مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)
مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل ارزان قیمت و مقرون به صرفه بودن، یکی از پرکاربردترین انواع مبدل های حرارتی به شمار می آید و دارای متنوع ترین شکل ها، در بین سایر مبدل های حرارتی می باشد. مبدل های حرارتی پوسته و لوله می توانند برای فشارهای زیاد سیال در سمت پوسته و اختلاف فشار زیاد بین جریان های سیال سرد و گرم، طراحی شوند. همچنین در مقایسه با سایر مبدل های حرارتی، نسبت های بزرگتری از سطح انتقال حرارت نسبت به حجم و وزن را فراهم می آورند در نتیجه ابعاد بسیار بزرگتری نسبت به انواع صفحه ای دارند.
مبدل حرارتی پوسته و لوله متشکل از تعدادی لوله (Tube) است که درون یک پوسته استوانه ای شکل (Shell) به صورت موازی با محور پوسته، سوار شده اند. یک سیال از درون لوله ها جریان می یابد و سیال دیگر از خارج و اطراف لوله ها بصورت متقاطع جریان دارد و بدین ترتیب تبادل حرارت صورت می پذیرد. در مبدل حرارتی پوسته و لوله سیالات می توانند تک یا دو فاز باشند و همچنین با آرایش های جریان موازی (parallel flow) یا جریان مخالف (counter flow) جریان داشته باشند.
اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله از چهار قسمت عمده تشکیل شده است:
- Front Header: قسمتی است که سیال وارد لوله مبدل حرارتی می شود. از این قسمت بعضا به عنوان Header ثابت یاد می شود.
- Rear Header: قسمتی است که سیال داخل لوله از مبدل حرارتی خارج می شود یا قسمتی که در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای چند گذر، سیال به Front Header بازمی گردد.
- دسته لوله ها: این قسمت شامل لوله ها، صفحه لوله ها، بافل ها و میله های نگهدارنده بافل ها است.
- پوسته
انواع پوسته در مبدل حرارتی پوسته و لوله
انواع متعدد پوسته و انواع هدرهای جلویی و عقبی توسط انجمن سازندگان مبدل های حرارتی لوله ای TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) استاندارد شده اند. آن ها با حروف الفبای انگلیسی معرفی می شوند.
رایج ترین انواع پوسته های بکار رفته در مبدل های حرارتی پوسته و لوله به شرح زیر است:
- نوع E: یک گذر پوسته
- نوع F: دو گذر پوسته با بافل افقی
- نوع G: یک جریان تقسیم شونده به دو نیم
- نوع H: دو جریان تقسیم شونده به دو نیم
- نوع J: جریان تقسیم شده (جریان ترکیبی برای چگالنده)
- نوع K: ریبویلر نوع کتری مانند
- نوع X: جریان متقاطع
پوسته نوع E بدلیل ارزانی و سادگی، رایج ترین نوع پوسته است. سیال در این پوسته از یک انتها وارد می شود و از انتهای دیگر خارج می گردد. در این طرح لوله های مبدل حرارتی پوسته و لوله می توانند یک یا چند گذر داشته باشند و توسط بافل های عرضی عمود بر لوله ها، نگه داشته شوند. این پوسته ها رایج ترین نوع، برای کاربرد سیال یک فاز در پوسته می باشند. با یک گذر لوله، جریان مخالف جهت می تواند حاصل شود.
برای افزایش اختلاف دماهای موثر و در نتیجه افزایش کارایی مبدل حرارتی پوسته و لوله، آرایش مخالف جهت، برای یک مبدل حرارتی دارای دو گذر لوله مطلوب است. این آرایش با استفاده از پوسته نوع F که دارای یک بافل طولی است بدست می آید که نتیجتا دو گذر پوسته حاصل می گردد. این آرایش هنگامی که نیاز باشد تا گذرهای پوسته که هر کدام یک واحد تلقی می گردد، بصورت سری قرار گیرند، استفاده می شود. در شرایط یکسان، افت فشار در پوسته نوع F بسیار بیشتر از افت فشار در پوسته نوع E است.
سایر انواع مهم پوسته ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله، نوع J و نوع X هستند. در پوسته J با جریان تقسیم شده، سیال ورودی در وسط قرار داده شده و به دو قسمت تقسیم می شود. یک نازل در وسط لوله ها و دو نازل در نزدیکی دو انتهای لوله ها قرار دارند. این پوسته دارای کاربردهایی با افت فشار کم طراحی، مانند چگالنده در خلا نسبی است، زیرا پوسته J در شرایط یکسان، تقریبا دارای 1/8 افت فشار پوسته E می باشد. هنگامی که این پوسته برای سیال در حال چگالش در سمت پوسته استفاده شود، دو ورودی برای بخار و یک خروجی مرکزی برای چگالیده وجود خواهد داشت.
