متریال مبدل حرارتی صفحه ای بریز؛ انتخاب استیل، مس و نیکل

وقتی درباره مبدل حرارتی صفحه ای بریز یا همان BPHE صحبت می کنیم معمولا اولین چیزی که دیده می شود شکل کوچک و جمع و جور دستگاه است. ولی در طراحی واقعی این تجهیز چیزی که بیشتر اهمیت دارد داخل آن است. یعنی جنس صفحات، جنس ماده لحیم و شرایطی که قرار است مبدل در آن کار کند.

در یک پروژه صنعتی نمی شود فقط گفت این مبدل از استیل ساخته شده پس برای هر سیالی مناسب است. نوع سیال، دما، فشار، ترکیب شیمیایی، احتمال خوردگی و حتی کیفیت آب روی انتخاب متریال اثر دارد.

برای همین اگر قرار باشد یک BPHE درست انتخاب شود باید از همان اول متریال آن در کنار ظرفیت حرارتی و شرایط کاری بررسی شود.

اگر بخواهید ابتدا با خانواده تجهیزات انتقال حرارت آشنا شوید می توانید دسته بندی مبدل های حرارتی را بررسی کنید.

ساختار مبدل حرارتی صفحه ای بریز

BPHE از تعداد زیادی صفحه فلزی نازک و موج دار تشکیل می شود. صفحات روی هم قرار می گیرند و در محل های تماس توسط فرآیند Brazing به هم متصل می شوند.

در این ساختمان معمولا دو بخش متریالی خیلی مهم داریم. یکی خود صفحات انتقال حرارت و دیگری ماده ای که صفحات را به هم متصل می کند.

صفحه باید هم انتقال حرارت خوبی داشته باشد و هم در مقابل فشار و خوردگی مقاومت کافی داشته باشد. ماده لحیم هم باید بتواند اتصال دائمی و مطمئن ایجاد کند.

پس وقتی گفته می شود مبدل حرارتی صفحه ای بریز از استیل ساخته شده است این توضیح کامل نیست. باید بدانیم چه گریدی از استیل استفاده شده و عملیات Brazing با چه ماده ای انجام شده است.

برای شناخت دقیق تر خود تجهیز می توانید مقاله مبدل حرارتی صفحه ای بریز چیست را هم بخوانید.

جنس صفحات BPHE چیست؟

در بیشتر BPHE های صنعتی از فولاد زنگ نزن استفاده می شود. گریدهای 304 و 316 و در بعضی کاربردها 316L جز گزینه های شناخته شده هستند.

استنلس استیل انتخاب خوبی برای صفحات است چون هم مقاومت خوردگی قابل قبولی دارد و هم امکان ساخت صفحات نازک و مقاوم را فراهم می کند.

ولی تفاوت بین 304 و 316 فقط یک عدد در کاتالوگ نیست.

وقتی سیال حاوی کلراید باشد یا محیط از نظر خوردگی شرایط سخت تری داشته باشد انتخاب 316 یا 316L می تواند منطقی تر باشد. البته این هم به این معنی نیست که 316 برای هر سیال خورنده بدون بررسی قابل استفاده است. ترکیب واقعی سیال باید بررسی شود.

این موضوع در انتخاب سایر مبدل ها هم مهم است و در مقاله متریال مبدل حرارتی جزئیات بیشتری درباره تاثیر جنس فلز بر طراحی و دوام تجهیزات مطرح شده است.

مس در BPHE چه کاری انجام می دهد؟

در BPHE های مس بریز ماده اصلی صفحات نیست. مس بیشتر به عنوان ماده Brazing استفاده می شود.

صفحات استیل به تنهایی کنار هم قرار نمی گیرند و اتصال آنها باید در تمام نقاط مورد نیاز به صورت دائمی ایجاد شود. در فرآیند Brazing ماده لحیم در دمای مناسب ذوب می شود و بین صفحات نفوذ می کند. بعد از سرد شدن اتصال مکانیکی محکمی شکل می گیرد.

مس از نظر هدایت حرارتی هم عملکرد خوبی دارد و همین موضوع باعث شده استفاده از آن در بسیاری از BPHE ها رایج باشد.

اما اینجا یک نکته کارگاهی مهم وجود دارد.

اینکه مس هدایت حرارتی بالایی دارد به این معنی نیست که هرجا مس بریز استفاده شود. اگر سیال یا محیط کاری با مس سازگار نباشد مسئله خوردگی می تواند عمر مبدل را کم کند.

