بررسی عمیق مبدل حرارتی
در این مقاله از وب سایت شرکت جهان تهویه اعتماد، به یکی از رو به رشد ترین و البته کاربردی ترین سیستم‌های مبدل حرارتی می‌پردازیم که در طیف گسترده‌ای از صنایع کاربرد دارد. این نوع از مبدل های حرارتی علاوه بر صنعت تهویه مطبوع، در صنعت پتروشیمی، صنایع ذوب فلزات، نیروگاه‌ها و صنایع فضایی کاربرد دارد. این نوع از مبدل حرارتی در سیستم‌های (دستگاه) متفاوتی مورد استفاده قرار میگیرد. از جمله آن‌ها می‌توان به برج‌های خنک کننده، فن‌کویل ها، کوره ها، دیگ بخار و … اشاره کرد.
در ادامه، ابتدا اساس نظری مبدل حرارتی را بررسی می‌کنیم و سپس توضیحات بیشتری در مورد آن ارائه می‌کنیم.
تعریفی کلی از مبدل حرارتی
پیش از پرداختن به مبدل حرارتی پوسته و لوله، بهتر است که تعریفی از مبدل حرارتی داشته باشیم. مبدل حرارتی (مبدل گرمایی) یا Heat Exchanger دستگاهی است که با هدف تبادل (انتقال) حرارت بین دو سیال مورد استفاده قرار میگیرد. از رایج‌ترین آن‌ها می‌توان به انواع رادیاتور اشاره کرد که در خودرو و منازل نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
اساس کار مبدل حرارتی
اصول بنیادین مفهوم تبادل حرارت در مبدل‌های حرارتی، بر اساس اصول ابتدایی انتقال حرارت، یعنی دو مفهوم مهم رسانش گرمایی و همرفتی بنا شده است.
- رسانش گرمایی:
نوعی از جابه‌جایی انرژی بین دو جسم و یا درون یک جسم که ناشی اختلاف دمایی است.
- همرفت:
در اثر حرکت مولکول‌ها در سیالات (گاز و مایع) گرما منتقل می‌شود که این فرآیند را همرفت می‌نامند.
از نظر تئوریک، مقدار گرمایی که سیال گرم در یک مبدل از دست می‌دهد با مقدار گرمایی که سیال سرد دریافت می‌کند مقدار برابری است. این حقیقت با رابطه‌ای به شکل زیر بیان می شود:
qc = گرمای منتقل شده به سیال سرد
qh = گرمای منتقل شده از سیال گرم
Mc = دبی جرمی سیال سرد
Mh = دبی جرمی سیال گرم
△Tc = تفاوت دمای ورودی و خروجی سیال سرد
△Th = تفاوت دمای ورودی و خروجی سیال گرم
باید توجه داشته باشیم که این شرایط ایده‌آل و بدون در نظر گرفتن پرت در سیستم است. در این حالت این دو رابطه با یکدیگر برابر هستند. به این معنی که گرمای از دست داده شده با گرمای دریافتی مقدار یکسانی است. یعنی:
پس از توضیحات کلی و ابتدایی به سراغ مبدل حرارتی پوسته و لوله می‌رویم.
مبدل حرارتی پوسته و لوله
در مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، مجموعه‌ای از لوله‌های فلزی (Tube) درون لوله‌ای بزرگتر (Shell) که اصطلاحا پوسته گفته می‌شود، قرار دارند.
این نوع از مبدل به شکل‌های مختلفی از جمله U Tube، Direct Tube و Spiral در صنعت تهویه مطبوع تولید می‌شوند.
به‌طور کلی مبدل‌های حرارتی بر اساس پارامترهای متفاوتی طراحی و ساخته می‌شوند. این پارامترها می‌تواند شامل محل نصب، طراحی فیزیکی و کاربری شود. از این رو آن‌ها در چهار دسته کلی تقسیم می‌شوند.
