشد.

بیشتر بخوانید: مبدل حرارتی صفحه ای بریز (لحیمی) چیست؟

ضدیخ و تأثیر آن بر انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی

در بسیاری از پمپ‌های حرارتی، به‌خصوص سیستم‌های هوا به آب و زمین‌گرمایی، استفاده از محلول ضدیخ ضروری است.

اما ضدیخ همان رفتار آب را ندارد.

افزودن ضدیخ می‌تواند باعث تغییر در موارد زیر شود:

• ظرفیت گرمایی ویژه

• ویسکوزیته

• چگالی

• هدایت حرارتی

• افت فشار

در نتیجه، اگر یک مبدل بر اساس آب خالص انتخاب شده باشد، ممکن است پس از استفاده از محلول ضدیخ، شرایط واقعی آن تغییر کند.

برای مثال، افزایش ویسکوزیته باعث افزایش مقاومت جریان می‌شود.

در نتیجه، افت فشار افزایش پیدا می‌کند.

از طرف دیگر، ظرفیت گرمایی محلول ضدیخ ممکن است از آب کمتر باشد.

بنابراین برای انتقال همان مقدار حرارت، ممکن است به دبی بیشتری نیاز باشد.

محاسبه ظرفیت حرارتی محلول ضدیخ

برای محلول‌های آب و ضدیخ، رابطه کلی ظرفیت حرارتی به شکل زیر است:

نام فرمول: ظرفیت حرارتی محلول ضدیخ

Q = m × Cp,mix × ΔT

در این رابطه:

• Q ظرفیت انتقال حرارت است.

• m دبی جرمی محلول است.

• Cp,mix ظرفیت گرمایی ویژه محلول است.

• ΔT اختلاف دمای ورودی و خروجی است.

مقدار Cp,mix باید بر اساس نوع و غلظت واقعی ضدیخ به دست آید.

استفاده از مقدار ظرفیت گرمایی آب به‌جای مقدار واقعی محلول ضدیخ می‌تواند باعث خطا در محاسبه دبی و ظرفیت مبدل شود.

آیا استفاده از ضدیخ همیشه باعث بهبود عملکرد پمپ حرارتی می‌شود؟

خیر.

ضدیخ از یخ‌زدگی جلوگیری می‌کند، اما ممکن است برخی ویژگی‌های حرارتی و هیدرولیکی سیستم را تغییر دهد.

به همین دلیل، استفاده از ضدیخ باید با توجه به شرایط واقعی سیستم انجام شود.

غلظت بیش از حد ضدیخ ممکن است:

• ویسکوزیته را افزایش دهد

• افت فشار را بالا ببرد

• انتقال حرارت را کاهش دهد

• توان مصرفی پمپ را افزایش دهد

از طرف دیگر، غلظت کم ممکن است حفاظت کافی در برابر یخ‌زدگی ایجاد نکند.

بنابراین انتخاب غلظت باید بر اساس پایین‌ترین دمای مورد انتظار سیستم انجام شود.

رسوب در مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی

رسوب یکی از مهم‌ترین عواملی است که می‌تواند عملکرد مبدل را کاهش دهد.

رسوب باعث ایجاد یک لایه اضافی روی سطح انتقال حرارت می‌شود.

این لایه مانند یک مقاومت حرارتی عمل می‌کند.

در نتیجه، برای انتقال همان مقدار حرارت، اختلاف دمای بیشتری لازم خواهد بود.

به‌صورت ساده:

در مبدل صفحه‌ای لحیمی، این موضوع اهمیت بیشتری دارد، زیرا کانال‌ها معمولاً باریک هستند.

رسوب می‌تواند هم‌زمان باعث:

• کاهش سطح مؤثر انتقال حرارت

• کاهش سطح عبور جریان

• افزایش افت فشار

• کاهش ظرفیت مبدل

شود.

انواع رسوب در مبدل صفحه ای لحیمی پمپ حرارتی

رسوب همیشه یک شکل ندارد.

