مبدل حرارتی پوسته لوله، ویژگی و کاربردها

مبدل حرارتی پوسته لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)، نوعی دستگاه مبادله حرارتی، شامل محفظه ای است که دسته هایی از لوله را درون خود جای می دهد.

این مبدل برای انتقال حرارت از سیالی به سیال دیگر، بدون تماس مستقیم آن ها با هم طراحی شده است. سیال اول درون لوله ها و سیال دیگر، درون محفظه قرار داشته و لوله ها را در بر می گیرد.

در این مقاله ساختمان مبدل حرارتی پوسته لوله، انواع و کاربردهای آن شرح داده شده است. برای کسب اطلاع بیشتر، لطفا تا پایان مطلب با ما همراه باشید.

اجزای اصلی مبدل حرارتی پوسته لوله

در ادامه به مهم ترین اجزا مبدل حرارتی پوسته اشاره می کنیم و توضیحاتی دربره هرکدام میدهیم؛

1. پوسته (Shell)

پوسته خارجی ترین قسمت مبدل حرارتی است که دسته لوله ها را در بر می گیرد. معمولا محفظه ای استوانه ای است که از فولاد یا سایر مواد مناسب ساخته شده است.

2. دسته لوله ها (Tubes or Tube bundle)

مجموعه ای از لوله های موازی که در امتداد طول پوسته قرار دارند، دسته لوله ها را تشکیل می دهند. قطر و ضخامت لوله ها از جمله پارامترهای مهم طراحی هستند.

3. ورق های لوله (Tube sheets)

ورقه های محکمی هستند که به صورت مانعی بین لوله ها و پوسته عمل می کنند. در واقع دسته لوله ها درون برش های دایره ای که در ورقه ها ایجاد شده، جای می گیرند. برای اطمینان از استحکام و نبود نشتی، معمولا ورقه ها به پوسته جوش داده می شوند.

4. بافل (Baffle)

این جزء به صورت صفحات یا میله هایی است که درون پوسته قرار می گیرند تا حرکت سیال در اطراف لوله ها را تنظیم کنند. می توانند در جهت طولی یا عرضی قرار گیرند و هدف از به کار بردن آن ها، افزایش اثر بخشی انتقال حرارت، بین دو سیال است.

5. نازل های ورودی و خروجی (Inlet and Outlet Nozzles)

نازل های ورودی و خروجی به عنوان نقطه ورود و خروج سیالات در مبدل حرارتی عمل می کنند. معمولا در دو انتهای مخالف پوسته قرار می گیرند و با استفاده از فلنج یا دیگر اتصالات، به لوله ها و پوسته متصل می شوند.

6. اتصالات انبساطی (Expansion Joints)

اجزای انعطاف پذیری هستند که انبساط و انقباض حرارتی لوله ها را به نوعی هضم کرده و در خود جای می دهند. این اتصالات معمولا در ورودی و خروجی مبدل حرارتی قرار می گیرند و با استفاده از Bellows فلزی یا سایر تجهیزات قابل انعطاف ساخته می شوند.

7. تکیه گاه (Support Structures)

تکیه گاه، مبدل حرارتی را در موقعیت خود به صورت پایدار نگه می دارد. سازه های تکیه گاهی می توانند موقت یا دائمی باشند.

8. Front Header

مکانی است که سیال وارد لوله ها می شود. از این بخش گاهی با عنوان Stationary Header نیز نام برده می شود.

9. Rear Header

سیالی که در اطراف لوله ها جریان دارد، از این محل، از مبدل خارج می شود. در برخی مبدل ها، این سیال چندین بار از درون پوسته عبور داده می شود که اصطلاحا آن را مبدل Multiple Passes گویند. در این نوع مبدل ها، Rear Header مکانی است که سیال درون پوسته مجددا به Front Header باز می گردد.

انواع مبدل حرارتی پوسته لوله

در ادامه به انواع مبدل حرارتی پوسته اشاره میکنیم؛

بیشتر بخوانید: انواع مبدل حرارتی | نقش مبدل های حرارتی در سیستم سرمایشی

در این نوع مبدل، ورق لوله ها به پوسته جوش داده می شود. این روش ساخت، ساده و اقتصادی است. فضای درون لوله ها را می توان به صورت مکانیکی یا شیمیایی تمیز کرد با این حال سطوح بیرونی لوله ها به جز برای تمیز کردن به روش شیمیایی، غیر قابل دسترسی هستند.

