تاریخچه مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی صفحه ای واشردار یکی از مهم ترین نوآوری ها در فناوری انتقال حرارت می باشدکه روشی کارآمد و فشرده برای تبادل حرارت بین سیالات در کاربردهای مختلف صنعتی ارائه می دهد. قدمت این اختراع بیش از یک قرن می باشد که با پیشرفت های بسیاری در طراحی ،مواد و عملکرد همراه بوده است.

آغاز دستگاه های تبادل حرارت و اولین مبدل ها

در پایان قرن نوزدهم، توسعه سریع فناوری و علمی وجود داشت و برخی از زمینه ها رشد انفجاری را تجربه کردند. در طول این مدت، نمونه‌های اولیه دستگاه‌هایی پدیدار شدند که بدون آنها نمی‌توان زندگی امروز را تصور کرد، مانند تلفن یا اتومبیل. علم نیز در حال پیشرفت بود.

در فرانسه، شیمیدان و چهره معروف پزشکی لوئی پاستور فعال بود که فرآیند پاستوریزاسیون را توسعه داد، غذا را تا دمای معینی حرارت داد تا از باکتری ها پاک شود و عمر مفید آن افزایش یابد. این فرآیند به سرعت اجرا شد، به ویژه در فرآوری شیر. نیاز صنایع غذایی در آن زمان اختراع دستگاه‌های کارآمدی بود که قادر به عملکرد جریان و گرم کردن سریع محیط‌های غذایی باشند. به خصوص هنگامی که اولین نشانه ها ظاهر شد که شیر کهنه غیر پاستوریزه می تواند باعث سل شود.

در آن زمان، اولین شهرهای بزرگ، مشابه شهرهای امروزی، با جمعیتی که به سرعت در حال رشد بودند، باعث ایجاد تقاضای بالایی برای شیر عرضه شده از مناطق روستایی شد. با این حال، برای به حداقل رساندن تلفات باید دست نخورده وارد می شد. بسیاری از شرکت‌ها احتمالاً شروع به جستجوی راه‌حلی برای این مشکل کرده‌اند، و راه‌حل تنها می‌تواند یکی باشد – یک مبدل حرارتی که کارآمدتر از جوشاندن شیر سنتی باشد.

132 سال پیش مبدل حرارتی صفحه ای در آلمان اختراع شد. تا سال 1923 شرکت APV شروع به تولید دسته ای مبدل های حرارتی صفحه ای با صفحات موجدار مس ریخته گری کرد.

در سال 1930، مبدل حرارتی صفحه ای با صفحه موجدار فولادی ضد زنگ ساخته شد که پایه و اساس مبدل حرارتی صفحه ای مدرن را ایجاد کرد.

اولین ثبت اختراع برای مبدل های حرارتی

✅مبدل حرارتی به احتمال زیاد برای اولین بار در سال 1878 در آلمان ثبت شد.

 اولین ثبت اختراع ثبت شده برای مبدل حرارتی صفحه ای به آلبرشت دراک آلمانی اعطا شد.

با این حال، این اختراع مورد بهره برداری تجاری قرار نگرفت و در میان اختراعات متعدد آن دوران، شاید به طور کامل توسط جامعه به رسمیت شناخته نشد، مگر شاید توسط کسانی که در صنایع غذایی بودند.

✅اما در سال 1910 اولین شرکت در بریتانیای کبیر تاسیس شد که برای سالیان متمادی دقیقا به دلیل تولید مبدل های حرارتی بسیار قابل تشخیص بود – شرکت APV. در برخی از سیستم‌های قدیمی، هنوز هم می‌توانید مبدل‌هایی با این مارک پیدا کنید، در بسیاری از کشورها (البته این مبدل‌های قبل از جنگ نیستند، بلکه مبدل‌هایی هستند که مثلاً در دهه 1990 تولید شده‌اند). APV شروع به تولید مبدل‌های حرارتی مخصوص پاستوریزاسیون کرد.

مبدل حرارتی صفحه ای – APV ثبت اختراع در سال 1923:  بسیاری از مردم این تاریخ را به طور واقع بینانه شروع مبدل های حرارتی صفحه ای می دانند – به این معنی که این دستگاه ها شکلی کم و بیش شبیه امروزی به خود گرفتند.

✅اما به موازات شرکت بریتانیایی، دستگاه های مشابهی در سوئد در حال توسعه بود که در سال 1932، شرکت آلفا لاوال یک مبدل حرارتی صفحه ای را نیز به ثبت رساند. در اسکاندیناوی، سال 1932 به طور گسترده به عنوان تاریخ ایجاد مبدل های حرارتی صفحه ای در نظر گرفته می شود، نه سال 1923.

