مبدل حرارتی پوسته لوله

مبدل حرارتی پوسته لوله از سری مبادله‌کن‌های گرما است که ساختار آن از لوله‌ها و یک پوسته تشکیل شده است. این نوع مبدل یکی پرکاربردترین تجهیزات در صنعت است. امکان ساخت بهتر و شرایط تعمیر و نگهداری باعث شده است که مبدل حرارتی پوسته لوله به ویژه در صنایع بزرگ محبوبیت بیشتری داشته باشد. از نیروگاه تولید برق تا یک استخر معمولی یا جکوزی همه از مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می‌کنند.

مبدل حرارتی انواع مختلفی دارد. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای، دو لوله‌ای، اسیپرال یا مواردی شبیه به این از جمله این موارد هستند. همه این مبدل‌های حرارتی در صنعت کاربرد گسترده دارند. ولی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله به خاطر شرایط خاص استفاده و طراحی، بهره برداری و نگهداری هنوز محبوبیت خود را از دست نداده است. لذا مطالعه در این زمینه هنوز هم می‌تواند یکی از مهمترین موارد در مهندسی مکانیک باشد.

مبدل حرارتی پوسته لوله چیست؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله (به لاتین Shell & Tube Heat Exchanger) از سری مبدل‌های حرارتی برای انتقال حرارت غیر مستقیم است. مرزی که بین دو سیال قرار می‌گیرد همان تیوب یا لوله‌هایی هستند که با یک آرایش منظم ری یک صفحه لوله قرار می‌گیرند. پوسته خارجی این تجهیزات را یک مخزن تحت فشار تشکیل می‌دهد. برای همین طراحی و ساخت قسمت خارجی هم همانند ساخت منابع تحت فشار است.

مبادله‌کن‌های گرما با توجه به شرایط عملکرد ساختار و اجزای مختلفی دارند. برخی از آنها ممکن است خیلی ساده باشند و برخی پیچیده‌تر به نظر بیایند. شرایط نگهداری، تعمیرات، دوره‌های بازرسی، محل استفاده و کاربری همه در شکل و قیافه مبدل حرارتی پوسته و لوله تاثیر گذار هستند. به طور کلی طراحی مبدل‌های حرارتی دو قسمت اصلی دارد که شامل طراحی حرارتی و طراحی مکانیکی است.

در طراحی حرارتی جریان‌های مختلف و دما‌ها را در نظر می‌گیریم. محدودیت فضا و نوع متریال مورد استفاده در طراحی حرارتی بسیار مهم است. برای همین یک مهندس در هنگام طراحی باید د طراحی را با یکدیگر در نظر بگیرد. همچنین ویژگی‌های سیال مانند خورندگی، درجه حرارت و فرآیند انتقال حرارت در طراحی مکانیکی و حرارتی مبدل‌های حرارتی بسیار حائز اهمیت هستند.

مبدل حرارتی پوسته لوله از چه اجزایی تشکیل شده است؟

به طور کلی مبدل‌های حرارتی از چند جزء اصلی تشکیل شده‌اند. تقریبا همه مبدل‌های حرارتی از این اصول پیروی می‌کنند. کلگی‌ها (Rear Head and Front Head)، دسته لوله (Tubesheet and Bundle) و پوسته (Shell) اجزایی هستند که در طراحی همه سیستم‌های حرارتی پوسته و لوله در نظر می‌گیریم. نوع مبدل بر مبنای استانداردی که مشخص می‌کنیم می‌تواند در طراحی همه این موارد تاثیر گذار باشد. شکل زیر اجزای مختلف یک مبدل حرارتی پوسته و لوله را نشان می‌دهد.

شکل بالا یک نوع مبدل حرارتی از نوع U-Type را نشان می‌دهد. مبدل‌های حرارتی معمولا از ۳ قسمت اصلی تشکل شده است که شامل بدنه اصلی، کلگی و دسته لوله هستند. تمامی این موارد با توجه به نوع آب بندی، جنس سیال، میزان خوردگی و فشار طراحی و تولید می‌شوند. حتی پیچ‌های روی فلنج که همدیگر را به هم متصل می‌کند هم باید طبق طراحی مکانیکی با توجه به فشار طراحی شوند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله در کجا کاربرد دارند؟

تقریبا در تمامی صنایع مبدل حرارتی پوسته لوله کاربرد دارد. پتروشیمی، استخراج نفت، حفاری و گودبرداری، صنایع غذایی و فرآیندی، موتورخانه و تهویه مطبوع همگی صنایعی هستند که در آنها مبدل حرارتی پوسته و لوله کاربرد اساسی دارند. انتقال حرارت از دیرباز برای انواع صنایع مهم بوده‌اند. حتی صنایع سنتی مانند گلاب گیری در حال حاضر از مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله استفاده می‌کنند. از جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد.

• مبدل حرارتی مسی استخر
• مبدل حرارتی استیل استخر
• خنک کن روغن هیدولیک
• اواپراتور چیلر تراکمی
• گرمایش سیستم بخار
• مبدل حرارتی صنایع غذایی

استاندارد ساخت مبدل حرارتی پوسته لوله چیست؟

موسسه TEMA که مخفف Tubular Exchanger Manufacturers Association است استاندارهای ساخت و تولید مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله را تعیین می‌کند. به طور کلی مبدل‌های حرارتی پوسته لوله‌ای در صنعت با توجه به شرایطی که در استاندارد TEMA مشخص شده‌اند طراحی و تولید می‌شوند. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله دارای اشکال متفاوتی هستند. در برخی شرایط شاید تمامی مواردی که TEMA مشخص کرده است قابل پیاده سازی نباشد.

بعد از طراحی حرارتی، اشکال مختلف مبدل حرارتی توسط مهندس مکانیک مشخص می‌شود. مهندس مکانیک با توجه به شرایط عملکرد، دماهای سیالات موجود در سیستم، جنس یا متریال مورد نیاز، خوردگی و فشار کاری این شرایط را تعیین می‌کند. همچنین نوع کاربری بسیار مهم است. مثلا اگر در برخی شرایط نیازی به رعایت برخی از مسائل نباشد، می‌تواند آنها را نادیده بگیرد.

اشکال مختلف مبدل حرارتی پوسته و لوله TEMA به چه صورت است و چه کاربری دارد؟

TEMA با توجه به نوع کارکرد برای انواع صنایع، ۶ مدل مبدل حرارتی مختلف را معرفی می‌کند. تمامی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله زیر مجموعه همین شش مدل هستند و تنها در برخی از شرایط تغییراتی در آنها انجام می‌شود. ولی ساختار و عملکرد کلی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله دقیقا جزو همین ۶ نوع هستند. در برخی موارد بسته به نظر مهندس طراحی می‌تواند نوع کلگی یا دسته لوله، طریقه اتصال و آب بندی و همچنین نوع آب بندی تغییر کند. قطعات مختلف مبدل حرارتی عبارتند از:

مبدل حرارتی پوسته لوله TEMA مدل AES

در بسیاری از مواقع بهتر است که مبدل حرارتی پوسته و لوله را به صورت رفت و برگشتی بسازیم. آب یا سیال خنک کن به شرطی که رسوب گذار نباشد معمولا در داخل لوله‌ها قرار می‌گیرد. در برخی مواقع خم زدن لوله‌ها برای اینکه مبدل از نوع U-Type باشد ممکن است باعث تضعیف لوله‌ها یا بالا رفتن قیمت باشد در اینصورت در صورتی که مقدار انبساط لوله‌ها خیلی مهم باشد از کلگی انتهایی مدل S استفاده می‌کنند.

در مورد پوسته مدل E، سادگی ساخت باعث می‌شود که این نوع پوسته بسیار پرکاربرد باشد. پوسته‌های نوع دیگر که در استاندارد TEMA وجود دارند دارای پرده جدا کننده هستند تا بتواند مسیر آب را مشخص کند. برای همین در صورتی که ضرورتی در مورد رفت و برگشت سیال گرم داخل پوسته وجود نداشته باشد، از پوسته نوع E مانند شکل بالا استفاده می‌شود.

مبدل حرارتی پوسته لوله TEMA مدل BEM

مبدل حرارتی نوع BEM در قسمت پوسته دقیقا شبیه به نوع قبل است. ولی نوع کلگی در این مبدل از نوع نازل مرکز گرا است. حرف M نشان دهنده این است که تیوب شیت در دو طرف از نوع ثابت است. یعنی به پوسته جوشکاری شده است. برای همین در برخی موارد در شرایطی که مقدار انبساط باعث ایجاد صدمات به لوله‌ها یا پوسته شود، از یک اتصال انبساط (Expansion Joint) یعنی شماره ۱۴، در آن استفاده می‌کنند.

در برخی موارد که صفحه جدا کننده برای سمت پایین و بالای ورودی تیوب‌ها وجود نداشته باشد، معمولا از یک کپ برای پوشاندن کانالو ورودی استفاده می شود. برعکس حالت AES که فلنج جدا کننده در ابتدا اجازه جوشکاری را برای آب بندی کامل صفحه جدا کننده به جوشکار می‌دهد. این نوع مبدل تقریبا پرکاربردترین نوع مبدل است که معمولا یک پاس پوسته و یک پاس لوله دارد. مبدل حرارتی روغن داغ نمونه‌ای از این مدل است.

مبدل حرارتی پوسته لوله TEMA مدل AEP

مبدل حرارتی پوسته و لوله نوع AEP در واقع ترکیبی از دو نوع BEM و AES است. در واقع برخی مواقع ما می‌خواهیم که حتما دو بار عبور گذر سیال داخل لوله‌ را داشته باشیم. از طرفی مقدار انبساط طولی لوله‌ها به قدری نیست که بخواهیم یک کلگی مستغرق در انتها داشته باشیم. برای همین برای کمتر کردن هزینه می‌توان از نوع کلگی P استفاده کرد.

اولین مزیت این نوع مبدل نسبت به حالت BEM این است که دو پاس لوله داریم بنابرین می‌توانیم بازده بیشتری از سیال سرد داخل لوله را در طول برابر ولی در قطر بیشتر پوسته داشته باشیم. دومین مزیت آن این است که در صورت نیاز به تعمیرات و نگهداری،‌تمامی دسته لوله قابل خارج شدن است. سومین مزیت آن این است که کلگی مستغرق نداریم و قیمت تمام شده کار کمتر است.

مبدل حرارتی پوسته لوله TEMA مدل AEP

یکی از معروف‌ترین انواع دسته لوله، نوع U-type است. این نوع به سبب اینکه یک صفحه لوله کمتر دارد، کمی ارزانتر از مدل‌های دیگر تمام می‌شود. همچنین دسته لوله U-Type چون جلوی لوله‌ها باز هستند، در انبساط و انقباض طولی به خاطر اختلاف دما آسیب پذیری بسیاری کمتری دارند. در نوع AEP صفحه لوله مستقیما به کانال نوع A جوش شده است. در صورتی که مبدل کوچک باشد، معمولا دسته لوله جدا از کانال خواهد بود  امکان جدا کردن آن کاملا وجود دارد.

در این شکل یک تیغه در وسط (شماره ۳۰) باعث جدا سازی سیال ورودی و خروجی قسمت پوسته می‌شود. همانطور که دیده می‌شود در اینصورت ما دو پاس عبور از قسمت لوله و دو پاس عبور سیال در قسمت لوله را داریم. بنابراین بازده حرارتی این مبدل به خاطر طول مسیری که سیال طی می‌کند تقریبا از مدل‌های دیگر بیشتر است. دلیل آن این است که هم پوسته و هم لوله دو پاس گذر سیال را دارند.

همچنین مبدل حرارتی استخر از نوع BEU است. یعنی اینکه مبدل‌های حرارتی دارای دسته لوله از نوع U-Type هستند. کلگی مبدل‌های حرارتی از جنس چدن ریختگی است. بنابرین نوع آن مدل B است. نوع پوسته در این نوع مبدل‌ها از نوع تک پاس هست. به دلیل سادگی در ساخت این نوع مبدل معمولا تیغه وسط را ندارد تا بتواند قیمت مناسب‌تری داشته باشد. از دیگر استفاده‌های این دسته لوله و کلگی در منبع کویلی است که در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

مبدل حرارتی پوسته لوله TEMA مدل AKT کتل ریبویلر

بیشترین استفاده این نوع مبدل در صنایع پتروشیمی و جداسازی است. در برج‌های تقطیر قسمت پایین برج دوباره باید سیالات سنگین پایه را از بقیه سیالات جدا کند. برای اینکار باید حرارت کافی به تمامی سیال داده شود. در اینصورت تمامی سیال به غیر از سنگین‌ترین سیال که دمای جوش بالا‌تری دارد بخار می‌شود و به سمت سینی‌های برج هدایت می‌شوند.

قسم دسته لوله در پوسته نوعی Kettle (ترجمه فارسی می‌شود کتری)  می‌تواند از نوع U-Type و کلگی ورودی می‌تواند از نوع B (Bonnet) باشد. سیال داخل لوله‌ها از نوع گرم هستند. می‌تواند داخل لوله‌ها بخار یا روغن داغ باشد تا سیال داخل را کاملا گرم کند. در قسمت دیگر، در انتهال دسته لوله معمولا یک تیغه جدا کننده وجود دارد. این تیغه باعث می‌شود که مبدل حرارتی همیشه در داخل سیال باشد و در واقع کار تنظیم ارتفاع را برای کتل انجام می‌دهد.

مبدل حرارتی پوسته لوله TEMA مدل AJW

مبل حرارتی نوع AJW، دارای کانال ابتدایی و انتهایی شبیه به هم است. در بسیاری از مواقع ما شاید یک ورودی داشته باشیم و تعداد خروجی‌ها بیشتر باشد. در اینصورت مبدل باید به نحوی طراحی شود که مقدار خروجی از یک سمت به دمای مطلوب رسیده باشد. پوسته نوع J در قسمت بالا یک ورودی دار و دو خروجی در قسمت پایین دارد.

دسته لوله از نوع تیوبشیت W است که بای کاملا از خارج آب‌بند شود. خوبی این نوع مبدل این است که ساخت ساده‌ای دارد. همچنین دسته لوله برای تعمیرات دوره‌ای یا برای تعویض قابل دمونتاژ از محل کار است. در انتهایی و ابتدایی برای اینکه بتوان مبدل را بازرسی یا تمیز کرد از نوع فلنجی است تا در زمان over hall سیستم مشکلی بابت بازرسی نباشد.

برای دیدن نمونه ار به کانال اینستاگرام ما مراجعه کنید!