تفاوت مبدل حرارتی صفحه ای و مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی چیست ؟

ساخت مبدل حرارتی، مبدل حرارتی یا «مبادله کننده حرارتی» (Heat Exchanger)، وسیله‌ای است که به منظور انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر در سیستم‌های گرمایش و سرمایش مورد استفاده قرار می‌گیرد.

حرارت بین سیالات در این وسایل، به صورت مستقیم (ترکیب دو سیال) یا غیر مستقیم منتقل می‌شود. مبدل های حرارتی از تجهیزات پرکاربرد در گرمایش محیط، ، تبرید، نیروگاه، کارخانه شیمیایی، کارخانه پتروشیمی، پالایشگاه نفت، پالایشگاه گاز و تصفیه فاضلاب هستند.

جریان یافتن درون کویل‌های رادیاتور، یکی از شناخته‌شده‌ترین مثال‌های عملکرد مبدل حرارتی است.

انواع مبدل های حرارتی کدام هستند؟

از متداول‌ترین انواع مبدل‌های حرارتی می‌توان به مبدل های حرارتی پوسته و لوله، مبدل های حرارتی دو لوله، مبدل های حرارتی صفحه ای، مبدل های حرارتی تودرتو، کندانسورها، اواپراتورها و بویلرها اشاره کرد. از میان انواع مختلف این وسایل، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، رواج و کاربرد بیشتری دارند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله، متداول‌ترین مبدل حرارتی مورد استفاده در صنایع مختلف

تقسیم‌بندی مبدل‌های حرارتی بر اساس آرایش جریان، ساخت (روش، المان‌های مورد استفاده، جنس مواد سازنده) و مکانیزم انتقال حرارت انجام می‌گیرد. بر اساس این معیارها، انواع مبدل های حرارتی عبارت هستند از:

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست ؟

«مبدل حرارتی پوسته و لوله» (Shell and Tube Heat Exchanger)، یکی از متداول‌ترین انواع مبدل های حرارتی است که معمولا در پالایشگاه‌های نفت و کارخانه‌های فرآیندی بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع مبدل، از یک مخزن تحت فشار (پوسته) و مجموعه‌ای از لوله‌های موازی نزدیک به هم (باندل) تشکیل می‌شود.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله بر اساس اصول کار می‌کنند. با جریان یافتن سیالات درون لوله‌ها، انتقال حرارت از سیال گرم به سیال سرد و برعکس انجام می‌گیرد. به این ترتیب، سیال درون سیستم به دمای مورد نظر می‌رسد و برای استفاده مجدد از درون مبدل خارج می‌شود.

مکانیزم عملکرد یکی از انواع استاندارد و رایج مبدل های حرارتی پوسته و لوله صنعتی

کاربرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله چیست؟

مبد‌ل های حرارتی پوسته و لوله در خنک‌سازی، پیش گرمایش، تولید بخار، بازیابی بخار و عملیات‌های مشابه کاربرد دارند. از متداول‌ترین حوزه‌های کاربرد این مبدل‌ها می‌توان به صنایع به نیروگاهی، تاسیسات سرمایشی، سازه‌های آبی، کارخانه‌های کاغذسازی، سیستم‌های تبرید، داروسازی، تجهیزات هوای فشرده، رنگ‌کاری صنعتی، معدنکاری و متالورژی اشاره کرد.

نمونه‌ای از مبدل های حرارتی پوسته و لوله مورد استفاده در پالایشگاه

انواع بسیار زیادی از مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله در بازار موجود هستند. قابلیت‌ها، مزایا و محدودیت‌های هر یک از این مبدل‌ها با یکدیگر تفاوت دارند. البته انعطاف‌پذیری بالا در طراحی این نوع مبدل حرارتی، امکان استفاده از آن در صنایع مختلف و شرایط عملیاتی متفاوت را فراهم می‌کند.

نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله چگونه است؟

مکانیزم مبدل های حرارتی پوسته و لوله، بر اساس عبور سیال گرم از درون سیال سرد و انتقال غیر مستقیم حرارت (عدم ترکیب شدن سیال‌ها) است. این نوع مبدل حرارتی، از یک پوسته و مجموعه‌ای از لوله‌ها تشکیل می‌شود.

یکی از سیال‌ها از درون پوسته و سیال دیگر از درون لوله‌ها عبور می‌کند. طی این فرآیند، انتقال حرارت بین دو سیال صورت می‌گیرد. به عبارت دیگر، سیال سرد، حرارت سیال گرم را می‌گیرد.

مکانیزم انتقال حرارت در مبدل حرارتی پوسته و لوله U شکل

تصویر متحرک بالا، مکانیزم عملکرد یک مبدل حرارتی پوسته و لوله U شکل را نمایش می‌دهد. در این مبدل، سیال سرد از درون مجرای ورودی زیر پوسته (اصطلاحا مجرای سمت لوله یا سمت کانال)، وارد سیستم شده و با عبور از مسیر لوله‌ها، به صورت گرم (با دمای بالاتر)، از بالای پوسته (مجرای سمت لوله) خارج می‌شود. سیال دیگر (سیال ورودی از مجرای سمت پوسته)، با عبور از مسیر پوسته و اطراف لوله‌ها، به صورت سرد (با دمای پایین‌تر)، از سیستم خارج می‌شود.

پیکربندی مبدل حرارتی پوسته و لوله

در مبدل حرارتی پوسته و لوله، میزان انتقال حرارت بین دو سیال، به میزان تماس سیال درون پوسته با سطح اطراف لوله‌ها بستگی دارد. این پارامتر، تابعی از تعداد لوله‌های موجود در مبدل است. در تصویر بالا، هر دو مجرای ورودی و خروجی سمت لوله در یک سمت پوسته قرار دارند. این پیکربندی، به معنای زوج بودن مسیرهای عبور سیال از درون لوله‌ها است. در صورت فرد بودن تعداد مسیرها، مجرای خروجی بر روی بخش عقب پوسته تعبیه می‌شد. افزایش تعداد مسیرها، ضریب انتقال حرارت را افزایش می‌دهد. در بخش بعدی، به معرفی اجزای مبدل های حرارتی پوسته و لوله می‌پردازیم.

اجزای مبدل های حرارتی پوسته و لوله چه هستند؟

پوسته، مجرای سمت لوله، لوله‌ها (باندل)، تیوب شیت، کانال سمت لوله، مجرای سمت پوسته، بافل و میله‌های نگهدارنده از اجزای اصلی در مبدل های حرارتی پوسته و لوله هستند.

اجزای انواع متداول مبدل های حرارتی پوسته و لوله (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگ‌تر )

در تصویر بالا، اجزای مختلف مبدل حرارتی پوسته و لوله نوع BEM (ثابت)، CFU (منحنی شکل) و AES (سری شناور) علامت‌گذاری شده‌اند. عنوان هر یک این اجزا عبارت است از:

برخی از اجزای بالا برای دیگر انواع مبدل‌های معرفی شده در استاندارد TEMA هستند. در ادامه، به توضیح برخی از مهم‌ترین اجزای مشترک در تمام مبدل های حرارتی پوسته و لوله می‌پردازیم.

لوله مبدل حرارتی پوسته و لوله

یا به طور دقیق‌تر «تیوب» (Tube)، از مهم‌ترین اجزای مبدل های حرارتی پوسته و لوله به شمار می‌رود که وظیفه تامین سطح مورد نیاز برای انتقال حرارت، بین سیالات را بر عهده دارد. لوله‌های مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، معمولا از جنس مس یا آلیاژهای فولادی با اتصالات بدون درز یا جوشی هستند. لوله‌هایی از جنس نیکل، تیتانیوم یا آلومینیومی، معمولا برای کاربری‌های خاص استفاده می‌شوند. ساخت لوله‌های بدون درز طی فرآیند اکستروژن و ساخت لوله‌های جوشی طی فرآیند نورد انجام می‌گیرد. لوله‌های جوشی، صرفه اقتصادی بیشتری دارند.

نمایی از لوله‌های یک مبدل حرارتی پوسته و لوله با آرایش مربعی

سطح خارجی لوله های مبدل های حرارتی پوسته و لوله، از نوع ساده یا پره‌دار است. لوله پره دار، برای سیالاتی با ضریب انتقال حرارتی بسیار پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. سطوح این لوله، مساحت انتقال حرارت سیالات را نسبت به سطوح لوله ساده، دو تا چهار برابر بیشتر می‌کنند. قطر لوله های مبدل حرارتی پوسته و لوله معمولا برابر 16 میلی‌متر، 19 میلی‌متر و 25 میلی‌متر است. امکان استفاده از لوله‌های کوچک‌تر از این ابعاد نیز وجود دارد. با این وجود، هر چه قطر لوله کمتر باشد، تمیزکاری آن دشوارتر خواهد بود.

لوله های پره دار

لوله‌های دارای قطر بزرگ‌تر، به منظور سهولت تمیزکاری یا کاهش افت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند. ضخامت دیواره لوله‌های مبدل حرارتی پوسته و لوله بین 1.65 میلی‌متر تا 2.76 میلی‌متر تغییر می‌کند. ضخامت‌های پایین، در هنگام استفاده از لوله‌هایی از جنس مواد نسبتا گران (مانند تیتانیوم) انتخاب م‍‍ی‌شوند. به مجموعه لوله‌‌های درون مبدل، «باندل» (Bundle) می‌گویند.

آرایش لوله مبدل حرارتی پوسته و لوله

آرایش لوله‌های مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، به صورت مثلثی (30 یا 60 درجه) و مربعی (عادی یا دوران یافته) است. آرایش مربعی، در شرایطی مورد استفاده قرار می‌گیرد که نیاز به تمیزکاری مکانیکی سطح لوله‌ها باشد. در طرف مقابل، آرایش مثلثی، امکان استفاده از تعداد لوله‌های بیشتر در فضای برابر را فراهم می‌کند.

آرایش مثلثی در مبدل های حرارتی پوسته و لوله

گام لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله

به نزدیک‌ترین فاصله بین مرکز لوله‌ها، «گام» (Pitch) می‌گویند. این فاصله، معمولا بین 1.25 تا 1.33 برابر قطر خارجی لوله‌ها است. گام لوله، بر روی افت فشار و سرعت سیال در سمت پوسته تاثیر می‌گذارد. الگوی گام لوله در اغلب موارد به صورت مثلثی است. این الگو، باعث افزایش میزان انتقال حرارت و تراکم ساختار مبدل می‌شود. با این وجود، تمیزکاری مکانیکی مبدل های پوسته لوله با الگوی مربعی ساده‌تر است.

انواع الگوی گام لوله

تیوب شیت مبدل حرارتی پوسته و لوله

صفحه لوله یا «تیوب شیت» (Tubesheet)، یک صفحه دایره‌ای است که به منظور نگهداری لوله‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. لوله‌ها، از درون حفره‌های موجود در صفحات عبور می‌کنند. لوله و تیوب شیت، توسط شیارهای سطحی یا جوشکاری به یکدیگر متصل می‌شوند. دلیل این کار، جلوگیری از ترکیب شدن سیال سمت پوسته با سیال سمت لوله است.

نمونه‌ای از یک تیوب شیت مبدل حرارتی پوسته و لوله، پیش از نصب لوله‌ها

مبدل های حرارتی پوسته و لوله، به غیر از نوع U شکل، از دو تیوب شیت تشکیل می‌شوند. اتصال لوله و صفحه به گونه‌ای است که از انبساط مکانیکی المان‌ها جلوگیری می‌کند. استفاده از صفحات دوبل، احتمال ترکیب سیالات را کاهش می‌دهد. در این حالت، فضای بین دو تیوب شیت در معرض فشار اتمسفر قرار می‌گیرد. به این ترتیب، نشت هر یک از سیالات، در کوتاه‌ترین زمان ممکن تشخیص داده می‌شود. تیوب شیت باید از مقاومت مناسب در برابر خوردگی ناشی از تماس با سیالات و سازگاری الکتروشیمیایی خوب با ماده سازنده لوله برخوردار باشد