مبدل حرارتی پوسته و لوله

برشی از یک نمونه نیمه صنعتی از یک مبدل پوسته و لوله که مسیر های ورود و خروج و همچنین لوله های درون مبدل در آن دیده می شود.

مبدل حرارتی پوسته و لوله(به انگلیسی: Shell and tube heat exchanger)‏ نوعی مبدل حرارتی است که کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحد های تقطیر نفت خام دارد.همانطور که از نام آن پیداست این مبدل از یک مخزن استوانه ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است.مایع در داخل لوله ها حرکت می کند و بخار داغ بر روی لوله ها و درون پوسته جریان دارد.به علت تعداد زیاد این لوله ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می کند،حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می آورد.

مبانی طراحی

نوشتار اصلی: انتقال حرارت

طرح کلی از تبادل حرارت در یک مقطع فرضی مبدل و جریان‌های ورودی و خروجی از آن.

طرحی از یک مبدل پوسته و لوله

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.

$q_h=\dot m_h C_h \Delta T_h$

$q_c=\dot m_c C_c \Delta T_c$

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:

$q_c=q_h$

در روابط بالا $q_c$ و $q_h$ نشان دهنده گرمای مبادله‌ای سیال سرد و گرم،$\dot m_c$ و $\dot m_h$ نشان دهنده دبی جرمی سیال سرد و گرم و $\Delta T_c$ و $\Delta T_h$ 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:

$q=UA \Delta T_m$

در رابطه بالا چند نکته حائز اهمیت است.

1. 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.
2. $U$ 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 بعد مرتبط استفاده می‌شود.
3. در این رابطه از نماد $\Delta T_m$ به جای $\Delta T$ 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:

$\Delta T_m=LMTD=\frac{\Delta T_i - \Delta T_o}{\ln \left( \frac{\Delta T_i}{\Delta T_o} \right ) }$

در رابطه بالا$\Delta T_i$ نشان دهنده اختلاف دماهای ورودی به مبدل و $\Delta T_o$ 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

طرحی از یک مبدل جریان موازی و نمودار دما در مقابل طول مبدل برای آن

طرحی از یک مبدل جریان متقابل و نمودار دما در مقابل طول مبدل برای آن

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 با جریان 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.

اجزا

بافل ها

نوشتار اصلی: بافل

انواع

کاربردها

• Perry and Green, Perry's Handbook.
• E. Ludwig, Applied Process Design.
• مولوی، طراحی تجهیزات نفت.
• خشنودی و نوعی، انتقال حرارت.
• McCabe and Smith, Unit Operations.

جستارهای وابسته

• انتقال حرارت
• اختلاف دمای متوسط لگاریتمی
• بویلرها
• روش ان تی یو
• ریبویلرها
• کوره ها
• مبدل حرارتی
• مبدل حرارتی صفحه ای
• مخزن تحت فشار

منابع

• نوعی، سید حسن و محمد خشنودی انتقال حرارت :اصول و کاربرد ج. ۲ انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، 1384 شابک ‎964-6335-93-4 
• مولوی، حامد. طراحی و بهره برداری از تجهیزات نفت، گاز و پتروشیمی. تهران: اندیشه سرا، ۱۳۸۵. شابک ‎۹۶۴-۸۴۰۷-۳۹-۸. 

Sadik Kakaç and Hongtan Liu (2002). Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design (2nd Edition ed.). CRC Press. ISBN 0-8493-0902-6 *.

• Incropera, Frank P., Theodore L. Bergman and Adriene S. Lavine. Introduction to Heat Transfer. New York: John Wiley & Sons, 2011. ISBN ‎978-0470-50196-2. 
• Perry, Robert H. and Don W. Green. “۱۰”. In Perry's Chemical Engineers' Handbook. vol. 2. McGraw-Hill, 1984. ISBN ‎0-07-049479-7. 
• E. Ludwig, Ernest. Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants. vol. 3. Gulf Professional Publishing, 1984. ISBN ‎978-0884151012. 
• McCabe, W. L and J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill, 2001. ISBN ‎0-07-044825-6. 

پیوند به بیرون

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ مبدل حرارتی پوسته و لوله موجود است.

• Shell-and-Tube Heat Exchangers Construction Details
• Basics of Shell and Tube Exchanger Design
• Basics of Industrial Heat Transfer
• Specifying a Liquid_Liquid Heat Exchanger
• A Free Book - Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchangers
• Shell and tube heat exchanger calculator for shellside