مهم‌ترین انواع آن عبارت‌اند از:

رسوب کربنات کلسیم

این نوع رسوب معمولاً در آب‌های سخت ایجاد می‌شود.

رسوب سولفات کلسیم

این رسوب معمولاً متراکم‌تر و مقاوم‌تر از بسیاری از رسوبات کربناتی است.

رسوب اکسید آهن

در مدارهایی که خوردگی وجود دارد، ذرات اکسید آهن می‌توانند در مبدل تجمع پیدا کنند.

رسوب نرم

این رسوب ممکن است از مواد آلی، ذرات معلق و ترکیبات مختلف تشکیل شود.

بیوفیلم

در برخی مدارهای آبی، رشد میکروارگانیسم‌ها می‌تواند باعث ایجاد لایه‌های چسبنده روی سطح انتقال حرارت شود.

مقاومت رسوب و کاهش عملکرد مبدل

برای بیان اثر رسوب می‌توان از مفهوم مقاومت حرارتی رسوب استفاده کرد:

نام فرمول: مقاومت حرارتی رسوب

Rf = δ / k
در این رابطه:

• Rf مقاومت حرارتی رسوب است.

• δ ضخامت لایه رسوب است.

• k ضریب هدایت حرارتی رسوب است.

هرچه ضخامت رسوب بیشتر شود، مقاومت حرارتی افزایش پیدا می‌کند.

همچنین رسوبی که هدایت حرارتی پایینی دارد، می‌تواند اثر حرارتی بیشتری ایجاد کند.

به همین دلیل، حتی یک لایه نسبتاً نازک از برخی رسوبات می‌تواند عملکرد مبدل را کاهش دهد.

رابطه رسوب با مصرف انرژی پمپ حرارتی

رسوب فقط ظرفیت مبدل را کاهش نمی‌دهد.

این پدیده می‌تواند مصرف انرژی سیستم را نیز افزایش دهد.

وقتی انتقال حرارت کاهش پیدا می‌کند، سیستم ممکن است برای رسیدن به دمای مورد نظر به شرایط کاری شدیدتری نیاز پیدا کند.

در یک کندانسور، این موضوع می‌تواند باعث افزایش دمای تقطیر شود.

در یک اواپراتور، ممکن است دمای تبخیر کاهش پیدا کند.

هر دو حالت می‌توانند باعث افزایش فشار کاری کمپرسور و کاهش COP شوند.

به‌صورت ساده:

بنابراین کنترل رسوب بخشی از مدیریت انرژی پمپ حرارتی است.

کیفیت آب و انتخاب مبدل صفحه ای لحیمی

کیفیت آب یکی از مهم‌ترین اطلاعاتی است که باید پیش از انتخاب مبدل مشخص شود.

برخی پارامترهای مهم عبارت‌اند از:

• pH

• سختی کل

• کلراید

• سولفات

• هدایت الکتریکی

• مواد معلق

• آهن

• منگنز

• اکسیژن محلول

بدون دانستن این اطلاعات، انتخاب متریال و حتی برنامه نگهداری مبدل می‌تواند با عدم قطعیت همراه باشد. برای مثال، آبی با غلظت بالای کلراید ممکن است به انتخاب متریال مقاوم‌تر در برابر خوردگی نیاز داشته باشد، در حالی که سختی بالا می‌تواند خطر تشکیل رسوب را افزایش دهد.

در پروژه‌های صنعتی، زمین‌گرمایی و سیستم  های سرمایش و گرمایش، آنالیز آب باید پیش از انتخاب نهایی مبدل بررسی شود. اکسرلند با بررسی شرایط واقعی پروژه، نوع سیال و پارامترهای عملکردی سیستم، می‌تواند انتخاب مبدل صفحه‌ای لحیمی را بر اساس نیاز واقعی کاربرد انجام دهد؛ نه صرفاً بر اساس ظرفیت اسمی یا اطلاعات عمومی کاتالوگ.

