مبدل حرارتی پوسته و لوله

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
برشی از یک نمونه نیمه صنعتی از یک مبدل پوسته و لوله که مسیرهای ورود و خروج و همچنین لوله‌های درون مبدل در آن دیده می‌شود.

مبدل حرارتی پوسته و لوله(به انگلیسی: Shell and tube heat exchanger) نوعی مبدل حرارتی است که کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحدهای تقطیر نفت خام دارد.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.

مبانی طراحی[ویرایش]

نوشتارهای اصلی: انتقال حرارت و مبدل حرارتی
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.[۱]

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:[۲][۳]

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 بعدی چون عدد ناسلت 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:[۴]
\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[ویرایش]

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.[۵]

طرحی از یک مبدل جریان موازی و نمودار دما در مقابل طول مبدل برای آن (سمت چپ) و یک مبدل جریان متقابل و نمودار دما در مقابل طول برای آن (سمت راست)

دسته بندی در بین انواع مبدل‌ها[ویرایش]

مبدل‌های حرارتی بر اساس شکل، کابرد، محل نسب و بسیاری پارامترهای دیگر طراحی می‌شوند. در نتیجه می‌توان آن‌ها را بر اساس این ویژگی‌ها در دسته بندی‌های مختلف قرار داد. در نمودارهای زیر دسته بندی انواع مبدل‌ها بر اساس آرایش جریان در داخل مبدل و ساختار کلی مبدل و جایگاه مبدل پوسته و لوله در هر دسته بندی قابل مشاهده است:[۶]

بر اساس ساختار 
 Tubular 
 پوسته و لوله 

جریان موازی



جریان متقابل




double-pipe



spiral tube



pipecoils



 plate type 

plate



spiral



lamella



platecoils



 extended-surface 

plate-fin


 tube-fin 

ordinary seprating wall



heat-pipe wall




 regenerative 
 rotary 

disk-type



drum-type




fixed-matrix




اجزا[ویرایش]

لوله ها[ویرایش]

دسته ای از لوله ها به صورت U شکل که داخل پوسته اصلی قرار می گیرند.

لوله‌ها[واژه‌نامه ۱] 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 \tfrac{1}{4} تا 2\tfrac{1}{2} اینچ قطر دارند. در مبدل‌های معمولی از لوله‌های با قطر ۱ و \tfrac{3}{4} اینچ استفاده می‌شود. در مبدل‌های فشرده نیز از لوله‌های با قطر \tfrac{1}{2} و \tfrac{5}{8} اینچ استفاده می‌شود. طول این لوله‌ها از ۱۶ تا ۲۴ فوت متغیر است. جنس این لوله‌ها اغلب از فولاد کم کربن، فولاد زنگ نزن، آلیاژهای مس ، نیکل و آلومینیوم، تیتانیوم، برنج و دیگر فلزات است.[۷]

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.[۸]

پوسته[ویرایش]

پوسته[واژه‌نامه ۲] 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)[واژه‌نامه ۳] پوسته‌های استاندارد از قطر ۶ اینچ (۱۵۰mm) تا ۶۰ اینچ (۱۵۲۰mm) را شامل می‌شود. به دلیل محدودیت در ساخت لوله‌های پیش ساخته، پوسته تا قطر ۲۴ اینچ (۶۱۰mm) 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 یا بخار تحت فشار درگیر است- از اهمیت بالایی برخوردار است. نسبت ضخامت، قطر و فشار داخلی به وسیله جداولی در کتب طراحی مبدل‌ها ذکر می‌شود.[۹]

صفحات لوله گیر[ویرایش]

آرایش لوله‌ها در لوله گیر[ویرایش]

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.

بافل ها[ویرایش]

نوشتار اصلی: بافل


انواع[ویرایش]

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

تصویر توضیحات
U-tube heat exchanger.PNG
نوع یو(U) شکل
Straight-tube heat exchanger 1-pass.PNG
مثال
Straight-tube heat exchanger 2-pass.PNG
مثال

کاربردها[ویرایش]

ایجاد رسوب در مبدل[ویرایش]

واژه‌نامه و توضیحات[ویرایش]

  1. tube
  2. Shell
  3. Tubular Exchanger Manufacturers Association, Inc یکی از مهمترین استانداردهای موجود در طراحی مبدل های پوسته و لوله است.

جستارهای وابسته[ویرایش]

پانویس[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • مولوی، حامد. طراحی و بهره برداری از تجهیزات نفت، گاز و پتروشیمی. تهران: اندیشه سرا، ۱۳۸۵. شابک ‎۹۶۴-۸۴۰۷-۳۹-۸. 
  • بهبودی‌املشی، علی. فرهنگ و زبان فنی تصویری شیمی و مهندسی شیمی. تهران: نشر طراح، ۱۳۸۸. شابک ‎۹۷۸-۹۶۴-۲۹۱۷-۳۰-۳. 

پیوند به بیرون[ویرایش]