شنبه , خرداد ۴ ۱۳۹۸
خانه / مقالات مهندسی مکانیک / مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله

مقدمه مبدل حرارتی

مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از پرکاربرد ترین انواع مبدل در صنعت می باشد. وسیله ای است که برای انتقال حرارت مؤثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می‌شود.

عموما تجهيزات حرارتی در سيستم های فرآيندی مثل پالايشگاه ها به دو دسته كلی تقسيم می شوند.

تفاوت کوره و مبدل حرارتی

فرق كوره و مبدل حرارتی در منبع گرمايشی است، يعنی اينكه منبع گرمايشی در كوره سوخت های مايع و گازی است. در حاليكه در مبدل حرارتی منبع گرمايشی سيال گرم است.

در كوره با توجه به نوع منبع گرمايشی مكانيزم انتقال حرارت به صورت جا به جايی (Convection) و تشعشعی (Radiation) توام می باشد، حال آنكه مكانيزم انتقال حرارت در مبدل حرارتی فقط جا به جایی (Convection) است.

هدف در مبدل حرارتی مجاورت يك سيال گرم با يك سيال سرد است به طوريكه انتقال حرارت به طريقه جابه جايی باعث گرم شدم سيال سرد گردد.

مبدل حرارتی از نظر تغییر فاز سیال

تقسيم بندی مبدل های حرارتی از نظر فاز عموما به دو صورت زير است:

  • مبدل حرارتی كه همراه تغيير فاز است.  مثل ريبویلر (Reboiler)- كندانسور (Condensor) تبخير كننده  (Evapoator)
  • مبدل حرارتی كه همراه با تغيير فاز نيستند. مثل مبدل پوسته- لوله (shell and Tube)
مبدل حرارتی ریبویلر
مبدل حرارتی ریبویلر
مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی يكی از متداول ترين تجهيزات در فرآيندهای شيميايی هستند و در بسياری از واحدهای صنعتی بكار میروند. مبدل ها امكان انتقال انرژی حرارتی بين دو يا چند سيال در دماهای مختلف را فراهم می نمايند.

 

کابرد مبدل حرارتی پوسته ولوله

كاربرد مبدل های حرارتی بسيار وسيع بوده و با نرخ رو به رشدی در حال افزايش می باشند. اين كاربردها شامل نيروگاه ها، پالايشگاه ها، صنايع پتروشيمی، صنايع ساخت و توليد، صنايع فرآيندي، صنايع غذايی و دارويی، صنايع ذوب فلز، گرمايش، تهويه مطبوع، سيستم های تبريد و كاربردهای فضايی می باشند.
مبدل حرارتی در دستگاه های مختلف نظير ديگ بخار، مولد بخار، كندانسور، تبخير كننده ها، برج خنك كن، پيش گرم كن فن كويل، خنك كن و گرم كن روغن، رادياتور ها، كوره ها و … كاربرد فراوان دارند.

طراحي انواع مبدل های حرارتی با يكديگر متفاوت بوده و شناخت انواع گوناگون مبدل حرارتی امكان بهينه سازی عملكرد اين مبدل ها را فراهم می نمايند.

در اين مقاله سعی بر معرفی، طراحی و بهينه سازی مبدل حرارتی پوسته لوله ای شده است، كه عموما در صنايع كاربرد بيشتری دارد و به وفور می توان آنها را مشاهده كرد.

دانلود شبیه سازی مبدل حرارتی فشرده در فلوئنت

 

مبدل پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)

مبدل حرارتی پوسته و لوله تنها مبدلی است كه در دمای بيشتر از ۳۶۰ درجه سانتی گراد كاربرد دارند و  فشارهای بيش از ۳۰ بار را تحمل می كنند.

اين نوع مبدل حرارتی  بر اساس استانداردtema كه استاندارد آمريكا و شركت های سازنده مبدل است طراحی و ساخته می شوند.

TEMA= Tubabr Exchanger Manufacetur Associate

بخش های اصلی مبدل حرارتی پوسته و لوله

  • پوسته (Shell)
  • لوله (Tube)
  • در پوش ها (Headers)  که خود شامل دو قسمت (Front Header یاStationary Header) و (Rear Header) می باشد.