بنابراین انتخاب ماده لحیم باید همراه با بررسی سیال انجام شود.

نیکل بریز چه زمانی مطرح می شود؟

در شرایطی که استفاده از مس محدودیت داشته باشد می توان سراغ نیکل بریز رفت.

نیکل از نظر مقاومت در محیط های خاص شیمیایی گزینه مهمی است. مخصوصا جایی که شرایط سیال یا دمای کاری باعث شود انتخاب مس ریسک بیشتری داشته باشد.

در عمل نیکل بریز معمولا ارزان ترین گزینه نیست. بنابراین استفاده از آن باید بر اساس نیاز واقعی پروژه باشد نه اینکه صرفا چون گران تر است پس حتما بهتر است.

این همان جایی است که تفاوت طراحی مهندسی با انتخاب از روی کاتالوگ مشخص می شود.

اگر مشخصات پروژه اجازه بدهد مس می تواند کاملا جواب بدهد. اگر شرایط کاری سخت باشد ممکن است نیکل انتخاب منطقی تری باشد.

مقایسه متریال های اصلی BPHE

این جدول را نباید به عنوان یک قانون ثابت برای همه پروژه ها در نظر گرفت. متریال نهایی باید با توجه به سیال و شرایط واقعی کار انتخاب شود.

آیا جنس صفحه مستقیما راندمان را تعیین می کند؟

نه.

این یکی از اشتباهاتی است که گاهی در توضیح مبدل حرارتی دیده می شود.

ضریب انتقال حرارت کلی فقط به جنس صفحه وابسته نیست. ضخامت صفحه، هندسه شیارها، سرعت جریان، خواص سیال، رسوب و سطح انتقال حرارت هم اثر دارند.

به صورت ساده می توان ظرفیت انتقال حرارت را با رابطه زیر بررسی کرد:

Q = U × A × ΔTlm

در این رابطه U ضریب کلی انتقال حرارت است و فقط یکی از عوامل موثر در آن جنس فلز است.

اگر بهترین استیل را هم استفاده کنیم ولی جریان در کانال ها درست توزیع نشود یا رسوب شدید ایجاد شود عملکرد واقعی مبدل افت خواهد کرد.

به همین دلیل در انتخاب تجهیز باید مجموعه پارامترها کنار هم دیده شوند.

ضخامت صفحه در بریز چه تاثیری دارد؟

صفحه نازک معمولا مقاومت حرارتی کمتری ایجاد می کند و برای انتقال حرارت مناسب است. از طرف دیگر صفحه نباید آنقدر نازک انتخاب شود که مقاومت مکانیکی مورد نیاز پروژه را تامین نکند.

در طراحی واقعی همیشه یک نقطه تعادل وجود دارد.

اگر فشار کاری بالا باشد ضخامت و استحکام اهمیت بیشتری پیدا می کند. اگر پروژه روی انتقال حرارت بالا و ابعاد کوچک تمرکز داشته باشد طراحی سطح انتقال حرارت و هندسه صفحات اهمیت بیشتری پیدا می کند.

پس نمی شود گفت صفحه نازک همیشه بهتر است.

خوردگی چرا برای BPHE مهم است؟

یکی از دلایلی که انتخاب متریال در BPHE اهمیت زیادی دارد خوردگی است.

خوردگی فقط ظاهر فلز را خراب نمی کند. در طول زمان می تواند ضخامت موثر صفحه را کم کند و در موارد شدیدتر باعث نشتی شود.

از طرف دیگر محصولات خوردگی و تغییر وضعیت سطح می توانند شرایط انتقال حرارت را هم تغییر دهند.

برای همین اگر سیال دارای کلراید یا مواد خورنده باشد باید جنس صفحه و ماده Brazing با دقت بیشتری انتخاب شود.

در سایت شما مقاله تخصصی خوردگی مبدل حرارتی صفحه ای برای همین موضوع وجود دارد و اینجا بهتر است خواننده به آن هدایت شود.

یک نکته مهم درباره انتخاب BPHE

در کارگاه وقتی کسی می گوید «یک مبدل صفحه ای برای این سیستم می خواهم» هنوز اطلاعات کافی برای انتخاب وجود ندارد.

حداقل باید دبی دو طرف، دمای ورود و خروج، فشار کاری، نوع سیال و محدودیت افت فشار مشخص باشد.

