مبدل پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)

مبدل پوسته و لولهنام تجهیز : مبدل پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)

هنگامی که سطح انتقال حرارت لازم برای مبدل های دو لوله ای زیاد شود (بیشتر از 50m2 باشد)، بهتر است از مبدل های پوسته و لوله استفاده شود. مبدل های پوسته و لوله به طور وسیعی در فرایند های انتقال حرارت برای کاربردهای مایع/مایع و همچنین در کندانسورها و مولدهای بخار استفاده می شوند . این مبدل ها برای انتقال حرارت مشخصی سطح کمتری به نسبت مبدل های لوله ای اشغال می کنند.(شکل های 8 و 9 و 10)  

شکل 8 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger

 

شکل 9 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger
 

شکل 10 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger
مزایای این گونه مبدل ها عبارتند از:

1 - در حجم کم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می کنند.
2 - طراحی مکانیکی خوبی دارند.
3 - روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.
4 - قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.
5 - به راحتی تجهیز می شوند.
6 - روش طراحی خوب و تثبیت شده ای دارند.

قسمتهای اصلی این مبدل ها عبارتند از:

- لوله ها (Tubes)
- پوسته (Shell)
- بافل ها (Baffles)
- هد جلویی (Front Head)
- هد پشتی (Rear Head)
- صفحات تیوب ها (Tube Sheets)
- نازل ها (Nozzels)

 

شکل 11 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger با اجزا اصلی 

پوسته :
پوسته ها که در واقع در بر گیرنده لوله ها هستند از نظر اندازه، مواد سازنده و ضخامت محدوده وسیعی دارند. قیمت پوسته ها بیشتر از لوله ها می باشد. بنابراین معمولاً سعی می شود از حداقل پوسته استفاده شود.

لوله ها (Tubes) :
لوله عنصر اصلی مبدل های پوسته و لوله هستند که در واقع سطح انتقال حرارت لازم را برای سیالاتی که در داخل و خارج آن جریان دارند را فراهم می سازند. لوله ها معمولا از فلزات مختلف به روش اکستروژن و بدون درز ساخته می شوند. جنس آنها معمولاً ا ز فولاد کم کربن، فولاد زنگ نزن، مس و ...می باشد. لوله ها ممکن است به صورت مربعی 90 درجه (شکل 12 ) یا در وضعیت چرخانده کنار هم قرار گیرند .
در این حالت تمیز کردن خارج لوله ها راحت تر است. طرح مثلثی (شکل12) روش دیگری است که به علت زیاد بودن آشفتگی سیال، ضریب انتقال حرارت و افت فشار طرف پوسته را افزایش می دهد؛ و نیز مقدار بیشتری از لوله را می توان در قطر مشخصی از پوسته قرار داد. قطر لوله ها بین 16mm تا 50mm (⅝تا 2 اینچ) می باشد. ولی معمولاً از 16mm تا 25mm (⅝تا 1 اینچ) استفاده می شود. طول لوله ها نیز از 1.8 متر تا 7.3 متر ( 6ft تا 24ft) انتخاب می شود. ضخامت لوله ها نیز با توجه به قطر آنها از 1.2mm تا 3.2 mm انتخاب می شود.
گرچه هدف، افزایش انتقال حرارت به وسیله افزایش سرعت سیال ها در داخل لوله ها می باشد ولی این سرعت باید در حد مجاز باشد چون هرچقدر سرعت بیشتر شود،افت فشار افزایش می یابد وهمچنین نوسانات بیشتر می شود و باعث ایجاد شکستگی در اتصالات و زانویی ها می شود.
 

بافل ها (Baffles) :
بافل ها معمولاً در قسمت پوسته مبدل استفاده می شوند برای اینکه لوله ها را در جای خود نگه دارند و جریان سیال داخل پوسته را به صورت چرخشی تبدیل کنند تا سرعت سیال و ضریب انتقال حرارت افزایش یابد و معمولاً به صورت های Segmental baffle, disk-and-doughnut baffle,orifice baffle (شکل های 15،16 و17) می باشند.

بافل ها دو مشخصه اصلی دارند: برش بافل(Baffle Cut)، فاصله بافل ها ( Baffle Spacing Lb )

فاصله بافل ها ( Baffle Spacing Lb) :
فاصله دو بافل متوالی می باشد که معمولاً بین 20% تا 100% قطر پوسته انتخاب می شود و مقدار بهینه آن بین 30% تا 50% قطر پوسته می باشد. هرچقدر Lb کمتر باشد سرعت و افت فشار در پوسته بیشتر می شود.

