مبدل حرارتی پوسته و لوله: (SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER)

همانطور که از نام آن پیداست این مبدل از یک مخزن استوانه‌ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. مایع در داخل لوله‌ها حرکت می‌کند و بخار داغ بر روی لوله‌ها و درون پوسته جریان دارد.به علت تعداد زیاد این لوله‌ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می‌کند،حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می‌آورد.

 

 

s1

 

مبانی طراحی مبدل حرارتی:

در مبدل‌های حرارتی معمولا دو سیال بدون تماس جرمی با یکدیگر تبادل حرارت می‌کنند.سیال سرد تر در تماس با سیال گرم انرژی حرارتی گرفته و دمای آن بالا می‌رود و در عوض سیال گرم تر با از دست دادن حرارت، سرد می‌شود.این تبادل بر اساس اصول ابتدایی انتقال حرارت یعنی رسانش گرمایی و همرفت قابل توصیف است.در مبدل‌ها در حالت ایده آل و بدون در نظر گرفتن پرت انرژی،مقدار گرمایی که سیال گرم از دست می‌دهد و مقدار گرمایی که سیال سرد می‌گیرد برابر بوده و طبق رابطه بنیادی زیر برای هر سیال قابل محاسبه است.

ddd

s2

که در حالت ایده آل مقدار گرمای از دست داده سیال گرم و گرمای به دست آمده برای سیال سرد با هم برابر است یعنی:

qc = qh

در روابط بالا qc و qh نشان دهنده گرمای مبادله‌ای سیال سرد و گرم،ṁc و ṁh نشان دهنده دبی جرمی سیال سرد و گرم و ΔTc و ΔTh نشان دهنده اختلاف دمای ورودی و خروجی سیال سرو سیال گرم است. از طرف دیگر ارتباط مقدار گرمای تبادل شده با سطح تماس دو سیال به صورت زیر تعریف می‌شود:

q = UAΔTM

 

dfs

در رابطه بالا چند نکته حائز اهمیت است.
مقدار گرمای مبادله شده،ارتباط مستقیم با میزان سطح تبادل حرارت دو سیال A دارد.پس با بالا بردن سطح تماس دو سیال می‌توان بازدهی مبدل رار بالابرد.اما برای این منظور عمدتا با موانع طراحی و عملیاتی مواجه هستیم.
U ضریب انتقال حرارت جابجایی است که برای مبدل‌ها با توجه به تغییر مداوم دما در طول مبدل و همچنین جریان‌های متلاطم،به سادگی قابل محاسبه نیست.برای محاسبه این پارامتر،معمولا از روابط تجربی و یا اعداد بدون بعدی چون عدد ناسلت استفاده می‌شود.
در این رابطه از نماد ΔTm به جای ΔT استفاده شده،چرا که تغییرات دما در طول مبدل از یک نرخ خطی برخوردار نیست و از پیچیدگی بالایی برخوردار است.در شرایطی که عدد دقیق دمای ورودی و خروجی هر دو سیال از مبدل معلوم باشد می‌توان از اختلاف دمای متوسط لگاریتمی که به صورت زیر تعریف می‌شود استفاده کرد:
 eee
در رابطه بالا ΔTi نشان دهنده اختلاف دماهای ورودی به مبدل و ΔTo نشان دهنده اختلاف دماهای خروجی از مبدل است.
همچنین در صورت نبودن اطلاعات کامل از دماهای ورودی و خروجی روش دیگری به نام روش ان تی یو به کار می‌رود که در آن تنها نیاز به دماهای ورودی به مبدل است.

 

مبدل‌های جریان موازی و متقابل:
در مبدل‌ها به طور کلی ممکن است مسیر حرکت سیال‌های سرد و گرم نسبت به هم دو وضعیت داشته باشند.در حالت اول ممکن است دو سیال از یک ناحیه از مبدل وارد شده و به طور هم مسیر با هم در طول مبدل، تبادل حرارت کنند و از ناحیه دیگر به طور هم زمان خارج شوند.این نوع مبدل به مبدل با جریان‌های موازی معروف است.در نقطه مقابل مبدل‌های باجریان متقابل قرار دارند که در آن سیال سرد و گرم از دو نقطه مقابل هم وارد می‌شوند به طوری که در محل خروج سیال سرد، سیال گرم وارد و در نقطه خروج سیال گرم، سیال سرد وارد می‌شود.

 

 

 

wef

 

اجزا:

  • لوله ها:

لوله‌ها قسمت اصلی تبادل حرارت در مبدل است. سطح بیرونی آن در معرض سیال داخل پوسته قرار دارد و از داخل آن نیز سیال دیگری عبور می‌کند. این لوله‌ها معمولا از ۱/۴ تا ۲ ۱/۲اینچ قطر دارند. در مبدل‌های معمولی از لوله‌های با قطر ۱ و ۳/۴ اینچ استفاده می‌شود. در مبدل‌های فشرده نیز از لوله‌های با قطر ۱/۲ و ۵/۸ اینچ استفاده می‌شود. طول این لوله‌ها از ۱۶ تا ۲۴ فوت متغیر است. جنس این لوله‌ها اغلب ازفولاد کم کربن، فولاد زنگ نزن، آلیاژهای مس ، نیکل و آلومینیوم، تیتانیوم، برنج و دیگر فلزات است.
هنگامی که ضریب انتقال حرارت برای سیال بیرون لوله نسبت به سیال داخل بسیار کمتر باشد از لوله های با سطوح اضافه استفاده می شود. البته پره دار کردن لوله ها هزینه تمام شده محصول را نسبت به لوله های صاف بیشتر می کند.

  • پوسته:

پوسته که عمدتا به شکل یک لوله بزرگ است، فضایی است که لوله‌های مبدل در آن قرار می‌گیرند و عمل انتقال حرارت در داخل آن صورت می‌گیرد. به عبارتی شکل بیرونی و قابل رویت مبدل را پوسته می‌گویند. بر اساس استاندارد تما (TEMA) پوسته‌های استاندارد از قطر ۶ اینچ تا ۶۰ اینچ را شامل می‌شود. به دلیل محدودیت در ساخت لوله‌های پیش ساخته، پوسته تا قطر ۲۴ این به وسیله لوله‌های استاندارد و قطر بیش تر از آن به وسیله شکل‌دهی به ورق‌های استاندارد به شکا استوانه، ساخته می‌شوند. باید توجه داشت که ضخامت پوسته-به خصوص در مواردی که با گاز یابخار تحت فشار درگیر است- از اهمیت بالایی برخوردار است. نسبت ضخامت، قطر و فشار داخلی به وسیله جداولی در کتب طراحی مبدل‌ها ذکر می‌شود.

صفحات لوله گیر

آرایش لوله‌ها در لوله گیر

 

آرایش لوله‌ها در لوله گیر. اشکال بالایی نوع مثلثی و اشکال پایینی نوع مربعی را نشان می‌دهند. مسیر حرکت جریان سیال نیز با فلش‌های مشکی نماش داده شده است.

 

trea

 

در جدول زیر انواع مبدل های پوسته و لوله به تفکیک شکل بررسی شده است:

1

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

یک پاسخ ارسال نمایید

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