پوسته نوع X دارای ورودی و خروجی قرار گرفته در وسط و معمولا دارای توزیع کننده گنبدی شکل می باشد. سیال ورودی در این نوع پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله، روی تمامی طول لوله ها پخش می شود و با آن ها آرایش جریان متقاطع می سازد. هیچگونه بافلی در این پوسته استفاده نشده است. در نتیجه افت فشار، بسیار کم است. این پوسته برای چگالنده های خلاء و گازهای کم فشار استفاده می شود.
پوسته های دارای جریان تقسیم شونده به دو نیم، مانند پوسته G و پوسته H برای کاربردهای خاص مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می شوند. پوسته G، با تقسیم جریان به دو نیم، دارای بافل افقی می باشد که دو انتهای آن ها برداشته شده است. نازل های ورودی و خروجی با زاویه 180 درجه در وسط لوله ها هستند. پوسته G دارای همان افت فشار پوسته E است، ولی ضریب متوسط لگاریتمی اختلاف دما (LMTD) و در نتیجه کارایی مبدل حرارتی پوسته و لوله، برای همان مساحت سطح و همان نرخ جریان بیشتر است. پوسته G می تواند برای جریان های یک فاز استفاده شود. ولی اغلب به عنوان ترموسیفون افقی استفاده می گردد. در این مورد، بافل طولی، از جریان سریع اجزای سبک تر سیال در پوسته جلوگیری می کند و موجب اختلاط بیشتر آن می گردد.
پوسته H که دارای دو ورودی با تقسیم جریان به دو نیم است، مشابه پوسته G می باشد ولی این پوسته دارای دو نازل خروجی و دو بافل افقی است.
پوسته K، ریبویلر کتری مانند است که دارای یک دسته لوله در کف پوسته و فضای بدون لوله در بالای آن است. این پوسته وقتی استفاده می شود که نیاز است بخشی از جریان ورودی به مبدل تبخیر شود و بخار، به ستون تقطیر وارد گردد. مایع تغذیه از نازل نزدیک صفحه لوله، وارد پوسته می شود، بخار تقریبا خشک از نازل بالایی خارج می گردد و مایع تبخیر نشده، از سر ریز انتهایی، سر ریز می شود و از طریق نازل سمت راست خارج می گردد. دسته لوله عموما دارای ترکیب لوله U شکل می باشد.
انواع دسته لوله ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله
مهم ترین اهداف طراحی در نظر گرفتن انبساط حرارتی، تمیز کاری آسان و یا در صورتیکه سایر جنبه ها مهم نباشند، ایجاد کمترین هزینه ساخت می باشد.
نوعی از طراحی که امکان انبساط حرارتی مستقل لوله ها و پوسته ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله را فراهم می آور، لوله U شکل می باشد. بنابراین در این نوع طراحی، انبساط حرارتی می تواند وجود داشته باشد و محدود نیست. لوله U شکل دارای کمترین هزینه ساخت است زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز دارد. سمت لوله، بدلیل شکل انحنای U شکل، نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این نوع از دسته لوله ها، فقط تعداد زوجی از گذرهای لوله (دو گذر به ازای هر دسته لوله) می تواند بکار رود. تنها لوله های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله قابل تعویض می باشند.
در مبدل حرارتی با صفحه لوله (Tube Sheet) ثابت، پوسته به صفحه لوله جوش شده است و به منظور تمیزکاری به سمت بیرونی دسته لوله، دسترسی وجود ندارد. این طرح از مبدل حرارتی پوسته و لوله یک انتخاب کم هزینه است ولی انبساط حرارتی ممکن نیست. البته می توان با استفاده از اجزایی به نام فانوسی، انبساط حرارتی را ممکن نمود. در این طراحی، لوله های تکی قابل تعویض هستند و تمیز کاری لوله بصورت مکانیکی، آسان است.
لوله ها و گذرهای لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله
فقط پوسته E با یک گذر و پوسته F با دو گذر لوله، می توانند جریان مخالف جهت ایجاد کنند. برای سایر تعداد گذرهای لوله، به استفاده از ضریب تصحیح تغییرات دما، F نیاز است. در برخی موارد، به دلیل نیاز به تقاطع دمایی (گرمتر بودن دمای خروجی سیال سرد از دمای خروجی سیال گرم در یک مبادله کن گرمای مخالف جهت)، دماهای مورد نظر حاصل نمی گردد و از چندین واحد بصورت سری استفاده می شود.
عموما، تعداد زیاد گذرهای لوله، برای افزایش سرعت سیال سمت لوله (در محدوده های افت فشار مجاز) و افزایش ضریب انتقال حرارت و به جهت کاهش تشکیل رسوب در مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می شوند. اگر به دلایل ساختاری، لازم باشد که سیال سمت لوله در یک سمت وارد و از همان سمت خارج شود، استفاده از تعداد زوجی از گذرهای لوله الزامی است.