اجزای اصلی مبدل حرارتی پوسته و لوله

پوسته يك مبدل حرارتی پوسته و لوله،  يك بخش استوانه ای است كه تعداد لوله درون آن قرار گرفته است. جنس لوله ها معمولا از روی، آلومينيوم، فولاد و يا يكی از آلياژهای مس، نيكل و يا فولاد ضد زنگ است.

درپوش های يك مبدل حرارتی در دو طرف پوسته قرار دارند، كه يكي موسوم به Stationary head و ديگری موسوم به Rear head است. به طور كلی طبق استاندارد مهم ترين پارامتر ساختمانی كه به علت تقسيم بندی مبدل های پوسته و لوله می گردد تفاوت در rear head اين مبدل ها است.

اجزای اصلی مبدل حرارتی پوسته و لوله در شکل زیر نشان داده شده است.

اجزای اصلی مبدل حرارتی پوسته و لوله


Shell and tube geometric terminology
Floating Tubesheet Skirt۲۱Stationary (Front) Head—Channel۱
Floating Tubesheet Skirt۲۲Stationary (Front) Head—Bonnet۲
Packing Box Flange۲۳Stationary (Front) Head Flange۳
Packing۲۴Channel Cover۴
Packing Follower Ring۲۵Stationary Head Nozzle۵
Lantern Ring۲۶Stationary Tubesheet۶
Tie Rods and Spacers۲۷Tubes۷
Transverse Baffles or Support Plates۲۸Shell۸
Impingement Baffle or Plate۲۹Shell Cover۹
Longitudinal Baffle۳۰Shell Flange—Stationary Head End۱۰
Pass Partition۳۱Shell Flange—Rear Head End۱۱
Vent Connection۳۲Shell Nozzle۱۲
Drain Connection۳۳Shell Cover Flange۱۳
Instrument Connection۳۴Expansion Joint۱۴
Support Saddle۳۵Floating Tubesheet۱۵
Lifting Lug۳۶Floating Head Cover۱۶
Support Bracket۳۷Floating Head Flange۱۷
Floating Head Backing Device۱۸
Split Shear Ring۱۹
Slip-on Backing Flange۲۰
مشاهده  انتقال حرارت و انواع روش های آن + دانلود کتاب اینکروپرا

در شکل بالا مثال هایی از انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله نشان داده شد. مثال a,b,c مربوط به مبدل های نوع BEM, CFU, and AES

در شکل زیر نحوه نام گذاری مبدل های پوسته و لوله بر اساس استاندارد TEMA نشان داده شده است.

نحوه نام گذاری مبدل پوسته و لوله

تقسیم بندی مبدل پوسته و لوله بر اساس هدر

مبدل حرارتی پوسته و لوله بر اساس درپوش header به سه دسته اصلی تقسیم بندی می گردند.

  • مبدل‌ با تیوب شیت ثابت  Fixed tubesheet exchangers
  • مبدل‌ با لوله‌های U شکل  U-tube exchangers
  • مبدل‌ شیت شناور  Floating header exchangers

قبل از معرفی انواع مبدل های بالا ذکر چند نکته ضروری است:

tube sheet:  صفحه نگهدارنده لوله ها است كه لوله های روی آن جوش و يا پرچ شده اند.

نازل های سمت لوله هميشه روی درپوش ها قرار می گيرند. يعني مكان اين ها يا روی Stationary head است و يا روی Rear head و سيال درون لوله ها از طريق اين نازل ها هدايت می شود.

دانلود رایگان شبیه سازی مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله با تیوب شیت ثابت (L, M, and N Type Rear Headers)

در این نوع مبدل حرارتی تیوپ شیت به پوسته جوش داده می شوند. که منجر به ساخت ساده و اقتصادی مبدل می گردد. و همچنین این مبدل ها را یه روش های شیمیایی و مکانیکی می توان تمییز نمود. البته سطح بیرونی لوله ها غیر قابل دسترسی است و فقط به روش های شیمیایی می توان تمییز نمود.