به همین دلیل، ارائه آنالیز آب و اطلاعات دقیق درباره شرایط کاری سیستم، یکی از مراحل مهم در انتخاب صحیح مبدل حرارتی است. این اطلاعات به انتخاب مناسب‌تر متریال، کاهش ریسک رسوب و خوردگی و طراحی برنامه نگهداری مؤثرتر کمک می‌کند.

نمودار تصمیم گیری برای سازگاری شیمیایی مبدل

فرآیند بررسی را می‌توان به شکل زیر خلاصه کرد:

این فرآیند می‌تواند از بسیاری از خرابی‌های زودهنگام جلوگیری کند.

نشانه های خوردگی مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی

خوردگی همیشه با نشتی شدید شروع نمی‌شود.

در بسیاری از موارد، نشانه‌های اولیه می‌توانند شامل موارد زیر باشند:

• کاهش تدریجی ظرفیت حرارتی

• تغییر غیرعادی افت فشار

• افزایش دمای کاری

• افت فشار مبرد

• کاهش COP

• وجود ذرات غیرعادی در مدار

• تغییر رنگ سیال

• کاهش فشار مدار

• نشتی داخلی

یکی از خطرناک‌ترین حالت‌ها، نشتی داخلی در مبدل حرارتی چیلر است. در این شرایط ممکن است هیچ نشتی خارجی قابل مشاهده‌ای وجود نداشته باشد، اما به دلیل آسیب به صفحات، نقاط لحیم یا ایجاد خوردگی موضعی، دو سیال در داخل مبدل با یکدیگر ارتباط پیدا کنند.

برای مثال، ورود آب به مدار مبرد می‌تواند به کمپرسور، شیر انبساط و سایر اجزای سیکل تبرید آسیب جدی وارد کند. از طرف دیگر، ورود مبرد به مدار آب نیز می‌تواند باعث تغییر شرایط کاری سیستم و کاهش عملکرد مبدل حرارتی چیلر شود.

به همین دلیل، کاهش ظرفیت حرارتی، تغییر غیرعادی فشارها، افت COP یا تغییرات غیرمعمول در دما و کیفیت سیال نباید نادیده گرفته شود. بررسی به‌موقع این نشانه‌ها می‌تواند از گسترش خوردگی و آسیب جدی به مبدل صفحه‌ای لحیمی و سایر اجزای سیستم چیلر جلوگیری کند.

چگونه رسوب و خوردگی مبدل صفحه ای لحیمی را کاهش دهیم؟

پیشگیری معمولاً بهتر از تعمیر است.

برای کاهش خطر رسوب و خوردگی می‌توان از مجموعه‌ای از اقدامات استفاده کرد:

• فیلتراسیون مناسب

• کنترل کیفیت آب

• کنترل pH

• کنترل کلراید

• استفاده از ضدیخ مناسب

• جلوگیری از ورود ذرات معلق

• کنترل سرعت جریان

• شست‌وشوی شیمیایی در زمان مناسب

• پایش افت فشار

• ثبت دماهای ورودی و خروجی

در این میان، سازنده مبدل حرارتی نقش مهمی در انتخاب متریال، طراحی کانال‌های جریان، تعیین محدوده عملکرد و ارائه دستورالعمل‌های مناسب برای بهره‌برداری و شست‌وشوی مبدل دارد. بنابراین انتخاب مبدل صرفاً بر اساس ظرفیت حرارتی یا قیمت اولیه، نمی‌تواند تضمین‌کننده عملکرد پایدار تجهیز باشد.

هیچ‌کدام از این اقدامات به‌تنهایی برای همه پروژه‌ها کافی نیست. برنامه نگهداری و کنترل رسوب و خوردگی باید بر اساس نوع سیال، کیفیت آب، دما و فشار کاری، ظرفیت سیستم و شرایط واقعی پروژه طراحی شود. انتخاب صحیح مبدل از ابتدا و همکاری با یک سازنده مبدل حرارتی باتجربه می‌تواند نقش مهمی در افزایش طول عمر و حفظ راندمان مبدل صفحه‌ای لحیمی داشته باشد.

