مبدل گرمایی یا مبدل حرارتی ( Heat exchanger) وسیله ای است که برای انتقال حرارت مؤثر بین دو سیال (گاز یا مایع) به دیگری استفاده می‌شود.
عموما تجهیزات حرارتی در سیستم های فرآیندی مثل پالایشگاه ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند.
- کوره (Furnace)
- مبدل حرارتی (Heat Exchanger)
فرق کوره و مبدل حرارتی در منبع گرمایشی است، یعنی اینکه منبع گرمایشی در کوره سوخت های مایع و گازی است. در حالیکه در مبدل حرارتی منبع گرمایشی سیال گرم است.
در کوره با توجه به نوع منبع گرمایشی مکانیزم انتقال حرارت به صورت جا به جایی (Convection) و تشعشعی (Radiation) توام می باشد، حال آنکه مکانیزم انتقال حرارت در مبدل حرارتی فقط جا به جایی (Convection) است.
هدف در مبدل حرارتی مجاورت یک سیال گرم با یک سیال سرد است به طوریکه انتقال حرارت به طریقه جا به جایی باعث گرم شدم سیال سرد گردد.
مبدل حرارتی از نظر تغییر فاز سیال
تقسیم بندی مبدل های حرارتی از نظر فاز عموما به دو صورت زیر است:
- مبدل حرارتی که همراه تغییر فاز است. مثل ریبویلر (Reboiler)- کندانسور (Condensor) تبخیر کننده (Evapoator)
- مبدل حرارتی که همراه با تغییر فاز نیستند. مثل مبدل پوسته- لوله (shell and Tube)
مبدل حرارتی یکی از متداول ترین تجهیزات در فرآیندهای شیمیایی هستند و در بسیاری از واحدهای صنعتی بکار میروند. مبدل ها امکان انتقال انرژی حرارتی بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف را فراهم می نمایند.
کابرد مبدل حرارتی
کاربرد مبدل های حرارتی بسیار وسیع بوده و با نرخ رو به رشدی در حال افزایش می باشند. این کاربردها شامل نیروگاه ها، پالایشگاه ها، صنایع پتروشیمی، صنایع ساخت و تولید، صنایع فرآیندی، صنایع غذایی و دارویی، صنایع ذوب فلز، گرمایش، تهویه مطبوع، سیستم های تبرید و کاربردهای فضایی می باشند.
مبدل حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار، مولد بخار، کندانسور، تبخیر کننده ها، برج خنککن، پیش گرم کن فن کویل، خنک کن و گرم کن روغن، رادیاتور ها، کوره ها و … کاربرد فراوان دارند.
طراحی انواع مبدل های حرارتی با یکدیگر متفاوت بوده و شناخت انواع گوناگون مبدل حرارتی امکان بهینه سازی عملکرد این مبدل ها را فراهم می نمایند.
در این مقاله سعی بر معرفی، طراحی و بهینه سازی مبدل حرارتی پوسته لوله ای شده است، که عموما در صنایع کاربرد بیشتری دارد و به وفور می توان آنها را مشاهده کرد.
مبدل پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)
مبدل پوسته و لوله تنها مبدل هایی هستند که در دمای بیشتر از ۳۶۰ درجه سانتی گراد کاربرد دارند و فشارهای بیش از ۳۰ بار را تحمل می کنند.
این نوع مبدل حرارتی بر اساس استانداردtema که استاندارد آمریکا و شرکت 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.
پوسته یک مبدل حرارتی، یک بخش استوانه ای است که تعداد لوله درون آن قرار گرفته است. جنس لوله ها معمولا از روی، آلومینیوم، فولاد و یا یکی از آلیاژهای مس، نیکل و یا فولاد ضد زنگ است.
درپوش ها با هدهای یک مبدل حرارتی در دو طرف پوسته قرار دارند، که یکی موسوم به Stationary head و دیگری موسوم به Rear head است. به طور کلی طبق استاندارد مهم ترین پارامتر ساختمانی که به علت تقسیم بندی مبدل های پوسته و لوله می گردد تفاوت در rear head این مبدل ها است.
اجزای اصلی مبدل حرارتی لوله و پوسته در شکل زیر نشان داده شده است.
|
Shell and tube geometric terminology | |||
| Floating Tubesheet Skirt | ۲۱ | Stationary (Front) Head—Channel | ۱ |
| Floating Tubesheet Skirt | ۲۲ | Stationary (Front) Head—Bonnet | ۲ |
| Packing Box Flange | ۲۳ | Stationary (Front) Head Flange | ۳ |
| Packing | ۲۴ | Channel Cover | ۴ |
| Packing Follower Ring | ۲۵ | Stationary Head Nozzle | ۵ |
| Lantern Ring | ۲۶ | Stationary Tubesheet | ۶ |
| Tie Rods and Spacers | ۲۷ | Tubes | ۷ |
| Transverse Baffles or Support Plates | ۲۸ | Shell | ۸ |
| Impingement Baffle or Plate | ۲۹ | Shell Cover | ۹ |
| Longitudinal Baffle | ۳۰ | Shell Flange—Stationary Head End | ۱۰ |
| Pass Partition | ۳۱ | Shell Flange—Rear Head End | ۱۱ |
| Vent Connection | ۳۲ | Shell Nozzle | ۱۲ |
| Drain Connection | ۳۳ | Shell Cover Flange | ۱۳ |
| Instrument Connection | ۳۴ | Expansion Joint | ۱۴ |
| Support Saddle | ۳۵ | Floating Tubesheet | ۱۵ |
| Lifting Lug | ۳۶ | Floating Head Cover | ۱۶ |
| Support Bracket | ۳۷ | Floating Head Flange | ۱۷ |
| Floating Head Backing Device | ۱۸ | ||
| Split Shear Ring | ۱۹ | ||
| Slip-on Backing Flange | ۲۰ | ||
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.
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.
- مبدل‌های با تیوب شیت ثابت Fixed tubesheet exchangers
- مبدل‌های با لوله‌های U شکل U-tube exchangers
- مبدل‌های شیت شناور Floating header exchangers
قبل از معرفی انواع مبدل های بالا ذکر چند نکته ضروری است:
tube sheet: صفحه نگهدارنده لوله ها است که لوله های روی آن جوش و یا پرچ شده اند.
نازل های سمت لوله همیشه روی درپوش ها قرار می گیرند. یعنی مکان این ها یا روی Stationary head است و یا روی Rear head و سیال درون لوله ها از طریق این نازل ها هدایت می شود.
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.
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 این مبدل به صورت مستقیم هستند و دارای دو صفحه نگهدارنده لوله است این دو صفحه ثابت اند و قابلیت حرکت ندارند. به همین دلیل برای حل مشکل انبساط احتمالی از یک اتصال آکاردئونی به نام لرزه گیر (Expansion Joint) استفاده می شود. در صورتی که فشار سیال زیاد باشد یا سیال خیلی خورنده باشد دیگر نمی توان از این اتصال استفاده کرد.
- تمییز کردن لوله ها به روش مکانیکی امکانپذیر است. اگر چنانچه سیال رسوب زا باشد بهتر است سیال رسوب زا داخل لوله ها فرستاده شود زیرا امکان تمییز کردن لوله ها وجود دارد.
- در این گونه مبدل ها عدم وجود اتصالات داخلی خط نشتی سیال حذف می گردد. به همین دلیل لوله ها به پوسته نزدیکتر شده در نتیجه تعداد لوله های بیشتری را می توان روی صفحه نگهدارنده لوله جای داد یعنی آخرین محدوده لوله گذاری (OTL= Outer Limit) این مبدل از بقیه مبدل ها بزرگتر است به طوریکه OTL مبدل Fixed Tube sheet از همه مبدل ها بزرگتر است.
دانلود اسلاید مبدل پوسته و لوله Fixed Tube Sheet
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.
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
- مهمترین خصوصیات این نوع مبدل ها خم U در داخل لوله ها است که همین امر باعث شده است که فقط دارای یک Tube sheet باشد. به خاطر این خم U است که تعداد گذرهای لوله همیشه زوج است برای مبدل Type- U گذرهای لوله فرد مفهومی ندارد. حداقل گذرهای لوله این مبدل دو می باشد.
- به علت عدم وجود اتصالات داخلی خط نشتی سیال حذف می گردد.
- لوله ها را به دلیل خم U نمی توان به روش مکانیکی تمییز کرد به همین دلیل از روش شیمیایی برای تمییز کردن لوله ها استفاده می شود یعنی اگر سیال رسوب زا باشد بهتر است سیال رسوب زا در داخل پوسته فرستاده شود.
- عیب دیگران این مبدل ها این است که لوله های محیطی را نمی توان تعویض کرد. در صورتیکه لوله های داخلی سوراخ شوند باید دو طرف لوله را کور (plug) نمود. معمولا برای حل این مشکل دسته لوله U شکل را با ردیف های کمتری در نظر می گیرند تا پس از خم کردن لوله ها به تمامی آنها دسترس داشته باشیم.
- به علت محدودیت در شعاع انحناء از فضای داخل پوسته به طور کامل نمی توان استفاده کرد بنابراین OTL این مبدل نسبت به مبدل قبل کاهش می یابد.
OTL – (U-Yype) < OTL (fixed Tube sheet)
- از کاربردهای مهم مبدل U- Type می توان آنرا در یک جوش آور برج تقطیر یا یک ریبوبلر به کار 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.
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
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
K-Type shell
X-Type shell
L-Type rear header
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
برای افزایش تعداد گذرهای لوله (Tube Pass) از صفحات جدا کننده (Partition Plate) استفاده می کنند. این صفحات باعث می گردند که سیال مسیر لوله ها را طی کند و دو بار از طول پوسته عبور کند که در این صورت تعداد گذرهای لوله دو تا می باشد.
هرچه تعداد صفحات جدا کننده بیشتر باشد تعداد گذرها افزایش می یابد نحوه اتصال این صفحات روی Tube Sheet و داخل درپوش ها به صورت جوش و شیاری است.
تعداد گذرهای لوله از یک گذر شروع شده و تا ۱۶ گذر ادامه دارد و ضخامت استاندارد این صفحات جدا کننده mm 9/15- 35/6 خواهد بود. برای افزایش تعداد گذرهای پوسته از بافل های طولی استفاده می کنند .
پارامترهای عملیاتی تعیین کننده مبدل حراتی پوسته و لوله
اگر دمای سیال گرم ورودی و خروجی را به تریب T۱ و T۲ نمایش دهیم و اگر دمای سیال سرد ورودی و خروجی را با t۱و t۲ نمایش دهیم خواهیم داشت:
که پارامتر عملیاتی در تقسیم بندی مبدل حراتی پوسته و لوله است یعنی:
تمییز کردن مبدل حراتی پوسته لوله
به طور کلی دو روش برای تمیز کردن مبدل ها وجود دارد
- تمییز کردن مبدل های حرارتی به روش روش مکانیکی
- تمییز کردن مبدل های حرارتی روش شیمیایی
در روش مکانیکی از فنر زدن و خارج کردن دسته لوله استفاده می شود. و در روش شیمیایی استفاده از حلال های مناسب و شستشو با اسید استفاده می شود.
دانلود اسلاید مبدل حرارتی فارسی
- ۹۷/۰۹/۲۱