نحوه نام گذاری مبدل پوسته و لوله

اگر اختلاف دمای زیادی بین لوله و پوسته وجود داشته باشد باید از یک بافل استفاده کنیم تنش های حرارتی را به حداقل برسانیم.

خصوصیات مبدل پوسته و لوله شیت ثابت Fixed Tube Sheet

  • لول ها در اين مبدل به صورت مستقيم هستند و دارای دو صفحه نگهدارنده لوله است اين دو صفحه ثابت اند و قابليت حركت ندارند. به همين دليل برای  حل مشكل انبساط احتمالی از يك اتصال آكاردئونی به نام لرزه گير (Expansion Joint) استفاده می شود. در صورتی كه فشار سيال زياد باشد يا سيال خيلی خورنده باشد ديگر نمی توان از اين اتصال استفاده كرد.
  • تمییز كردن لوله ها به روش مكانيكی امكانپذير است. اگر چنانچه سيال رسوب زا باشد بهتر است سيال رسوب زا داخل لوله ها فرستاده شود زيرا امكان تمييز كردن لوله ها وجود دارد.
  • در اين گونه مبدل ها عدم وجود اتصالات داخلی خط نشتی سيال حذف مي گردد. به همين دليل لوله ها به پوسته نزدیكتر شده در نتيجه تعداد لوله های بيشتری را می توان روی صفحه نگهدارنده لوله جای داد يعنی آخرين محدوده لوله گذاری (OTL= Outer Limit) اين مبدل از بقيه مبدل ها بزرگتر است به طوريكه OTL مبدل Fixed Tube sheet از همه مبدل ها بزرگتر است.

دانلود اسلاید مبدل پوسته و لوله Fixed Tube Sheet                       دانلود

مبدل حرارتی با لوله‌های U شکل

مبدل های حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند، نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود.

مبدل حرارتی u شکل

در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد. آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و لوله ، بسته به ظرفیت گرمایی، افت فشار ، سطح فشار، تشکیل رسوب، شیوه های ساخت و هزینه بری، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری، استفاده می شوند.

خصوصیات مبدل پوسته لوله U- Type

  • مهمترين خصوصيات این نوع مبدل ها خم U در داخل لوله ها است كه همين امر باعث شده است كه فقط داراي يك Tube sheet باشد. به خاطر اين خم U است كه تعداد گذرهای لوله هميشه زوج است براي مبدل Type- U گذرهای لوله فرد مفهومی ندارد. حداقل گذرهای لوله اين مبدل دو می باشد.
  • به علت عدم وجود اتصالات داخلی خط نشتی سيال حذف می گردد.
  • لوله ها را به دليل خم U نمی توان به روش مكانيكی تمييز كرد به همين دليل از روش شيميايی برای تمييز كردن لوله ها استفاده می شود يعنی اگر سيال رسوب زا باشد بهتر است سيال رسوب زا در داخل پوسته فرستاده شود.
  • عيب ديگران اين مبدل ها اين است كه لوله های محيطی را نمی توان تعويض كرد. در صورتيكه لوله های داخلی سوراخ شوند بايد دو طرف لوله را كور (plug) نمود. معمولا براي حل اين مشكل دسته لوله U شكل را با رديف های كمتری در نظر می گيرند تا پس از خم كردن لوله ها به تمامی آنها دسترس داشته باشيم.
  • به علت محدوديت در شعاع انحناء از فضای داخل پوسته به طور كامل نمی توان استفاده كرد بنابراين OTL اين مبدل نسبت به مبدل قبل كاهش می يابد.
مشاهده  احتراق در محیط متخلخل + دانلود رایگان کتاب محیط متخلخل کاویانی

OTL – (U-Yype) < OTL (fixed Tube sheet)

  • از كاربردهای مهم مبدل U- Type می توان آنرا در يك جوش آور برج تقطير يا يك ريبوبلر به كار برد.

 

مبدل حرارتی کلاهک شناور (P, S, T and W Type Rear Headers)

در این نوع مبدل حرارتی تیوپ شیت  در  انتهای مبدل به پوسته جوش داده نمی شود می تواند به راحتی باز شود و حرکت کند به همین دلیل به این مبدل ها شیت شناور می گویند.