Tubular – Plate Type – (Extended-Surface) – Regenerative
مبدل‌های حرارتی و پوسته و لوله در دسته Tubular جای می‌گیرند که خود به دو نوع جریان موازی و جریان متقابل از لحاظ آرایش جریان تقسیم می‌شوند. این آرایش جریان بر اساس مسیر حرکت دو سیال سرد و گرم نسبت به یکدیگر تعریف می‌شود.
جریان موازی:
اگر دو سیال از یک ناحیه مبدل وارد و در تمام مسیری که در مبدل جانمایی شده‌اند، در کنار یکدیگر قرار داشته باشند و تبادل حرارت کنند و با همین آرایش از ناحیه دیگر مبدل همزمان خارج شوند، مبدل مدنظر یک مبدل جریان موازی است.
جریان متقابل:
شیوه قرار گیری لولهها در این نوع مبدل کاملا متفاوت است. در واقع محل ورود و خروج جریان‌های سرد و گرم با یکدیگر متفاوت هستند. به این معنی که محل ورود جریان سرد، محل خروج جریان گرم بوده و در نقطه مقابل، محل ورود جریان گرم، محل خروج جریان سرد است.
ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله از چهار بخش اصلی تشکیل می‌شوند.
درپوش جلویی (Front Header)
محلی که سیال از طریق آن وارد لوله مبدل می‌شود. درپوش جلویی با نام درپوش ثابت نیز استفاده می‌شود.
درپوش انتهایی (Rear Header)
جایی که مایع درون لوله از مبدل خارج می شود.
لولهها (Tube Bundle)
به مجموعه لولهها، صفحات لوله، بافل‌ها، میله‌های اتصال دیگر متعلقات می‌شود.
بخش پوسته ( Shell)
قسمتی که با توجه به ماهیت، لولهها را در بر میگیرد.
در شکل زیر قسمت‌های اصلی را مشاهده می‌کنید:
در شکل و جدول زیر، می‌توانید قسمت‌های مختلف تشکیل دهنده مبدل حرارتی پوسته و لوله را با جزئیات بیشتر مشاهده کنید.
| 1 | Stationary (Front) Head—Channel | 20 | Slip-on Backing Flange |
| 2 | Stationary (Front) Head—Bonnet | 21 | Floating Tubesheet Skirt |
| 3 | Stationary (Front) Head Flange | 22 | Floating Tubesheet Skirt |
| 4 | Channel Cover | 23 | Packing Box Flange |
| 5 | Stationary Head Nozzle | 24 | Packing |
| 6 | Stationary Tubesheet | 25 | Packing Follower Ring |
| 7 | Tubes | 26 | Lantern Ring |
| 8 | Shell | 27 | Tie Rods and Spacers |
| 9 | Shell Cover | 28 | Transverse Baffles or Support Plates |
| 10 | Shell Flange—Stationary Head End | 29 | Impingement Baffle or Plate |
| 11 | Shell Flange—Rear Head End | 30 | Longitudinal Baffle |
| 12 | Shell Nozzle | 31 | Pass Partition |
| 13 | Shell Cover Flange | 32 | Vent Connection |
| 14 | Expansion Joint | 33 | Drain Connection |
| 15 | Floating Tubesheet | 34 | Instrument Connection |
| 16 | Floating Head Cover | 35 | Support Saddle |
| 17 | Floating Head Flange | 36 | Lifting Lug |
| 18 | Floating Head Backing Device | 37 | Support Bracket |
| 19 | Split Shear Ring |
استاندارد TEMA
محبوبیت و به‌کارگیری گسترده مبدل حرارتی پوسته و لوله باعث شده است تا یک استاندارد برای نام‌گذاری توسط انجمن تولید کنندگان مبدل لوله‌ای (TEMA) ایجاد شود. این نام‌گذاری بر اساس حرف و نمودار انجام می شود که شامل سه حرف است، حرف ابتدا نوع درپوش جلو، حرف دوم نوع پوسته و حرف سوم نوع هدر انتهایی را توصیف می‌کند.
در شکل زیر این تقسیم بندی بر اساس استاندارد TEMA نشان داده شده است.
برای ساخت این نوع از مبدل‌ها، می‌توان ترکیبات زیادی از پوسته، در پوش جلو و در پوش انتهایی استفاده کرد.