در مبدل حرارتی پوسته و لوله، لوله ها یا بدون پره هستند یا در سمت بیرونی، دارای پره های کوتاه می باشند. لوله های دارای پره کوتاه، هنگامی استفاده می شوند که ضریب انتقال حرارت سیال بیرون لوله ها، خیلی کوچکتر از سیال داخل لوله ها باشد.
جنس لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله
جنس لوله معمولا از فولاد کم کربن، فولاد کم آلیاژ، استنلس استیل، مس، کاپرونیکل (آلیاژ مس و نیکل)، آلومینیوم (به شکل آلیاژها)، تیتانیوم، اینکونل (آلیاژ نیکل و آهن و کروم) و یا ادمیرالتی (آلیاژ مس و روی و قلع) است. سایر مواد نیز می توانند متناسب با کاربرد خاص مبدل حرارتی پوسته و لوله انتخاب شوند. ضخامت دیواره لوله های مبدل حرارتی پوسته و لوله بر مبنای شاخص ضخامت بیرمنگهام (Birmingham Wire Gage) استاندارد شده است.
ابعاد لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله
قطرهای کوچک لوله (8 تا 15 میلی متر) برای سطح حرارتی بزرگتر در واحد حجم، به بقیه ترجیح دارند. ولی برای تمیز کاری داخل لوله، قطر نباید از 20 میلی متر (3/4 اینچ) کوچکتر باشد. قطرهای بزرگتر لوله، اغلب برای چگالنده ها و دیگ های بخار بکار می روند.
طول لوله بر هزینه و کارکرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله اثر می گذارد. اساسا هرچه طول لوله ها بلندتر باشد، (برای ایجاد یک سطح حرارتی ثابت) تعداد لوله های کمتری نیاز است و سوراخ های کمتری در بافل ها و صفحه لوله ایجاد می شود. بعلاوه قطر پوسته کاهش می یابد که منجر به هزینه کمتری می گردد. نسبت قطر پوسته به طول لوله باید در محدوده 1/5 تا 1/15 باشد. حداکثر طول لوله به واسطه محل قرار گیری و جانمایی مبدل حرارتی پوسته و لوله و محدودیت های حمل و نقل، به حدود 30 متر محدود می شود.
طول لوله بر هزینه و کارکرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله اثر می گذارد. اساسا هرچه طول لوله ها بلندتر باشد، (برای ایجاد یک سطح حرارتی ثابت) تعداد لوله های کمتری نیاز است و سوراخ های کمتری در بافل ها و صفحه لوله ایجاد می شود. بعلاوه قطر پوسته کاهش می یابد که منجر به هزینه کمتری می گردد. نسبت قطر پوسته به طول لوله باید در محدوده 1/5 تا 1/15 باشد. حداکثر طول لوله به واسطه محل قرار گیری و جانمایی مبدل حرارتی پوسته و لوله و محدودیت های حمل و نقل، به حدود 30 متر محدود می شود.
جانمایی لوله ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله
جانمایی لوله ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله، بوسیله زاویه بین لوله ها، مشخص می گردد. متداول ترین جانمایی، جانمایی 30 درجه است. زیرا بیشترین تراکم لوله را حاصل می کند. البته متناسب با کاربرد و نیاز جانمایی های دیگری نیز مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال، به منظور تمیز کاری خارجی لوله ها، به گذرگاه های با اندازه 1/4 اینچ یا تقریبا 7 میلی متر و جانمایی 90 درجه یا 45 درجه نیاز است. گام لوله PT معمولا به نحوی انتخاب می شود که نسبت گام (pitch ratio) PT/do بین 1.35 و 1.5 باشد. هنگامیکه لوله ها خیلی نزدیک باشند، به دلیل اینکه سوراخ ها در صفحه لوله به هم خیلی نزدیک می شوند، صفحه لوله به لحاظ سازه، ضعیف می شود. به همین دلیل جانمایی وضعیت لوله ها، بصورت استاندارد درآمده است. تعداد لوله ها (Tube counts) که می توانند در یک پوسته قرار بگیرند، بستگی به جانمایی لوله، قطر خارجی لوله، اندازه گام، تعداد گذرها و قطر پوسته دارد.
هندسه و نوع بافل ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله
در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای بافل (صفحات هدایت کننده جریان – Baffle)، جریان سمت پوسته بصورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالی که از فاصله مابین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود، موازی با لوله ها جهت می یابد. بسته به کاربرد مبدل حرارتی پوسته و لوله، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آن ها وجود دارد.