بعد از آن جنس صفحات و ماده Brazing انتخاب می شود.برای پروژه هایی که قرار است مبدل خریداری شود چک لیست انتخاب مبدل حرارتی صفحه ای کمک می کند مشخصات مورد نیاز قبل از استعلام کامل شود.

در نهایت اگر تمام این اطلاعات مشخص باشد می توان سراغ مبدل حرارتی صفحه ای بریز مناسب رفت و ظرفیت و ساختار آن را بر اساس شرایط واقعی پروژه بررسی کرد.

انتخاب متریال BPHE فقط بر اساس جنس فلز نیست

در پروژه واقعی انتخاب متریال مبدل حرارتی صفحه ای از یک سوال ساده شروع نمی شود که «استیل بهتر است یا مس؟»

اول باید دید سیال چیست و مبدل دقیقا قرار است چه کاری انجام دهد.

مثلا یک BPHE که برای مدار آب سرد یک سیستم تهویه استفاده می شود شرایطی کاملا متفاوت با مبدلی دارد که در یک فرآیند شیمیایی با سیال خورنده کار می کند.

حتی کیفیت آب هم مهم است. مقدار کلراید، سختی، ذرات معلق و شرایط شیمیایی می تواند روی عمر مبدل اثر بگذارد.

به همین خاطر در انتخاب متریال بهتر است این چهار مورد از اول مشخص باشند:

دما، فشار، دبی و ترکیب سیال.

بعد از آن می شود درباره جنس صفحه و ماده Brazing تصمیم گرفت.

پارامترهای مهم در انتخاب متریال مبدل حرارتی صفحه ای بریز»

چه زمانی SS304 انتخاب منطقی است؟

SS304 برای بسیاری از کاربردهای عمومی انتخاب اقتصادی و قابل قبولی است.

در مدارهای آب و بعضی سیستم های HVAC که شرایط خوردگی شدید ندارند می تواند گزینه مناسبی باشد.

مزیت مهم آن هزینه پایین تر نسبت به گریدهای مقاوم تر است.

ولی اگر سیال یا محیط دارای شرایط خورنده باشد نباید فقط به دلیل قیمت پایین تر سراغ 304 رفت.

هزینه واقعی مبدل فقط قیمت خرید نیست.

اگر تجهیز زودتر از انتظار دچار خوردگی یا نشتی شود هزینه توقف سیستم و تعمیرات ممکن است چند برابر اختلاف قیمت اولیه باشد.

چه زمانی SS316 یا 316L منطقی تر است؟

در محیط هایی که احتمال خوردگی بیشتر است معمولا 316 یا 316L بیشتر مورد بررسی قرار می گیرد.

وجود کلراید یکی از مواردی است که باید جدی گرفته شود.

در صنایع غذایی و دارویی نیز جنس سطح در تماس با سیال اهمیت زیادی دارد و انتخاب متریال باید با الزامات فرآیند هماهنگ باشد.

البته اینجا هم نباید یک نسخه ثابت برای همه پروژه ها نوشت.

اگر سیال و شرایط کاری مشخص نباشد نمی توان فقط با گفتن «316 بهتر است» انتخاب را تمام شده دانست.

طراحی مبدل یک مسئله چند پارامتری است.

مس بریز بهتر است یا نیکل بریز؟

این سوال را زیاد می شود در مرحله خرید دید.

جواب ساده این است که بستگی به سرویس دارد.

مس از نظر انتقال حرارت و هزینه گزینه بسیار خوبی است و در بسیاری از BPHE ها استفاده می شود.

اما در برخی سرویس های خاص که سازگاری شیمیایی مس مسئله ایجاد می کند نیکل می تواند گزینه مناسب تری باشد.

در نتیجه اگر تامین کننده فقط قیمت دو مدل را مقایسه کند ولی نوع سیال را نپرسد کار مهندسی کامل انجام نشده است.

ماده Brazing باید همراه با جنس صفحات و سیال بررسی شود.

تاثیر رسوب بر انتخاب متریال

گاهی افت عملکرد مبدل را به اشتباه فقط به جنس صفحه نسبت می دهند.

در حالی که رسوب می تواند یکی از عوامل اصلی کاهش انتقال حرارت باشد.

وقتی روی سطح صفحه لایه رسوب ایجاد می شود یک مقاومت حرارتی اضافه وارد مسیر انتقال حرارت می شود.