برای مثال رایج‌ترین ترکیب‌ها برای پوسته نوع E در جدول زیر آورده شده است.
AEL | AEU | AES |
AEM | CEU | BES |
AEN | DEU |
|
BEL |
|
|
BEM |
|
|
BEN |
اساسا از لحاظ نوع ترکیب، سه ترکیب اصلی وجود دارد که به توصیف هر یک می‌پردازیم :
مبدل حرارتی با لوله ثابت (Fixed Tube sheet Exchanger)
در این نوع مبدل با لوله ثابت، ورق لوله به پوسته متصل می‌شود (جوش داده می‌شود). این کار باعث می‌شود فرآیند ساخت بسیار ساده و در نتیجه مقرون به‌صرفه شود. همچنین امکان این وجود دارد که سوراخ لولهها به صورت مکانیکی و یا شیمیایی پاک سازی شوند. البته لازم به توضیح است که سطح خارجی لولهها غیرقابل دسترسی بوده و تنها باید از روش‌های شیمیایی برای پاک سازی استفاده شود.
در این نوع مبدل، به علت اختلاف دمای زیاد مابین پوسته و لوله انبساط ایجاد می‌شود که باعث ایجاد تنش می‌شود. از این رو، از دم انبساطی (جسمی نرم معمولا دارای هوا) برای جلوگیری از تنش حاصل از انبساط استفاده می‌شود.
مبدل حرارتی با لوله U شکل (U Tube sheet Exchanger)
در این نوع مبدل حرارتی، محدودیتی برای استفاده از در پوش جلویی وجود ندارد اما در پوش انتهایی معمولا از نوع M است. همچنین محدودیتی برای انبساط حرارتی نسبت به دیگر مدل‌ها وجود ندارد و لولهها قابلیت این را دارند که برای پاک‌سازی جدا شوند.
مبدل حرارتی با در پوش شناور (Floating header Exchanger)
در مبدل در پوش شناور، ورق لوله در عقب در پوش انتهایی به پوسته جوش داده نمی‌شود، بلکه امکان حرکت و شناور بودن دارد.
ورق لوله در قسمت جلویی در پوش (انتهای ورودی سیال سمت از لوله) قطری بیشتر از پوسته داردو به شیوه‌ای شبیه به طراحی ورق لوله ثابت فیکس شده است. صفحه لوله در انتهای در پوش انتهایی قطری کمتر از پوسته دارد و به لولهها این اجازه را می‌دهد تا از داخل پوسته کشیده شود. استفاده کردن از در پوش اجازه انبساط حرارتی را می‌دهد و امکان جدا شدن لولهها برای پاک‌سازی وجود دارد.
انواع در پوش جلویی
نوع A
این نوع در پوش به أسانی قابل تعویض است. از طرفی امکان راحت تعویض کردن و دسترسی به لولهها را می دهد. با این حال در دو قسمت فیکس شده است ( بین ورق لوله و درپوش و بین درپوش و صفحه انتهایی) که البته امکان نشتی و هزینه را نسبت به هدر نوع B افزایش می‌دهد.
نوع B
این در پوش جلویی ارزان‌ترین نوع و برای اعمال فشار بالا نسبت به درپوش نوع A مناسب‌تر است چرا که فقط در یک نقطه فیکس شده است. از عیب‌های این نوع این است که برای دسترسی به لولهها، باید در کار لولهها برای دسترسی به درپوش اختلال ایجاد شود.
نوع C
این نوع درپوش برای کاربری‌های فشار بالا ( بیش از 100 بار) مناسب است. اما به دلیل جداناپذیر بودن لولهها از درپوش، تعمیر و جایگزینی آن‌ها دشوار است.
نوع D
گران‌ترین نوع درپوش است و همچنین امکان کاربری در فشار بالای 150 بار را میسر می‌کند. تعمیر و نگهداری این نوع مانند نوع C دشوار است.
نوع N
مزیت این نوع درپوش دسترسی آسان به لولهها و قیمت ارزان‌تر نسبت به نوع A است. با این وجود، نگهداری و جایگزینی آن به دلیل جاناپذیر بودن درپوش و ورق لوله از پوسته دشوار است.