بافل ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله دو کار انجام می دهند. اولین و مهم ترین کار، نگه داشتن لوله ها و استحکام سازه و جلوگیری از لرزش و خمیده شدن لوله می باشد. دومین کار، منحرف کردن جریان در جهت عرضی و متقاطع با دسته لوله ها برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت بزرگتر است. بافل ها می توانند به انواع عرضی و طولی دسته بندی شوند (مثلا پوسته F دارای بافل طولی است). بافل های عرضی می توانند به بافل های صفحه ای (Plate baffles) و بافل های میله ای (Rod baffles) دسته بندی شوند.
رایج ترین انواع بافل های صفحه ای مورد استفاده در مبدل حرارتی پوسته و لوله
بافل های تکه ای (منظور از تکه ای، بخشی از دایره کامل است) منفرد (Single baffles) و دوتایی (Double segmental baffles) به وفور استفاده می شوند. بافل ها جریان را با موثرترین شکل و برای تقاطع با لوله ها منحرف می کنند. فاصله بهینه بافل ها بین 0.4 تا 0.6 قطر پوسته است و معمولا میزان برش 25 تا 35 درصد بافل توصیه می شود. گذر بافل های تکه ای سه تایی (Triple segmental baffles) و بدون لوله در پنجره (قسمت بریده شده بافل)، برای کاربردهای با افت فشار کم استفاده می شوند که کسر قسمت جدا شده آن ها تقریبا به ترتیب 0.5 و 0.3 می باشد.
در ساختار بدون لوله در پنجره، لوله هایی که توسط هر دو بافل مجاور نگه داشته نشده اند، حذف می شوند، بنابراین ارتعاش لوله کمتر می گردد.
بافل های دیسکی و رینگی (دوناتی) در مبدل های حرارتی پوسته و لوله متشکل از رینگ های خارجی و دیسک های داخلی بطور یک در میان هستند که جریان را بصورت شعاعی در عرض دسته لوله ها هدایت می کنند.
نوع دیگری از بافل های صفحه ای، بافل اریفیسی (Orifice baffles) است که در آن، سیال سمت پوسته از لقی بین قطر خارجی لوله و قطر داخلی سوراخ بافل، جریان می یابد.
بافل های میله ای یا شبکه ای در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، با یک شبکه از تکیه گاه های میله ای یا ورق باریک تشکیل شده اند. در این بافل ها، جریان اساسا طولی است که منجر به افت فشارهای بسیار کمی می شود. بدلیل فاصله نزدیک بافل ها، خطر ارتعاش لوله رفع می گردد. این طرح می تواند بصورت کارآمد برای چگالنده ها و ریبویلرهای عمودی استفاده شود.
تعیین سیال سمت پوسته و لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله
به منظور تعیین جریان سیال در مبدل حرارتی پوسته و لوله، عموما دیدگاه های زیر بکار گرفته می شوند:
- سیال با رسوب بیشتر در سمت لوله جریان یابد. زیرا تمیز کردن داخل لوله ها آسان تر است، به ویژه اگر تمیزکاری مکانیکی نیاز باشد.
- سیال با فشار زیاد در سمت لوله جریان یابد. زیرا به دلیل قطر کوچکتر شان، لوله هایی با ضخامت معمول وجود دارند که می توانند فشارهای بیشتر را تحمل کنند و فقط نیاز است کانال های سمت لوله و سایر اتصالات برای تحمل فشار زیاد طراحی گردند.
- سیال خورنده در سمت لوله جریان یابد. در غیر این صورت، هم لوله و هم پوسته باید با آلیاژهای خاصی برای مقاومت در برابر خوردگی استفاده شوند و بسیار کم هزینه تر است که فقط لوله ها با آلیاژ خاص تهیه گردد تا اینکه هم لوله ها و هم پوسته با آلیاژ خاص بکار روند.
- جریان دارای ضریب انتقال حرارت کوچکتر در سمت پوسته جریان یابد. زیرا طراحی لوله های دارای پره بر روی سمت بیرونی آسان تر است. عموما بهتر است که جریان با نرخ جرمی کوچکتر در سمت پوسته قرار داده شود. در سمت پوسته، جریان آشفته در اعداد رینولدز کوچکتر حاصل می گردد.
اگر موارد ذکر شده در تضاد با یکدیگر باشند، در این حالت باید مهندس طراح با تخمین موارد افزاینده و یا کاهنده هزینه، اقتصادی ترین راه حل را بیابد.
منابع:
https://savree.com/en/encyclopedia/shell-and-tube-type-heat-exchanger
https://paraxcompany.com/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c-%d9%be%d9%88%d8%b3%d8%aa%d9%87-%d9%88-%d9%84%d9%88%d9%84%d9%87/
https://www.iqsdirectory.com/articles/heat-exchanger/shell-and-tube-heat-exchangers.html
- ۰۰/۱۱/۱۶