برش بافل Baffle Cut :
ارتفاع بریده شده از بافل نسبت به قطر می باشد که معمولاً به صورت درصد بیان می شود و معمولاً 25 % می باشد.
 

شکل 13 - نمایش لوله ها در یک کلاف لوله Boundle Tube 

هرچقدر Baffle Cut کمتر یا طول بریده شده کمتر شود سرعت و ضریب انتقال حرارت و افت فشار بیشتر می شود.
بافل ها را می توان به دو دسته بافل های طولی Longitudinal Baffles و بافل های متقاطع یا مورب Transver Baffles نیز تقسیم بندی کرد که معمولاً به صورت زاویه دار با لوله ها قرار می گیرند و باعث ایجاد جریان ناآرام در اطراف پوسته می شوند.
بافل های طولی برای کنترل مسیر جریان داخل پوسته استفاده می شوند.
 

شکل 14 - نمایی از اجزا یک مبدل پوسته و لوله شامل صفحه تیوب، لوله ها و بافل ها
 

شکل 15 - disk-and-doughnut baffle
 

شکل 16 - orifice baffle
 

 

شکل 18 - آرایش مثلثی لوله ها ،صفحه تیوب و بافل ها در یک مبدل پوسته و لوله 

صفحه تیوب (Tube Sheet) :
یکی از اجزای مهم مبدل ها که اصلی ترین سد بین تیوب ها و پوسته است و طراحی مناسب آنها برای اطمینان از کارایی سیستم لازم است، صفحه تیوب ها هستند. نحوه اتصال آنها به تیوب ها و پوسته هم می تواند به صورت جوش داده شده و هم به وسیله پیچ باشد
 

شکل 19 - آرایش مثلثی لوله ها ،صفحه تیوب و بافل ها در یک مبدل پوسته و لوله 

شکل 19 - آرایش مثلثی لوله ها ،صفحه تیوب و بافل ها در یک مبدل پوسته و لولهتعداد گذرهای پوسته و لوله :
ساده ترین مدل جریان برای لوله ها به این صورت است که سیال از یک طرف وارد شود و از طرف دیگر خارج گردد. این مدل تک گذر لوله است. برای بهتر نمودن انتقال حرارت سرعت بالاتری باید ایجاد نمود . این عمل به وسیله افزایش تعداد گذر لوله ها امکان پذیر است. از طرف دیگر با افزایش تعداد گذرهای لوله و افزایش سرعت سیال ، افت فشار زیاد می شود. در واقع انتقال حرارت باید در سرعت های بالا ایجاد شود و این افت فشار سیستم را زیاد می کند. در نتیجه تعداد گذرها، با توجه به دو فاکتور سرعت و افت فشار مشخص می شود. تعداد گذرهای لوله معمولاً از یک تا هشت می باشد. در موردگذرهای پوسته نیز معمولا از یک یا دو گذر استفاده می شود .حالت های مختلف گذرهای پوسته در استاندارد بین المللی TEMA با علامتهای E,F,G,H,J,K,X شناخته می شوند. (شکل های 20 تا 26)

شکل 20 – پوسته E

شکل 21 – پوسته F

شکل 22 – پوسته G

شکل 23 – پوسته J

شکل 24 – پوسته K

شکل 25 – پوسته X

شکل 26 – پوسته H
نازل ها :
نازل ها برای انتقال سیال به بیرون و یا داخل مبدل استفاده می شوند.

اثرات حرارتی :
اگر مواد مانند آهن بکار رفته شده در مبدل ها حرارت ببینند ممکن است دچار انبساط حرارتی گردند . به عنوان مثال در یک مبدل پوسته و لوله افزایش درجه حرارت باعث افزایش اندازه لوله ها و پوسته می شود . از آنجایی که این افزایش ها ممکن است با هم فرق کنند، تنظیم های مختلفی برای کاهش این اثرات حرارتی وجود دارد. شکل ( 27 ) یک صفحه تیوب ثابت و بدون امکان انبساط می باشد. در شکل های ( 28 و 29 ) دو مبدل با کلگی های متحرک یا اتصالات متحرک برای کاهش میزان استرس ناشی از انبساط حرارتی می باشند. این استرس های حرارتی با استفاده از لوله های U شکل نیز قابل جلوگیری می باشند. استفاده از مبدل ها با کلگی های ثابت برای زمانی که لوله ها کوتاه هستند یا اختلاف دما بین لوله و پوسته ماکزیمم 30 درجه سلسیوس می باشد، استفاده می شود.
در اکثر موارد از مبدل ها با کلگی های متحرک Floating-Head استفاده می شود.
 