یعنی حتی اگر خود صفحه از متریال خوبی ساخته شده باشد انتقال حرارت واقعی کاهش پیدا می کند.

در مبدل های صفحه ای این موضوع به دلیل کانال های باریک اهمیت بیشتری دارد.

اگر پروژه با آب سخت یا سیالی که پتانسیل رسوب بالایی دارد کار می کند باید موضوع کیفیت سیال و روش کنترل رسوب از مرحله طراحی بررسی شود.

برای این بخش مقاله رسوب سخت و نرم در مبدل حرارتی صفحه ای می تواند به عنوان محتوای تخصصی مکمل استفاده شود.

خوردگی و رسوب در مبدل صفحه ای لحیمی یکی نیستند

این دو مورد گاهی با هم اشتباه گرفته می شوند.

رسوب یعنی تشکیل یک لایه روی سطح انتقال حرارت.

خوردگی یعنی واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی که باعث تخریب خود ماده می شود.

هر دو می توانند باعث کاهش عملکرد شوند ولی راه حلشان یکی نیست.

در یک سیستم ممکن است رسوب عامل اصلی افت عملکرد باشد و در سیستم دیگر مشکل اصلی خوردگی باشد.

برای همین قبل از اینکه متریال مبدل عوض شود باید علت واقعی افت عملکرد مشخص شود.

چرا BPHE در بعضی پروژه ها انتخاب خوبی است؟

مبدل صفحه ای بریز در شرایط مناسب چند مزیت مهم دارد.

ابعاد آن نسبت به بسیاری از مبدل های سنتی کوچک است. سطح انتقال حرارت زیادی در حجم کم ایجاد می کند و به دلیل وجود صفحات موج دار می تواند انتقال حرارت خوبی ایجاد کند.

این موضوع باعث شده BPHE در مدارهای تبرید و HVAC و بعضی فرآیندهای صنعتی کاربرد زیادی داشته باشد.

اما کوچک بودن تجهیز به معنی این نیست که انتخاب آن ساده است.

اتفاقا چون کانال های جریان کوچک هستند افت فشار و کیفیت سیال باید با دقت بیشتری بررسی شود.

در بعضی پروژه ها مبدل صفحه ای واشردار گزینه مناسب تری است. مخصوصا جایی که باز کردن مبدل برای سرویس دوره ای اهمیت دارد.

برای همین مقایسه مبدل صفحه ای واشردار و بریز قبل از خرید می تواند مفید باشد.

تفاوت BPHE با مبدل صفحه ای واشردار

در BPHE صفحات با Brazing به صورت دائمی به هم متصل شده اند.

در نوع مبدل صفحه ای واشردار صفحات توسط واشر و فریم در کنار هم نگه داشته می شوند.

این تفاوت روی تعمیرات و سرویس تاثیر زیادی دارد.

مبدل واشردار را می توان برای بازرسی و شستشو باز کرد. ولی BPHE معمولی چنین امکانی را به شکل متداول ندارد.

پس اگر پروژه سیالی دارد که احتمال گرفتگی شدید در آن زیاد است باید این موضوع از مرحله انتخاب دیده شود.

در بعضی پروژه ها قیمت اولیه پایین تر یک گزینه ممکن است در بلندمدت تصمیم اقتصادی بهتری نباشد.

ارتباط متریال با قیمت مبدل

قیمت BPHE به یک پارامتر وابسته نیست.

جنس صفحات، نوع Brazing، تعداد صفحات، ابعاد، ظرفیت حرارتی، فشار کاری و نوع اتصالات روی قیمت اثر دارند.

به همین دلیل گفتن «قیمت مبدل صفحه ای چقدر است؟» بدون مشخصات فنی جواب دقیقی ندارد.

برای خرید صنعتی بهتر است ابتدا مشخصات سرویس نوشته شود و بعد از چند سازنده یا تامین کننده استعلام گرفته شود.

در این شرایط صفحه ی قیمت و خرید مبدل حرارتی صفحه ای می تواند مسیر جستجوی تجاری کاربر را کامل کند.