تا جنگ جهانی دوم، این دستگاه ها تا حدودی ناقص بودند. با این حال، کار برای بهبود آنها انجام شد، به ویژه از آنجایی که آنها کاربردهای گسترده تری با صنعت رو به رشد پیدا کردند. کارآفرینان خصوصی از ایالات متحده آمریکا، آلمان، بریتانیای کبیر و اسکاندیناوی کمک زیادی به بهبود آنها کردند.

توسعه فناوری مبدل حرارتی پس از جنگ جهانی دوم

پس از جنگ جهانی دوم، انگیزه جدیدی برای توسعه تولید مبدل های حرارتی، روندی بود که در بسیاری از شهرهای بزرگ در سراسر جهان برای تامین گرمایش منطقه ای خانه ها و ساختمان ها از شبکه های حرارتی شهری پدید آمد. به خصوص با ساخت مجتمع های مسکونی پانل های بزرگ چه در غرب و چه در بلوک شرق.

ساده ترین راه برای اتصال یک ساختمان به شبکه گرمایش منطقه ای دقیقاً با مبدل حرارتی بود.

طرح های اولیه در طول دهه 1920 برای استفاده های نوظهور در صنعت نفت تولید شد.

سپس در سال 1920 یک سیستم خنک کننده هوای مدار بسته توسعه یافت. اتو هاپل با همکاری پروفسور لودویگ پراندتل، پیشگام این فناوری بود و دستگاه خنک کننده هوای جدیدی به نام لوله پره ای بیضوی اختراع کرد.

در سال 1923، دکتر ریچارد سلیگمن در APV اولین مبدل حرارتی صفحه ای صنعتی را با موفقیت طراحی کرد. که پیشرفت چشمگیری در تکنیک های گرمایش و سرمایش غیرمستقیم سیالات را رقم زد. مشارکت‌های رویایی دکتر سلیگمن فراتر از این اختراع بود، زیرا او قبلاً APV را در سال 1910 تأسیس کرده بود که در ابتدا با نام شرکت Aluminium Plant & Vessel Limited شناخته می‌شد. این شرکت در زمینه ساخت و تامین ظروف جوشی به صنایع مختلف از جمله آبجوسازی و تولید روغن نباتی تخصص دارد. نکته قابل توجه، کار پیشگام دکتر سلیگمن با مبدل حرارتی صفحه ای، پایه و اساس مبدل های حرارتی صفحه ای نازک و نازک با طراحی کامپیوتری را که اکنون در سراسر جهان وجود دارد، ایجاد کرد.

 APV دارای 20 شرکت مشترک در کشورهای خارجی از جمله ایالات متحده، آلمان، فرانسه، ژاپن، ایتالیا، کانادا و غیره است.

صفحه ای که سلیگمن برای مبدل حرارتی صفحه ای طراحی شده است، صفحه موجدار سلیگمن نامیده می شود. در اواخر دهه  30، گودمن در بریتانیا صفحه موجدار با بخش پلکانی را پیشنهاد کرد در حالی که عملکرد آن عالی نبود.

تحولات مستمر

در دهه 1930، اولین مبدل حرارتی صفحه مارپیچی در سوئد ایجاد شد. سپس انگلستان استفاده از روش لحیم کاری را برای ایجاد یک مبدل حرارتی با باله صفحه ای ساخته شده از مس و مواد آلیاژ مس برای کاربرد در موتورهای هواپیما آغاز کرد. امروزه، ما این مبدل های حرارتی را در کاربردهایی مانند جداسازی هوای برودتی، تولید آمونیاک، پردازش دریایی، مهندسی هسته ای و تولید گاز سنتز می یابیم.

در سال 1935، اتو هاپل و دکتر کرت لانگ کار بر روی کندانسورهای هوا خنک برای توربین های بخار ثابت مورد استفاده برای تولید برق را آغاز کردند.

در سال 1939، اولین پروژه آزمایشی از یک کندانسور هوا خنک برای توربین های بخار ثابت در Waltrop Colliery در روهر، آلمان استفاده کرد.

در دهه 1940، مبدل های حرارتی پوسته و لوله پیشرفت قابل توجهی داشتند زیرا طراحان شروع به درک افت فشار جانبی پوسته کردند.