شکل 27 - مبدل با صفحه تیوب ثابت با دو گذر در قسمت لوله و یک گذر در پوسته
 

شکل 28 - مبدل با کلگی متحرک floating head داخلی با دو پاس در قسمت لوله و یک پاس درپوسته

 

شکل 29 - مبدل با floating head خارجی با دو پاس در قسمت لوله و یک پاس در پوسته

 

شکل 30 - مبدل پوسته و لوله

شکل 31 - مبدل پوسته و لوله 

انتخاب محل عبور سیال ها :
تصمیم گیری برای قرار دادن سیال در داخل پوسته و لوله و اینکه کدامیک از آنها در داخل لوله قرار داده شود و کدامیک داخل پوسته، به چند عامل بستگی دارد:
1 - فشارها : سیال با فشار بالا در قسمت لوله قرار می گیرد، زیرا صخامت نسبی لوله (نسبت به قطر) بیشتر است.
2 - درجه حرارت : افزایش درجه حرارت باعث کاهش تنش مجاز مواد بکار رفته می گردد و در نتیجه ضخامت لازم برای دیواره ظرف نیز افزایش می یابد. این تاثیر عیناً شبیه فشار است. سیال با درجه حرارت زیاد بایستی در لوله جای داده شود.
3 - خورندگی سیال ها : برای سیال های با خورندگی زیاد به مواد و آلیاژها ی گرانقیمت نیاز است . اگر فقط یکی از سیال ها خورنده باشد آن وقت گذاردن آن در داخل لوله باعث می شود که پوسته گرانقیمت از آلیاژ مرغوب نیاز نباشد. اما اگر سیال خورنده در پوسته قرار بگیرد آنگاه هم برای پوسته و هم برای لوله بایستی از موادی که در مقابل خوردگی مقاوم هستند استفاده شود.
4 - تمیزی سیال ها : در بعضی از فرایندهای انتقال حرارت شرایط لازم جهت تمیزی سیال ها و آلوده نشدن آنها سخت تر از حالت های عادی است و ممکن است به آلیاژهای گرنقیمت نیاز باشد . در اینگونه مواقع بهتر است که سیال ها در داخل لوله قرار داده شوند.
5 - خطر نشت : در بیشتر مبدل های حرارتی احتمال نشت سیال لوله ها از سیال پوسته کمتر است.
6 - ویسکوزیته سیال ها : برای اینکه انتقال حرارت ماکزیمم شود، جریان هر دو سیال می بایستی ناآرام باشد. در صورتی که سیال لزج در داخل لوله باشد احتمال دارد جریان آن آرام شود پس بهتر است داخل پوسته قرار داده شود.

رسوب مبدل ها (Fouling) :
هنگامی که یک مبدل حرارتی در سرویس قرار می گیرد در شروع کار سطوح انتقال حرارت آن تمیز است ولی با گذشت زمان در بعضی از سرویس ها مانند سیستم های قدرت فرایندهای شیمیایی ، به تدریج توانایی انتقال حرارت آنها کم می شود. این وضعیت به علت جمع شدن موادی روی سطوح انتقال حرارت (همان لوله ها) که موجب افزایش مقاومت حرارتی در برابر انتقال حرارت می گردد به وجود می آید. یک فرایند صنعتی را در نظر بگیرید که شامل چندین دستگاه اصلی می باشد. در صورتی که تمام فرایند بخواهد به خاطر اینکه یکی از ابزار انتقال حرارت که توانایی خود را در فرایند انتقال حرارت از دست داده از کار بیفتد این حادثه از نظر اقتصادی ناخوشایند است.
در استاندارد TEMA ضریب رسوب داده شده است تا به طراح کمک کند مبدل پوسته و لوله را طوری طراحی کند که بتواند برای مدتی به طرز رضایت بخشی کار کند. تا اینکه دوباره مبدل از مدار خارج شود و تمیز گردد.
عواملی که باعث ایجاد رسوب می شوند اغلب عبارتند از:
1 - وجود ذرات معلق در سیال
1 - وجود ذرات معلق در سیال
2 - کاهش حلالیت نمک ها با افزایش دما (مثل نمک های منیزم)
3 - خوردگی : بعنی تبدیل یک لایه از فلز (آهن) اکسید آن (اکسید آهن) وکه باعث کاهش ضریب رسانش می شود.
4 - پدیده های بیولوژیکی (زیست محیطی) : در آب رودخانه ها جلبک ها و موجودات زنده وجود دارند که با صافی جدا نمی شوند و داخل مبدل شروع به تکثیر می کنند.
5 - به وجود آمدن کک : در کور ه های نفت مقداری از نفت می شکند و تبدیل به کک می گردد و روی دیواره رسوب می کند.

شکل 32 - تشکیل رسوب در مبدل

تمیز کردن و نگه داری از مبدل : Cleaning & Maintenance
مبدل ها باید به طور متناوب تمیز شوند و لوله ها تعویض شوند . داخل لوله ها به راحتی با استفاده از مواد تمیز کننده مانند بعضی مواد اسیدی و jet آب تمیز می شوند. ولی تمیز کردن خارج لوله ها احتیاج به باز کردن لوله ها و کلاف لوله ها (Tube Bundle) از مبدل دارد.

مبدل های صفحه ای : (Plate heat exchanger)

مبدل های حرارتی صفحه و قاب از قرار گرفتن یک سری صفحات فلزی در کنار یکدیگر در داخل یک قاب فلزی ساخته می شوند. این صفحات در داخل قاب توسط میله های بلند بهم فشرده می شوند. طول این میله ها در شیارهای (Gasket) فاصله بین دو درپوش را طی می کنند و توسط مهره به درپوش محکم می گردند . واشر اطراف هر صفحه قرار داده می شود تا جریان سیال را در مجرای باریکی بین صفحات هدایت نماید و همچنین از نشت آنها به بیرون جلوگیری کند. در گوشه های هر صفحه مجرایی جهت ورود و خروج سیال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعیکه صفحات روی هم فشرده می شوند این محل های سوراخ شده در یک خط مستقیم قرار می گیرند و بدین وسیله هدرهای توزیع سیال در طول مبدل را به وجود می آورند.
صفحات می توانند از هر فلزی با ابعاد معین ساخته شوند آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالبهای مخصوص روی صفحات چاپ گردد. هنگامی که این صفحات در محل خود در کنار یکدیگر قرار می گیرند شیارهای موجود روی صفحات متوالی تشکیل یک سری کانال های باریک جریان را می دهند. و سیال ها از طریق مجرای خیلی باریک و ظریف بین صفحات متوالی عبور می نمایند. در مبدل های مختلف آرایش جریان می توانند متفاوت باشند. یکی از این آرایشها به صورت موازی مختلف الجهت می باشد. در این نوع ارایش جریان های هر کدام از سیالها فقط یک بار ارتفاع صفحات را طی می کنند در حالیکه در آرایشهای چندگذر یک سیال ممکن است 2 بار و یا بیشتر ارتفاع مبدل را طی نماید.
 

شکل 33 - جریان در مبدل صفحه ای 

امتیازات و کاربردها :
یکی از امتیازات مهم و اساسی مبدل های حرارتی صفحه و قاب این است که سطح انتقال حرارت مبدل به آسانی از هم جدا می شوند. بعد از برداشتن مهره ها و میله های نگه دارنده و جداسازی صفحه متحرک انتهایی صفحات با لغزیدن روی صفحه باریکی برای معاینه از هم جدا می شوند. این امتیاز که صفحات به آسانی تمیز شوند و یا تعویض گردند باعث شده کاربرد این مبدل ها در صنایع غذایی و لبنیات توسعه یابد . اما از دیگر امتیازات مهمی که این مبدل ها نسبت به مبدل های پوسته و لوله دارند این است که در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بار حرارتی معینی حدوداً بین یک سوم تا یک چهارم انتقال حرارت لازم دارند. علتش را می توان به صورت زیر خلاصه نمود. توربولانس زیاد به علت حرکت سیال در مجاری باریک و ناهموار سبب افزایش ضریب انتقال حرارت می گردد. فاصله نزدیک به هم صفحات مانند این است که از لوله های با قطر کوچک استفاده شده است که این ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد. توربولانس زیاد سبب تقلیل سرعت کثیف شدن می شود . کاهش سطح انتقال حرارت باعث کاهش حجم و وزن می شود.
 

معایب :
با وجود تمام محاسن ذکر شده یک عیب مهم در مورد این مبدل ها وجود دارد و آن این است که سطوحی که باید توسط واشر آب بندی شود زیاد است. اغلب از مواد لاستیکی برای این کار استفاده می شود اما ماکزیمم فشار و درجه حرارت کاربردی نباید از 2.7 Mpas و 400 k تجاوز نماید . از واشرهای فیبری و پمبه نسوز کمپرس شده نیز می توان استفاده نمود که برای آن حداکثر درجه حرارت 600 k و 1.8 Mpas می باشد . یکی از مشکلاتی که معمولاً در هنگام کار این مبدل ها بوجود می آورند عدم آببندی کامل و صحیح واشر ها است .
اولاً به خاطر اینکه عمر مفید گازکت ها کم است و ثانیاً نباید دوباره مورد استفاده قرار گیرند که معمولاً به این نکته توجه نمی شود.
منبع:پترونت