اگر اختلاف دمای زیادی بین سیال درون پوسته و سیال لوله ها وجود داشته باشد لازم است دم انبساط برای از بین بردن انسباط ناشی از تنش های حرارتی تعبیه کرد.

البته دم انبساط اغلب قسمتی ضعیف در مبدل است که ممکن است موجب خرابی و شکست در عملکرد شود. در مواردی که عواقب خرابی در مبدل حرارتی شدید است، از مبدل های U-Tube یا Floating Header استفاده می شود.

در این نوع، لوله های U شکل، اجازه انبساط حرارتی نامحدود دارند. دسته لوله ها را می توان برای تمیزکاری از پوسته خارج کرد.

با این حال، تمیز کردن داخلی لوله های U شکل، با وسایل مکانیکی، دشوار بوده و این نوع فقط در مواردی به کار می رود که سیال درون لوله ها، یک سیال تمیز است.

در این مدل، لوله ها در انتهای Rear Header به پوسته جوش داده نمی شود بلکه اجازه حرکت یا شناور شدن دارند. هدر شناور به این معنی است که امکان انبساط حرارتی وجود دارد و دسته لوله ها را می توان برای تمیزکاری جدا کرد.

این نوع مبدل حرارتی برای کارکردهای با دما و فشار بالا مقاوم و مناسب است اما نسبت به مبدل لوله ثابت قیمت بالاتری دارد.

کاربرد مبدل حرارتی پوسته لوله

مبدل حرارتی پوسته لوله نقش مهمی در بهینه سازی راندمان حرارتی و کنترل دما در طیف وسیعی از فرایندهای صنعتی دارند.

سیستم های تهویه مطبوع، سیستم های تبرید و فرایندهای صنعتی که به انتقال حرارت نیاز دارند، از جمله کاربردهای مبدل حرارتی پوسته لوله است.

برای مثال می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فرایندهای گرمایش و سرمایش در کارخانه های شیمیایی
• ایجاد تراکم و تبخیر در پالایشگاه ها
• سیستم های بازیابی حرارت در تاسیسات تولید برق
• سیستم های HVAC در ساختمان های تجاری و مسکونی { همچنین بخوانید: سیستم HVAC چیست و نحوه کارکرد سیستم HVAC }
• سیستم های تبرید در کارخانه های فرآوری مواد غذایی
• مدیریت حرارتی در تاسیسات تولید نفت و گاز

بیشتر بخوانید: کویل سرمایشی و گرمایشی چیست + اجزا و عملکرد

سخن پایانی

همانند سایر تجهیزات یک مجموعه صنعتی، انتخاب مبدل حرارتی مناسب نیز نقش مهمی در دست یابی به عملکرد هر چه بهتر سیستم خواهد داشت.

شرکت فراسرد تولید کننده انواع تجهیزات برودتی، با چندین دهه تجربه و بهره گیری از متخصصان مجرب، آماده ارائه مشاوره در زمینه انتخاب مبدل های حرارتی پوسته لوله مناسب با کاربری مورد نظر شماست. به این منظور لطفا با کارشناسان شرکت تماس حاصل فرمایید.

سوالات متداول

1- پارامترهای اساسی در ساخت یک مبدل حرارتی پوسته لوله کدامند؟

نرخ جریان

دمای ورودی و خروجی

میزان فشار

افت فشار

ابعاد لوله ها (قطر، ضخامت، طول)

ابعاد پوسته

2- نوع Head مورد استفاده برای پوسته مبدل حرارتی، چگونه انتخاب می شود؟

انتخاب Head بر حسب کاربرد مبدل حرارتی، متفاوت است. Head نوع کلاه (Bonnet type) معمولا هنگامی استفاده می شوند که Head نیازی به برداشتن مکرر نداشته باشد. هنگامی که دسترسی منظم به لوله ها مورد نیاز است، استفاده از یک Head قابل جا به جایی، ضروری است. برای اهداف تعمیر و نگهداری، انواع Head با روکش های قابل جا به جایی یا جوشی و فلنجی به کار می رود.

3- لوله ها در یک مبدل حرارتی پوسته لوله معمولا از چه جنسی ساخته می شوند؟

فولاد کربنی (Carbon Steel)

فولاد ضد زنگ (Stainless Steel)

مس

تیتانیوم

Inconel

منابع مورد استفاده:

http://www.alfalaval.com