در مارس 1955، شرکت Babcock و Wilcox به همراه مخترع Johannes H Ammon یک حق اختراع برای مبدل حرارتی پوسته و لوله به ثبت رساندند.

اگرچه مبدل های حرارتی به طور مداوم در حال تکامل هستند، اشکال اساسی بسیاری از مبدل های حرارتی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند بین سال های 1920 و 1950 توسعه یافته و اصلاح شدند.

توسعه مبدل های حرارتی صفحه واشر (دهه 1950-1970)

پس از جنگ جهانی دوم، تقاضا برای فرآیندهای صنعتی کارآمدتر افزایش یافت که منجر به پیشرفت‌های بیشتر در فناوری مبدل حرارتی صفحه واشر شده شد. در دهه 1950، شرکت هایی مانند آلفا لاوال (که توسط گوستاف د لاوال تأسیس شد) و گروه GEA شروع به پالایش و تولید GPHE در مقیاس بزرگتر کردند. این مدل‌های جدید برای مقاومت در برابر فشارها و دماهای بالاتر طراحی شده‌اند و برای طیف وسیع‌تری از صنایع از جمله HVAC، تولید انرژی و پالایش نفت مناسب هستند.

پیشرفت در مواد واشر نیز نقش مهمی ایفا کرد. لاستیک‌ها و پلیمرهای مصنوعی جدید اجازه ساخت واشرهایی را می‌دهند که می‌توانند مواد شیمیایی خشن و دماهای شدید را تحمل کنند و به طور قابل توجهی کاربرد مبدل‌های حرارتی صفحه واشر را گسترش می‌دهند.

مبدل های حرارتی صفحه واشر مدرن -دهه 1980 تا کنون-

دهه 1980 عصر جدیدی را برای مبدل های حرارتی صفحه واشر نشان داد، زیرا تکنیک های تولید و روش های محاسباتی بهبود یافتند. مهندسان اکنون می‌توانند طراحی صفحات را با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بهینه‌سازی کنند تا انتقال گرما و صرفه‌جویی در انرژی حتی بیشتر کارآمدتر شود. شرکت هایی مانند SWEP و Tranter شروع به تخصص در مبدل های حرارتی فشرده کردند و راه حل های سفارشی را برای نیازهای صنعتی خاص ارائه کردند.

یکی از مهم ترین پیشرفت ها در این زمان استفاده از فولاد ضد زنگ و تیتانیوم در ساخت صفحات بود که به GPHE ها اجازه می داد در محیط های بسیار خورنده و در دما و فشار بسیار بالاتر کار کنند. انعطاف‌پذیری این مواد همچنین به این معنی است که مبدل‌های حرارتی صفحه واشر می‌توانند در اندازه‌های مختلف تولید شوند، از واحدهای کوچک برای سیستم‌های گرمایشی منازل تا سیستم‌های صنعتی بزرگ که قادر به تحمل بارهای انرژی عظیم هستند.

در سال 1997، آلفا لاوال ClipLine را معرفی کرد، طیف جدیدی از مبدل‌های حرارتی صفحه واشر که برای نصب آسان‌تر و کاهش تعمیرات طراحی شده‌اند. این نوآوری به ویژه برای صنایعی که نیاز به تمیز کردن و بازرسی مکرر دارند، مانند فرآوری مواد غذایی و داروسازی مناسب بود.

امروزه مبدل های حرارتی صفحه واشر در طیف وسیعی از صنایع از جمله فرآوری شیمیایی، نفت و گاز، کاربردهای دریایی، سیستم های انرژی تجدیدپذیر و غیره استفاده می شود. ترکیبی از بهره وری انرژی، مقرون به صرفه بودن و سهولت تعمیر و نگهداری آنها را به انتخابی ارجح برای مهندسان و طراحان صنعتی در سراسر جهان تبدیل کرده است.

دانشمندان و مهندسان کلیدی در توسعه مبدل حرارتی صفحه واشر

گوستاف د لاوال: مهندس سوئدی که جداکننده گریز از مرکز را در سال 1878 اختراع کرد و اساس مبدل های حرارتی مدرن را پایه گذاری کرد.

کارل فون لینده: لیند که به خاطر کارهای پیشگام خود در تبرید و ترمودینامیک شناخته می شود، در توسعه سیستم های انتقال حرارت اولیه مشارکت داشت.

دکتر ریچارد سلیگمن: مخترع بریتانیایی اولین مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار تجاری در سال 1923 که طراحی آن اساس GPHE مدرن است.