در قسمت جلو مبدل، شیت لوله ها که قطر بزرگ تری نسبت به پوسته دارد، مشابه مبدل های حرارتی شیت ثابت به پوسته جوش داده می شود.

قطر تیوپ شیت در انتهای مبدل اندکی از قطر پوسته کوچکتر می باشد که می توان  از طریق آن دسته لوله ها را برای تمییز کاری بیرون کشید.  همچنین متحرک بودن کلاهک مبدل باعث می شود تا در مقابل انبساط حرارتی مقاوم تر گردد.

مبدل حرارتی کلاهک شناور

از انواع مختلف کلاهک در این نوع مبدل استفاده می گردد، اما استفاده از نوع S از محبوبیت بالاتری برخوردار است. یک مبدل حرارتی شیت متحرک برای کاربرد های حساس تر با گستره دمایی بالاتر و فشار بیشتر را می توان استفاده کرد اما به طور معمول هزینه ساخت این نوع مبدل ها حدود ۲۵ درصد بالا تر است.

انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله

موارد زیر در شکل نشان داده شده اند.

  • A-Type front header

  • B-Type front header

  • C-Type front header

انواع مبدل حرارتی

  • D-Type front header

  • N-Type front header

  • Y-Type front header

  • E-Type shell

  • F-Type shell

  • G-Type shell

  • H-Type shell

  • J-Type shell

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله

  • K-Type shell

  • X-Type shell

  • L-Type rear header

انواع مبدل

  • M-Type rear header

  • N-Type rear header

  • P-Type rear header

  • S-Type rear header

  • T-Type rear header

  • U-tube

  • W-Type rear header

طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله

براي افزايش تعداد گذرهای لوله (Tube Pass) از صفحات جدا كننده (Partition Plate) استفاده می كنند. اين صفحات باعث می گردند كه سيال مسير لوله ها را طي كند و دو بار از طول پوسته عبور كند كه در اين صورت تعداد گذرهاي لوله دو تا می باشد.

هرچه تعداد صفحات جدا كننده بيشتر باشد تعداد گذرها افزايش می يابد نحوه اتصال اين صفحات روی Tube Sheet و داخل درپوش ها به صورت جوش و شياری است.

تعداد گذرهای لوله از يك گذر شروع شده و تا ۱۶ گذر ادامه دارد و ضخامت استاندارد اين صفحات جدا كننده mm 9/15- 35/6 خواهد بود. برای افزايش تعداد گذرهای پوسته از بافل های طولی استفاده می كنند .

پارامترهای عملياتی تعيين كننده مبدل حراتی  پوسته و لوله

اگر دماي سيال گرم ورودی و خروجی را به تريب T۱ و T۲ نمايش دهيم و اگر دمای سيال سرد ورودی و خروجی را با t۱و t۲ نمايش دهيم خواهيم داشت:

که پارامتر عملياتی در تقسيم بندی مبدل حراتی  پوسته و لوله است يعنی:

فرمول مبدل حرارتی

 

 

 

تعیین نوع مبدل حرارتی

 

تمييز كردن مبدل حراتی پوسته لوله

به طور كلی دو روش برای تميز كردن مبدل ها وجود دارد

  • تمییز کردن مبدل های حرارتی به روش روش مكانيكی
  • تمییز کردن مبدل های حرارتی روش شیمیایی

در روش مكانيكی از فنر زدن و خارج كردن دسته لوله استفاده می شود. و در روش شیمیايی استفاده از حلال های مناسب و شستشو با اسيد استفاده می شود.

دانلود اسلاید مبدل حرارتی فارسی

دانلود اسلاید

۰%

امتیاز کاربران: اولین نفر باشید !

مطلب پیشنهادی

موتور وانکل- موتور دورانی

موتور وانکل موتور وانکل یا موتور دورانی زير مجموعه موتورهای احتراق داخلی می باشد. اما …

اسب بخار

همه مطالب در مورد اسب بخار !

 اسب بخار توسط جیمز وات(١۸١٩- ١۷٣۶) ابداع شد. بیشتر شهرت او به خاطر کارهایش برای …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *