مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell & tube) زیر مجموعه ی مبدل های لوله ای می باشند.در واقع نوعی مبدل حرارتی است که معمولاً در کاربردهای مختلف صنعتی برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می شود.

گروه صنعتی اکسرژی زیر مجموعه ی گروه صنعتی طراحان کالا که سابقه درخشانی در زمینه تامین کلیه تجهیزات تاسیساتی صنعتی متقاضیان عزیز را داشته شما را دعوت به مطالعه مقاله زیر می کند.به امید رضایت شما دوستان عزیز

ساختار مبدل پوسته لوله

این مبدل شامل یک پوسته (یک ظرف استوانه ای یا مستطیلی) است که لوله های متعددی از آن عبور می کنند. یک سیال در داخل لوله ها جریان دارد، در حالی که دیگری در خارج از لوله ها در داخل پوسته جریان دارد. گرما از طریق دیواره های لوله از یک سیال به سیال دیگر منتقل می شود ، به مجموعه لوله ها (tube bundle) می گویند.این  مبدل حرارتی پرکاربردترین مبدل در پالایشگاه های نفت و فرآیندهای شیمیایی بزرگ است که برای فشار بالاتر استفاده میشود.

shell&tube heat exchainger-exergy-tarahan kala

انواع لوله ها در مبدل 

ممکن است از چندین نوع لوله تشکیل شده باشد: ساده، باله دار طولی و غیره.

 

نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته لوله

در اینجا نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله به طور معمول آمده است:

  • سیالات:

دو سیال اصلی در فرآیند تبادل گرما دخیل هستند – سیال “گرم” و سیال “سرد”. سیال داغ مایعی است که باید خنک شود، در حالی که سیال سرد آن چیزی است که باید گرم شود.

  • Tube Bundle:

داخل پوسته، دسته ای از لوله ها قرار دارد. این لوله ها بسته به طرح می توانند مستقیم یا U شکل باشند. سیال گرم از طریق لوله ها جریان می یابد و سیال سرد از بیرون لوله ها جریان می یابد.

  • انتقال حرارت:

گرما از طریق دیواره های لوله از سیال گرم به سیال سرد منتقل می شود. این انتقال به دلیل اختلاف دما بین دو سیال اتفاق می افتد. سیال داغ هنگام عبور از لوله ها گرما را از دست می دهد، در حالی که سیال سرد با عبور از بیرون لوله ها گرما به دست می آورد.

  • بافل ها:

بافل ها اغلب در داخل پوسته قرار می گیرند تا جریان سیالات را هدایت کنند. آنها با افزایش تلاطم و جلوگیری از دور زدن سیالات از لوله ها به بهبود راندمان انتقال حرارت کمک می کنند.

  • جهت جریان:

مبدل های حرارتی پوسته و لوله می توانند ترتیبات موازی یا مخالف جریان داشته باشند. در جریان موازی، هر دو سیال در یک انتها وارد و در انتهای دیگر در یک جهت خارج می شوند. در جریان متقابل، سیالات در دو طرف مخالف وارد می شوند و در جهت مخالف جریان می یابند. ترتیبات جریان مخالف عموماً در انتقال حرارت کارآمدتر هستند.

  1. تمیز کردن لوله:

با گذشت زمان، رسوبات می توانند روی سطوح لوله جمع شوند و کارایی انتقال حرارت را کاهش دهند. ممکن است برای حفظ عملکرد مبدل نیاز به تمیز کردن یا نگهداری دوره ای باشد.

انواع و طرح‌های مختلف مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله برای برآوردن نیازهای خاص، از جمله پیکربندی‌های تک پاس، چند پاس و جریان متقاطع وجود دارد. انتخاب طرح مبدل حرارتی به عواملی مانند نوع سیال، محدوده دما، سرعت جریان و بازده انتقال حرارت مورد نظر بستگی دارد.

shell&tube heat exchainger- exergy-tarahan kala

انواع مبدل حرارتی  پوسته لوله

مبدل پوسته و لوله تک پاس

نوعی از پیکربندی مبدل حرارتی پوسته و لوله است که در آن یکی از سیالات تنها یک بار از لوله ها عبور می کند. در این طرح سیالی که از لوله ها می گذرد از یک سر وارد می شود و در یک گذر از لوله ها عبور می کند و از سر دیگر خارج می شود. سیال دیگر، که معمولاً حجم بیشتری دارد، در اطراف بیرون لوله ها در داخل پوسته جریان دارد.

در اینجا برخی از ویژگی ها و ملاحظات کلیدی مبدل های حرارتی پوسته و لوله تک پاس آورده شده است:

  • یک بار عبور لوله:

در طراحی یک گذر، سیال داخل لوله ها یک گذر را از بسته لوله انجام می دهد. این پیکربندی اغلب زمانی استفاده می‌شود که اختلاف دمای نسبتاً کمی بین دو سیال وجود داشته باشد یا زمانی که یکی از سیالات به‌ویژه خورنده است و باید درون لوله‌ها قرار گیرد.

  • پیکربندی پوسته و لوله:

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله تک پاسی از یک پوسته استوانه‌ای تشکیل شده‌اند که دسته‌ای از لوله‌ها از میان آن عبور می‌کنند. دو سیال درگیر در فرآیند تبادل حرارت معمولاً در یک فاز هستند (هر دو مایع یا هر دو گاز) زیرا تغییر فاز معمولاً در یک پاس اتفاق نمی‌افتد.

  • کاربردها:

مبدل های حرارتی تک پاس در طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی، از جمله سیستم های HVAC، گرمایش و سرمایش فرآیند، و تولید برق و غیره استفاده می شوند. آنها اغلب در شرایطی استفاده می شوند که سادگی و مقرون به صرفه بودن ضروری است.

  • ملاحظات طراحی:

طراحی یک مبدل حرارتی تک گذر به عوامل مختلفی از جمله دبی، دما، ملاحظات فشار و خواص فیزیکی سیالات در حال مبادله بستگی دارد. انتخاب مواد برای لوله ها و پوسته بسیار مهم است، به ویژه در هنگام برخورد با سیالات خورنده یا با دمای بالا.

  • راندمان:

مبدل های حرارتی تک گذر ممکن است به اندازه طرح های چند گذر مانند پیکربندی های دو گذر یا چند گذر کارآمد نباشند، زیرا سیال درون لوله ها زمان تماس زیادی با سیال در پوسته ندارد. با این حال، آنها هنوز هم می توانند برای بسیاری از کاربردها موثر باشند، به خصوص زمانی که اختلاف دما بین دو سیال نسبتاً کم باشد.

  • جریان مخالف در مقابل جریان موازی:

مبدل های حرارتی تک پاسی را می توان با ترتیب جریان مخالف یا موازی طراحی کرد. در چیدمان جریان متقابل، سیالات در انتهای مخالف وارد می شوند و در جهت مخالف جریان می یابند که به طور معمول باعث بازده انتقال حرارت بهتر می شود. در آرایش جریان موازی، هر دو سیال در یک انتها وارد می شوند و در یک جهت جریان می یابند.

به طور خلاصه، یک مبدل حرارتی پوسته و لوله تک گذر، یک پیکربندی مبادله حرارتی مستقیم است که در آن یکی از سیالات یک گذر از لوله ها ایجاد می کند، در حالی که دیگری در اطراف بیرون لوله ها در داخل پوسته جریان دارد. این مبدل‌های حرارتی معمولاً در کاربردهای صنعتی مختلف استفاده می‌شوند، به‌ویژه زمانی که ملاحظات سادگی و هزینه مهم هستند. طراحی و انتخاب مواد برای اطمینان از اینکه مبدل حرارتی نیازهای خاص برنامه را برآورده می کند، حیاتی است.

shell # tube-signle pass -exergy-tarahankala

مبدل پوسته و لوله چند پاس

مبدل حرارتی پوسته و لوله چند پاسی نوعی از طراحی مبدل حرارتی است که در آن هر دو سیال سمت پوسته و سیال سمت لوله چندین بار از مبدل حرارتی عبور می‌کنند و چندین گذر را ایجاد می‌کنند. این طرح برای افزایش راندمان انتقال حرارت استفاده می شود و اغلب زمانی استفاده می شود که اختلاف دمای قابل توجهی بین دو سیال وجود داشته باشد. مبدل های حرارتی چند گذر می توانند کارآمدتر از طرح های تک گذری باشند زیرا زمان تماس بین دو سیال را به حداکثر می رساند.

در اینجا برخی از ویژگی ها و ملاحظات کلیدی مبدل های حرارتی پوسته و لوله چند پاسی آورده شده است:

لوله‌های چندگانه :

مبدل‌های حرارتی چند گذر دارای دسته‌ای از لوله‌ها هستند که یکی از سیالات از میان آن‌ها جریان می‌یابد. سیال دیگر در اطراف بیرون این لوله ها در داخل پوسته جریان دارد.

پیکربندی لوله :

لوله ها را می توان در پیکربندی های مختلف، مانند مستقیم، U شکل یا مارپیچ مرتب کرد. انتخاب پیکربندی لوله به عواملی مانند الزامات انتقال حرارت، خواص سیال و محدودیت فضا بستگی دارد.

بافل ها :

بافل ها اغلب در داخل پوسته برای هدایت جریان سیال سمت پوسته استفاده می شوند. آنها به ایجاد تلاطم و کنترل الگوی جریان کمک می کنند که کارایی انتقال حرارت را بهبود می بخشد.

الگوهای جریان :

مبدل های حرارتی چند گذری می توانند الگوهای جریان متفاوتی از جمله جریان موازی، جریان مخالف یا ترکیبی از هر دو داشته باشند. ترتیبات جریان مخالف معمولاً برای تبادل گرما کارآمدتر هستند زیرا اختلاف دما بین دو سیال را در طول مسیر جریان آنها به حداکثر می‌رسانند.

کاربردها :

مبدل های حرارتی چند پاس در صنایع و کاربردهای مختلفی از جمله فرآوری شیمیایی، تولید برق، سیستم های HVAC و تولید صنعتی استفاده می شود. آنها برای شرایطی که انتقال حرارت کارآمد حیاتی است مناسب هستند.

راندمان :

مبدل های حرارتی چند گذر برای به حداکثر رساندن سطح انتقال حرارت و افزایش زمان ماندن سیالات در مبدل حرارتی طراحی شده اند. این امکان انتقال حرارت بهتر را فراهم می کند و به ویژه هنگام برخورد با سیالات با اختلاف دمای بالا مفید است.

چگالش و تبخیر :

مبدل های حرارتی چند گذری معمولاً در کاربردهایی که تغییرات فاز رخ می دهد، مانند فرآیندهای تراکم و تبخیر استفاده می شود. عبورهای متعدد به اطمینان از انتقال حرارت کارآمد تغییر فاز کمک می کند.

تعمیر و نگهداری :

در حالی که مبدل های حرارتی چند گذر می توانند کارآمدتر باشند، همچنین می توانند در مقایسه با طرح های تک گذر، تمیز کردن و نگهداری آن ها پیچیده تر و سخت تر باشند. نگهداری منظم برای اطمینان از عملکرد مطلوب بسیار مهم است.

ملاحظات طراحی :

طراحی یک مبدل حرارتی چند گذر شامل بررسی دقیق عواملی مانند نرخ جریان سیال، محدوده دما، فشار مورد نیاز و انتخاب مواد برای رسیدگی به خواص خاص سیالات درگیر است.

و سخن آخر این که  مبدل های حرارتی پوسته و لوله چند پاسی برای بهبود کارایی انتقال حرارت با اجازه دادن به سیالات سمت لوله و سمت پوسته برای عبور چندین بار از مبدل حرارتی طراحی شده اند. این طراحی به ویژه در هنگام برخورد با تفاوت های دما و فرآیندهای تغییر فاز مفید است. طراحی و نگهداری مناسب برای عملکرد مطلوب ضروری است.

multi-pass shell&tube heat exchainger heat exchainger -exergy-tarahankala

مبدل حرارتی تک فاز

 

مبدل حرارتی تک فاز نوعی مبدل حرارتی است که در آن سیالات سرد و گرم درگیر در فرآیند تبادل حرارتی در یک فاز وجود دارند، به این معنی که هر دو مایع یا هر دو گاز هستند. هیچ تغییر فازی (مانند تبخیر یا تراکم) در طول فرآیند تبادل حرارتی رخ نمی دهد. مبدل های حرارتی تک فاز معمولاً برای کاربردهایی استفاده می شوند که هدف اصلی آن کنترل دمای سیال یا انتقال گرما بین دو سیال هم فاز است.

در اینجا برخی از ویژگی ها و نمونه های کلیدی مبدل های حرارتی تک فاز آورده شده است:

1-مایع به مایع (مایع):

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، مایعات به عنوان سیال خنک کننده یا گرمایشی استفاده می شود. مبدل های حرارتی تک فاز مایع به مایع برای انتقال حرارت بین دو جریان مایع استفاده می شود. نمونه های رایج عبارتند از مبدل های آب خنک کننده در نیروگاه ها و خنک کننده های روغن در موتورهای خودرو.

2. گاز به گاز (گازها):

مبدل های حرارتی گاز به گاز تک فاز برای تبادل حرارت بین دو جریان گاز استفاده می شود. به عنوان مثال، در سیستم‌های HVAC، مبدل‌های حرارتی هوا به هوا می‌توانند هوای تازه ورودی را با استفاده از هوای خروجی پیش گرم یا خنک کنند و بازده انرژی را بهبود بخشند.

3.مایع به گاز (مایع و گاز):

در برخی کاربردها، انتقال حرارت بین مایع و گاز اتفاق می افتد. به عنوان مثال، در سیستم های تهویه مطبوع، کویل های مبرد گرما را از هوای داخل (گاز) به مبرد (مایع) در کویل اواپراتور یا از مبرد (گاز) به هوای بیرون (گاز) در کویل کندانسور منتقل می کنند. اینها نمونه هایی از مبدل های حرارتی مایع به گاز و گاز به مایع هستند.

4.تغییرات طراحی:

مبدل های حرارتی تک فاز در طرح های مختلفی از جمله مبدل های حرارتی پوسته و لوله، صفحه، لوله پره دار و سیم پیچ عرضه می شوند. انتخاب طرح به عواملی مانند محدوده دما، نرخ جریان، فشار مورد نیاز و محدودیت فضا بستگی دارد.

5.کاربردها:

مبدل های حرارتی تک فاز به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع، فرآوری شیمیایی، مواد غذایی و آشامیدنی، داروسازی و خنک کننده الکترونیک استفاده می شوند. آنها برای حفظ یا کنترل دما در فرآیندهای صنعتی، ساختمان ها و تجهیزات ضروری هستند.

 مبدل های حرارتی تک فاز برای انتقال حرارت بین دو سیال که در یک فاز هستند (هر دو مایع یا هر دو گاز) طراحی شده اند، بدون اینکه هیچ تغییر فازی در طول فرآیند تبادل حرارتی رخ دهد. آنها در کاربردهای متعددی که کنترل دما و انتقال حرارت حیاتی هستند، نقش مهمی دارند.

 

مبدل حرارتی دو فاز

مبدل حرارتی پوسته و لوله دوفاز نوع خاصی از مبدل حرارتی است که برای کنترل سیالات در دو فاز مختلف طراحی شده است که معمولاً شامل تبادل گرما بین فاز مایع و بخار (یا گاز) است. این مبدل‌های حرارتی معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آن یک سیال در طول فرآیند انتقال گرما دچار تغییر فاز می‌شود، مانند تبرید، تهویه مطبوع و برخی فرآیندهای صنعتی. بیایید ویژگی ها و ملاحظات کلیدی مبدل های حرارتی پوسته و لوله دو فاز را بررسی کنیم:

1.تغییر فاز:

در مبدل های حرارتی دو فاز، ویژگی اولیه این است که یکی از سیال ها در طی فرآیند تبادل حرارت، فاز خود را از مایع به بخار (یا برعکس) تغییر می دهد. این تغییر فاز با انتقال گرمای نهفته قابل توجهی همراه است که می تواند کارآمدتر از انتقال حرارت محسوس به تنهایی باشد.

   2.تبخیر یا تراکم:

رایج ترین سناریو برای یک مبدل حرارتی پوسته و لوله دو فاز، تبخیر یا تراکم یک سیال است. به عنوان مثال، در یک سیستم تهویه مطبوع، سیم پیچ اواپراتور در داخل واحد داخلی، یک مبرد مایع را تبخیر می کند و به بخار تبدیل می کند و گرما را از هوای اطراف جذب می کند. در مقابل، سیم پیچ کندانسور در واحد خارجی، بخار را دوباره به مایع تبدیل می کند و گرما را به هوای بیرون آزاد می کند.

   3.طراحی لوله:

سمت لوله یک مبدل حرارتی پوسته و لوله دو فاز معمولاً حاوی سیالی است که تحت تغییر فاز قرار می گیرد. لوله ها ممکن است سطوح یا ویژگی های بهبود یافته ای برای بهبود راندمان انتقال حرارت در طول فرآیند تغییر فاز داشته باشند.

   4.طراحی پوسته:

سمت پوسته مبدل حرارتی سیال دیگر را در خود جای می دهد که در یک فاز (یا مایع یا گاز) باقی می ماند. بافل ها و سایر اجزا ممکن است برای بهبود انتقال حرارت و کنترل جریان سیال استفاده شوند.

   5.پیکربندی جریان:

مبدل های حرارتی دو فاز را می توان با پیکربندی های جریان مختلف، از جمله جریان موازی (هر دو سیال در یک انتها وارد می شوند و در یک جهت جریان می یابند) یا جریان مخالف (هر دو سیال در انتهای مخالف وارد می شوند و در جهت مخالف جریان می یابند) طراحی شوند. ترتیبات جریان مخالف معمولاً برای مبدل های حرارتی تغییر فاز کارآمدتر هستند.

   6.کاربردها:

مبدل های حرارتی پوسته و لوله دو فاز در کاربردهای مختلفی از جمله سیکل های تبرید، سیستم های تهویه مطبوع، سیستم های بازیابی حرارت و فرآیندهای صنعتی که تغییر فاز در آن دخیل است استفاده می شود.

   7.سیستم‌های تبرید:

در سیستم‌های تبرید، مبدل‌های حرارتی دو فاز اجزای حیاتی هستند. کویل های اواپراتور و کندانسور در جذب گرما از فضایی که قرار است خنک شود (اواپراتور) و دفع گرما به محیط خارجی (کندانسور) نقش اساسی دارند.

   8.ملاحظات کارایی:

این مبدل های حرارتی برای به حداکثر رساندن سطح انتقال حرارت برای انتقال موثر گرمای نهان در طول تغییر فاز طراحی شده اند. طراحی و کنترل مناسب برای دستیابی به عملکرد مطلوب سیستم بسیار مهم است.

و در آخر، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله دو فاز، مبدل‌های حرارتی تخصصی هستند که برای مدیریت سیالات در دو فاز مختلف طراحی شده‌اند که معمولاً شامل تبخیر یا تراکم سیال می‌شود. آنها اجزای اساسی در سیستم های مختلف هستند که در آن فرآیندهای تغییر فاز نقش اصلی را در انتقال حرارت و تبادل انرژی ایفا می کنند.

 

انتخاب مواد لوله در مبدل پوسته لوله

برای اینکه بتوان گرما را به خوبی انتقال داد، مواد لوله باید رسانایی حرارتی خوبی داشته باشد . از آنجایی که گرما از یک سمت گرم به سمت سرد از طریق لوله ها منتقل می شود، انتقال دما از طریق عرض لوله ها انجام میشود. به دلیل تمایل مواد لوله به انبساط حرارتی متفاوت در دماهای مختلف، تنش های حرارتی در حین کار رخ می دهد که غیر از هر گونه استرس ناشی از فشار زیاد خود مایعات است. مواد لوله همچنین باید برای مدت طولانی تحت شرایط عملیاتی  دما ، فشار و غیره با هر دو سیال جانبی پوسته و لوله سازگار باشد تا خرابی هایی مانندخوردگی صورت نگیرد .

نکته:

همه این موارد مستلزم انتخاب دقیق مواد قوی برای لوله، رسانای حرارتی، مقاوم در برابر خوردگی با کیفیت بالا می باشد. معمولاً این لوله ها از فلزات محکم ، از جمله آلومینیوم ، آلیاژ مس ، فولاد ضد زنگ ، فولاد کربنی ، آلیاژ مس غیر آهنی ، اینکونل ، نیکل ، هاستلوی هست. از تیتانیوم فلوروپلیمرهایی مانند پرفلوئوروآلکوکسی آلکان و اتیلن پروپیلن فلوئوردار همچنین به دلیل مقاومت بالا در برابر دماهای شدید برای تولید مواد لوله استفاده می شود. انتخاب نامناسب مواد لوله می تواند منجر به نشت از طریق لوله بین دو طرف پوسته و لوله شود که باعث آلودگی متقاطع سیال و احتمالاً کاهش فشار می شود.

طراحی مبدل پوسته و لوله

طراحی ساده مبدل حرارتی پوسته و لوله آن را به یک روش خنک کننده ایده آل برای کاربردهای مختلف تبدیل می کند. یکی از رایج ترین کاربردها خنک سازی سیال و روغن هیدرولیک در موتورها، گیربکس ها و پاور پک های هیدرولیک است . با انتخاب درست مواد، می توان از آنها برای خنک کردن یا گرم کردن سایر قسمت ها مانند آب استخر یا شارژ هوا نیز استفاده کرد. یکی از مزایای بزرگ استفاده از مبدل های حرارتی پوسته و لوله این است که سرویس دهی آنها اغلب آسان است.

طراحی استوانه ای محفظه در برابر فشار بسیار مقاوم است و امکان اعمال فشار در طیف وسیعی را فراهم می کند.

محافظت در برابر فشار بیش از حد

در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، احتمال پارگی لوله و ورود سیال پرفشار و وارد کردن  فشار بیش از حد به سیال با فشار پایین (سیال مبدل حرارت) وجود دارد. شکل معمولی مبدل‌ها به این صورت است که سیال پر فشار در لوله‌ها و برای آب، خنک‌کننده یا گرمایش کم فشار در سمت پوسته قرار گیرد. یک مورد مهم که باید به آن توجه داشت این هست که پارگی لوله می تواند سلامتی پوسته را به خطر بیندازد و گاز یا مایع قابل اشتعال را پراکنده کند و خطری برای افراد و ضرر مالی داشته باشد. پوسته مبدل باید در برابر فشار بیش از حد توسط  شیرهای  اطمینان محافظت شود. زمان باز شدن و عمل کردن شیرهای اطمینان برای حفاظت مبدل بسیار مهم هستند.این شیرها  مستقیماً روی پوسته ی مبدل نصب می شوند و به یک سیستم کمکی  تخلیه می شوند.