مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟
مبدل حرارتی پوسته و لوله (STHE) Shell and tube heat exchanger نوعی دستگاه مبادله حرارتی است که با استفاده از یک محفظه استوانه‌ای بزرگ یا پوسته ساخته می‌شود که دارای بسته‌هایی از لوله‌های کاملاً با فاصله است که در داخل آن فشرده شده است.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله رایج ترین شکل طراحی تبادل حرارتی هستند. آنها بر اساس خواص، نوع لوله و سایر ویژگی هایشان طبقه بندی می شوند.
استفاده و محبوبیت مبدل حرارتی پوسته ای و لوله ای به دلیل سادگی طراحی آنها و نرخ تبادل حرارت فوق العاده کارآمد است. فرآیند مبدل حرارتی پوسته لوله شامل استفاده از مایع یا بخاری است که برای گرم کردن لوله ها به پوسته می ریزد. چهار گذر از لوله ها به عنوان کارآمدترین و موثرترین روش انتقال حرارت در نظر گرفته می شود.
طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل های حرارتی پوسته و لوله با استفاده از پارامترهای طراحی کامپیوتری پیچیده و فنی مهندسی شده اند. اجزای دستگاه شامل پوسته، پوشش پوسته، لوله، کانال، پوشش کانال، ورق لوله، بافل و نازل می باشد. مشخصات و استانداردهای STHE ها توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل لوله ای (TEMA) ایجاد شده است.
قبل از تولید یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، به چندین قطعه نیاز است که سازندگان به آن نیاز دارند، مانند:
- نرخ جریان
- دمای ورودی و خروجی مبدل حرارتی
- فشار
- افت فشار
- عوامل مقاومت
- خواص فیزیکی مواد مورد پردازش
- اندازه خطوط و پوسته
- قطر
به این عوامل اساسی نیازهای فنی بیشتری اضافه شده است که برای تعیین بهترین فرآیند برای تولید مبدل حرارتی مناسب برای کاربرد مورد استفاده قرار می گیرد.
اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله
در این بخش به معرفی کامل هر یک از اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله شامل پوسته، کانال ها، لوله ها، ورق لوله، پیچ لوله، بافل ها و میله های کراوات می پردازیم.
پوسته
پوسته یک مبدل حرارتی پوسته و لوله از لوله یا صفحات فلزی جوش داده شده با استفاده از موادی ساخته شده است که می توانند در برابر دماهای شدید مقاومت کنند و در برابر خوردگی مقاوم هستند. پوسته داخلی باید گرد با قطر ثابت باشد تا فاصله بین لبه بیرونی بافل و پوسته به حداقل برسد.
کانال ها یا سرها
نوع کانال یا هد بستگی به استفاده از مبدل حرارتی پوسته و لوله دارد، با سرهای نوع کلاهی رایج ترین آنها برای استفاده در برنامه هایی است که نیازی به جدا کردن مکرر سر نیست. کانال های پوششی قابل جابجایی، لازم برای تعمیر و نگهداری، فلنج یا جوش داده شده اند. هنگامی که معاینه مکرر کانال و لوله ها ضروری است، یک پوشش کانال قابل جابجایی ضروری است.
لوله ها
لوله های یک مبدل حرارتی پوسته و لوله جوش یا اکسترود شده و از فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، اینکونل یا مس ساخته می شوند. قطر لوله 0.625 اینچ (16 میلی متر)، 0.75 اینچ (19 میلی متر) یا یک اینچ (25 میلی متر) در مبدل های حرارتی فشرده استفاده می شود.
ضخامت لوله ها برای فشار، دما، تنش حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی در طول های 6 تا 24 فوت یا 2 متر تا 7 متر انتخاب می شود. لوله هایی که طولانی تر هستند قطر پوسته را کاهش می دهند و باعث افت فشار پوسته بالا می شوند.
ورق لوله
ورق لوله، صفحه یا ورقی است که با سوراخ هایی برای وارد کردن لوله ها یا لوله ها سوراخ شده و برای حمایت از لوله ها در دو انتهای پوسته استوانه ای طراحی شده است. پوسته فراتر از ورق های لوله گسترش می یابد و در هر دو انتها مهر و موم شده است تا محفظه محصور شده ای را تشکیل دهد که توسط سرها پوشانده شده است.
پیچ لوله
گام لوله فاصله از مرکز یک لوله تا مرکز یک لوله مجاور است. لوله ها به صورت مثلثی یا مربعی چیده می شوند که پیکربندی الگوی مربعی آن راحت ترین تمیز کردن است و کمترین میزان تلاطم را ایجاد می کند. چیدمان گام مربعی اجازه می دهد تا بخارات بین لوله ها بالا بیایند، که مزیتی نسبت به لوله های گام مربعی مثلثی و چرخشی است.
بافل ها
از بافل ها برای هدایت جریان در دو طرف پوسته و لوله استفاده می شود به طوری که سرعت سیال به اندازه کافی افزایش می یابد تا به ضریب انتقال حرارت بالا برسد و رسوب گیری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، که زمانی است که مواد ناخواسته روی سطح انتقال حرارت ایجاد می شود.
تجمع رسوب مقاومت انتقال حرارت را افزایش می دهد و منجر به عملکرد ضعیف مبدل حرارتی می شود. در مبدل های حرارتی پوسته و لوله افقی، بافل ها از لوله ها حمایت می کنند و از افتادگی یا آسیب لرزش جلوگیری می کنند.
میله های کراوات و اسپیسر
میله ها و اسپیسرها تکیه گاه ها و اجزای ساختاری هستند که برای ثابت نگه داشتن بافل ها و همچنین حفظ فضای بین بافل ها طراحی شده اند. تعداد میله ها و اسپیسرها بر اساس تعداد بافل ها و قطر پوسته تعیین می شود. میله های اتصال به ورق لوله پیچ می شوند و طول یک بسته نرم افزاری را تا آخرین بافل گسترش می دهند.
مبدل های حرارتی پوسته و لوله چگونه کار می کنند؟
مفهوم و عملکرد یک مبدل حرارتی پوسته و لوله نسبتاً ساده است و بر اساس جریان و تماس حرارتی دو مایع است. نام مبدل حرارتی پوسته و لوله به عنوان توضیحی در مورد این فرآیند عمل می کند که تبادل دما بین دو سیال است. در یک مبدل حرارتی، یک سیال گرم یا داغ در اطراف یک سیال سرد جریان می یابد و گرما را در جهت جریان سیال سرد منتقل می کند.
در هر شرایطی که دو قطعه ماده با هم تماس داشته باشند، تبادل یا انتقال گرما از طریق یک سطح رسانا وجود خواهد داشت. فرآیند مبدل حرارتی پوسته و لوله مکانی را برای دو سیال برای تبادل یا انتقال گرما از طریق فلزات رسانا فراهم می کند.
در فرآیند مبدل حرارتی پوسته و لوله، یک سیال از طریق لوله ها جریان می یابد در حالی که سیال دیگر از طریق پوسته جریان می یابد. در نمودار زیر که از یک پوسته لوله مستقیم و مبدل حرارتی لوله است، ورودی پوسته برای ورود سیال پوسته در بالا و ورودی سیال لوله در پایین سمت راست است.
یک مبدل پوسته لوله دارای دو محفظه یا بخش است: سمت پوسته و سمت لوله.
هنگام کار با مبدل حرارتی پوسته و لوله، مهم است که تصمیم بگیرید که سیال داغ از کدام طرف وارد شود و سیال سرد از کدام طرف وارد شود. این تصمیم به عنوان تخصیص سیال نامیده می شود.
هنگامی که بین سیالات اختلاف فشار وجود دارد، سیال فشار پایین‌تر از طریق ورودی پوسته وارد می‌شود زیرا لوله‌ها برای تحمل فشار بالا طراحی شده‌اند.
ساید پوسته
هنگام تعیین جریان سیال برای سمت پوسته، مهم است که بدانیم ساخت پوسته از لوله ها گران تر است و تمیز کردن آن دشوارتر است. سمت پوسته دارای حفره هایی است که جریان سیال را در سراسر بسته های لوله هدایت می کند.
سیالات چسبناک و سیالات با سرعت جریان بالا از طریق سمت پوسته پردازش می شوند که در آن آشفتگی افزایش یافته و ضریب انتقال افزایش یافته است که منجر به بهبود انتقال حرارت می شود. تغییرات دمایی زیاد معمولاً در سمت پوسته انجام می شود.
ساید لوله
یک ضرورت در سمت لوله ایجاد جریان آشفته است. این امر با نصب توربولاتورها در داخل لوله ها از طریق سوراخ های ورق لوله به دست می آید. مانند تلاطم در پوسته، تلاطم در لوله ها ظرفیت انتقال حرارت را افزایش می دهد. عملکرد ثانویه توربولاتورها تمیز نگه داشتن داخل لوله ها و بدون رسوب است. لوله ها دارای اغتشاش و افت فشار کمتری هستند و جریان روانی را ارائه می دهند.
پاس ها
مبدل های حرارتی پوسته و لوله می توانند یک، دو، چهار، شش یا هشت پاس داشته باشند که 1-1، 1-2، 1-4 و غیره نوشته می شود. عدد اول تعداد پوسته هاست. عدد دوم تعداد پاس ها است. تعداد عبور تعداد دفعاتی است که سیال از سیال موجود در پوسته عبور می کند. در یک مبدل حرارتی تک پاس، سیال یک بار از پوسته عبور می کند. با افزایش تعداد پاس ها، ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد.
نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله
همانطور که در نمودار مشاهده می شود، سیال سرد از طریق لوله یا ورودی پوسته وارد می شود و با گرمایش رسانا در لوله ها گرم می شود. سپس از پردازش خارج می شود. تصویر زیر نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله دو پاسی است.
جریان آشفته در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله سرعت انتقال حرارت را افزایش می دهد و از رسوب در لوله ها و دیواره های پوسته جلوگیری می کند. جریان آشفته ثابت دارای یک اثر خود تمیز شوندگی است که عملکرد مداوم و بهینه را تضمین می کند. بافل هایی که جریان را در پوسته هدایت می کنند تلاطم آن را ایجاد می کنند در حالی که توربولاتورهای نصب شده در لوله ها آشفتگی آن را ایجاد می کنند.
فرآیند تبادل حرارت با تماس حرارتی بین دو سیال موجود در پوسته و لوله ها تسهیل می شود. یکی از مایعات خنک تر و دیگری گرم تر یا داغ تر می رود.
جمع بندی
با مبدل حرارتی پوسته و لوله آشنا شدیم. اجزا و نحوه عملکرد آن را هم بررسی کردیم. همانطور که از نام این تجهیزات مشخص است، برای تبادل حرارت از نقطه ای به نقطه ی دیگر استفاده می شود. در نظر داشته باشید این محتوا به مرور آپدیت خواهد شد و موارد بسیار زیادی به آن اضافه می شود. شرکت بخارتجهیز خراسان با سابقه ای درخشان و سال ها تجربه ی موفق در طراحی و تولید انواع مبدل حرارتی، به صورت تخصصی اقدام به ثبت سفارش مبدل های حرارتی میکند. برای مشاهده انواع مبدل های حرارتی کلیک کنید.