شست و شوی مبدل صفحه ای لحیمی پمپ حرارتی

مبدل صفحه‌ای لحیمی برخلاف مبدل گسکت‌دار، برای باز شدن و جداسازی صفحات طراحی نشده است.

به همین دلیل، شست‌وشوی شیمیایی در بسیاری از موارد روش اصلی تمیزکاری آن است.

اما انتخاب ماده شیمیایی باید با دقت انجام شود.

ماده شوینده باید با موارد زیر سازگار باشد:

• جنس صفحات

• ماده لحیم

• نوع رسوب

• دمای شست‌وشو

• زمان تماس

استفاده از ماده شیمیایی نامناسب می‌تواند باعث آسیب به صفحات یا اتصالات داخلی شود.

بنابراین تمیزکاری مبدل باید بر اساس نوع رسوب انجام شود.

یک ماده مناسب برای رسوب کربناتی الزاماً برای رسوب سولفاتی یا آلودگی آلی بهترین گزینه نیست.

آیا مبدل صفحه ای لحیمی برای سیالات آلوده مناسب است؟

به‌صورت کلی، هرچه سیال دارای ذرات معلق و مواد رسوب‌زا بیشتری باشد، استفاده از مبدل صفحه‌ای لحیمی نیازمند کنترل بیشتری است.

کانال‌های باریک این مبدل می‌توانند در برابر ذرات بزرگ حساس باشند.

در چنین شرایطی باید موارد زیر بررسی شوند:

• نصب فیلتر

• اندازه ذرات

• دبی واقعی

• سرعت جریان

• امکان شست‌وشو

• نوع آلودگی

اگر سیال بسیار آلوده باشد و امکان فیلتراسیون مناسب وجود نداشته باشد، ممکن است نوع دیگری از مبدل حرارتی گزینه مناسب‌تری باشد.

انتخاب تجهیز باید با کیفیت واقعی سیال هماهنگ باشد.

بیشتر بخوانید: چرا مبدل های بریز قابل باز شدن نیستند؟

مقایسه عوامل شیمیایی مؤثر بر عمر مبدل

این جدول یک راهنمای اولیه است و جایگزین آنالیز دقیق سیال نمی‌شود.

چه زمانی مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی انتخاب مناسبی نیست؟

مبدل صفحه‌ای لحیمی در بسیاری از سیستم‌ها انتخاب بسیار خوبی است، اما برای همه شرایط بهترین گزینه نیست.

ممکن است استفاده از آن مناسب نباشد اگر:

• سیال مقدار زیادی ذرات معلق داشته باشد

• رسوب‌گذاری بسیار شدید باشد

• امکان فیلتراسیون وجود نداشته باشد

• نیاز به باز کردن مکرر مبدل وجود داشته باشد

• ظرفیت سیستم بسیار بزرگ باشد و طراحی دیگری اقتصادی‌تر باشد

• شرایط خوردگی از محدوده متریال مبدل خارج باشد

این موضوع در سیستم های چیلر تراکمی و پمپ حرارتی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا گرفتگی یا کاهش سطح انتقال حرارت در مبدل می‌تواند باعث افت راندمان، افزایش افت فشار و افزایش مصرف انرژی کمپرسور شود.

در چنین شرایطی، گزینه‌هایی مانند مبدل حرارتی صفحه‌ای گسکت‌دار یا سایر طراحی‌های قابل باز شدن و قابل شست‌وشو باید بررسی شوند. انتخاب نهایی باید بر اساس نوع سیال، ظرفیت حرارتی، فشار و دمای کاری، میزان رسوب‌گذاری، الزامات تعمیر و نگهداری و شرایط واقعی پروژه انجام شود.

هدف، انتخاب مبدل مناسب برای عملکرد پایدار سیستم چیلر یا پمپ حرارتی است؛ نه انتخاب یک نوع مبدل برای همه پروژه‌ها.

سوالات متداول درباره مبدل صفحه ای لحیمی برای پمپ حرارتی FAQ