برای استعلام قیمت BPHE چه اطلاعاتی لازم است؟

اگر بخواهیم از دید کارگاهی نگاه کنیم برای استعلام یک BPHE حداقل این اطلاعات لازم است:

نوع سیال سمت گرم و سرد

دبی هر طرف

دمای ورود و خروج

فشار کاری

حداکثر افت فشار قابل قبول

جنس متریال مورد نیاز در صورت مشخص بودن

نوع اتصال

و کاربرد تجهیز

اگر مثلا فقط گفته شود «یک مبدل 50 کیلووات می خواهم» هنوز برای انتخاب کافی نیست.

دو مبدل با ظرفیت حرارتی مشابه می توانند از نظر افت فشار و جنس و تعداد صفحات کاملا متفاوت باشند.

پس ظرفیت حرارتی فقط شروع کار است.

اطلاعات فنی مورد نیاز برای استعلام مبدل حرارتی صفحه ای بریز

نقش سازنده در انتخاب متریال BPHE

اینجا تفاوت بین فروش صرف و طراحی مهندسی مشخص می شود.

سازنده یا تیم فنی باید قبل از پیشنهاد تجهیز بفهمد مبدل در چه فرآیندی استفاده می شود.

اگر سیال خورنده باشد انتخاب متریال باید بررسی شود.

اگر افت فشار محدود باشد هندسه صفحات و تعداد آنها اهمیت پیدا می کند.

اگر فضا کم باشد ابعاد و سطح انتقال حرارت اهمیت بیشتری پیدا می کند.

به همین دلیل برای پروژه های صنعتی بهتر است به جای انتخاب صرفا بر اساس یک کد محصول از سازنده ای استفاده شود که امکان بررسی شرایط واقعی سرویس را داشته باشد.

برای شناخت این رویکرد می توانید مقاله فناوری مدرن ساخت و طراحی مبدل های حرارتی صنعتی را هم در ادامه مطالعه کنید.

یک اشتباه رایج در خرید BPHE

یکی از اشتباهات رایج این است که دو مبدل فقط بر اساس قیمت با هم مقایسه شوند.

مثلا یکی ارزان تر است و دیگری گران تر.

ولی اگر یکی SS304 با مس بریز باشد و دیگری SS316 با نیکل بریز مقایسه مستقیم قیمت خیلی معنی ندارد.

باید دید هر کدام برای چه سیالی و چه شرایطی پیشنهاد شده اند.

مبدل ارزان تر اگر برای شرایط واقعی مناسب نباشد در نهایت انتخاب ارزان تری نیست.

آیا همیشه نیکل انتخاب بهتری است؟

نه.

نیکل زمانی ارزش دارد که شرایط کاری واقعا استفاده از آن را توجیه کند.

اگر سرویس با مس کاملا سازگار باشد استفاده از نیکل فقط به خاطر اینکه گران تر است لزوما تصمیم مهندسی خوبی نیست.

از طرف دیگر اگر سرویس واقعا برای مس مناسب نباشد استفاده از مس صرفا برای پایین آوردن قیمت خرید می تواند هزینه بیشتری در آینده ایجاد کند.

اصل کار این است که متریال را بر اساس سرویس انتخاب کنیم نه بر اساس اسم یا قیمت آن.

برای انتخاب مبدل حرارتی صفحه ای بریز ابتدا باید شرایط فرآیند مشخص شود.

دبی، دما، فشار، نوع سیال، کیفیت سیال و افت فشار مجاز اطلاعات پایه هستند.

بعد از آن می توان جنس صفحات را انتخاب کرد.

SS304 برای بسیاری از سرویس های عمومی مناسب است. SS316 و 316L در شرایط خورنده تر بیشتر مورد بررسی قرار می گیرند. برای Brazing نیز مس در بسیاری از کاربردها گزینه رایج است و نیکل در سرویس های خاص می تواند انتخاب مناسب تری باشد.

ولی هیچ کدام را نمی شود بدون شناخت سرویس به عنوان بهترین گزینه معرفی کرد.

اگر هدف خرید یک BPHE برای پروژه صنعتی است بهتر است انتخاب از روی ظرفیت اسمی یا قیمت تنها انجام نشود. مشخصات واقعی فرآیند را باید به سازنده یا تیم مهندسی بدهید تا مبدل بر اساس همان شرایط بررسی شود.

این روش هم از نظر فنی مطمئن تر است و هم جلوی هزینه های بعدی ناشی از افت راندمان، خوردگی، رسوب یا انتخاب اشتباه را می گیرد.

FAQ تخصصی مبدل حرارتی صفحه‌ای BPHE