نوع Y
این نوع از درپوش توسط TEMA تعیین نشده است، اما به طور کلی یکی از انواع شناخته شده از درپوش‌ها است. از طرفی می‌توان از آن به عنوان درپوش جلو و یا انتهایی نیز استفاده کرد. همچنین به دلیل کاهش هزینه‌ها در لوله کشی، مقرون به صرفه است.
انواع پوسته
نوع E
این نوع بسیار رایج و برای انواع کاربری قابل استفاده است، در حالی که انواع دیگر پوسته‌ها صرفا برای کاربری خاصی قابل استفاده هستند.
نوع F
هنگامی که جریان خالص به عبور از دو لوله جانبی نیاز داشته باشد، از این نوع پوسته استفاده می‌شود. از مشکلات بارز در پوسته نوع F، نشتی حرارتی و هیدرولیکی در بافر طولی است که نقش جداکننده را ایفا می‌کند.
نوع G
از این نوع برای جوشاننده‌های ترموسیفون افقی استفاده می‌شود. همچنین هنگامی که نیاز به کم نگه داشتن افت فشار در کنار پوسته باشد، پوسته نوع G کاربرد دارد.
نوع H
موارد استفاده‌ای مانند نوع G دارد، با این تفاوت که برای مقیاس‌های بزرگ‌تری مورد استفاده قرار میگیرد.
نوع J
از پوسته نوع J هنگامی که افت فشار بیش از حد مجاز در پوسته نوع E باشد استفاده می‌شود. همچنین زمانی که لرزش در لوله مشکل‌ساز می شود این نوع پوسته کاربرد دارد. پوسته نوع J به دلیل جریان تقسیم شده روی پوسته، سرعت جریان روی لولهها را کاهش داده و باعث افت فشار و در نهایت جلوگیری از لرزش لولهها می شود.
نوع K
از پوسته نوع K صرفا برای بویلرها استفاده می‌شود. علت به حداقل رساندن مایع کنار پوسته از طریق فضایی بزرگ برای جداسازی است.
انواع در پوش انتهایی
نوع L
این نوع در پوش تنها برای استفاده با صفحات لوله ثابت است، چرا که لوله به پوسته فیکس شده است و دسترسی به لولهها از بیرون امکان‌پذیر نیست. مزیت در پوش نوع L، امکان دسترسی آسان به لولهها بدون نیاز به برداشتن آن‌ها است.
نوع M
این نوع شبیه به در پوش نوع L اما با قیمتی ارزان‌تر است. با این وجود برای دسترسی به لولهها نیاز به برداشتن در پوش وجود دارد. از طرفی از عیوب این نوع در پوش، محدودیت در دما و فشار است، زیرا مقابله با انبساط‌های حرارتی محدودیت ایجاد می‌کند.
نوع N
از مزایای در پوش نوع N، دسترسی آسان به لولهها است. اما باید توجه داشت که به دلیل فیکس شدن در پوش و لوله به پوسته، نگهداری و جایگزینی دشواری در پی دارد.
نوع P
در پوش نوع P، از نظر طراحی شناور و البته کم هزینه است، اما معایبی مانند محدودیت در انبساط حرارتی و نوع سیال (صرفا سیال کم خطر) دارد.
جمع بندی
در این مقاله سعی شد تا نگاهی عمیق به ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell And Tube Heat Exchanger) داشته باشیم. منتظر مقالات بیشتری درباره این مبدل‌های حرارتی از وبسایت جهان تهویه اعتماد، در هفته های آینده باشید.
برای مطالعه بیشتر در رابطه با سیستم‌های تهویه مطبوع به دیگر مقالات ما در صفحه مقالات علمی مراجعه فرمایید.
همچنین برای دریافت مشاوره در مورد سیستم‌های تهویه مطبوع می‌توانید از طریق صفحه تماس با ما، با واحد فنی ما در ارتباط باشید.
منابع:
https://www.thermopedia.com/content/1121
https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger#Overpressure_protection