Shell and Tube Heat Exchanger

مبدل حرارتی پوسته و لوله: Shell and tube heat exchanger نوعی مبدل حرارتی است که کاربرد وسیعی در صنایع مختلف از جمله تهویه مطبوع و نفت و گاز 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. معمولا مایع در داخل لوله‌ها حرکت می‌کند و بخار داغ بر روی لوله‌ها و درون پوسته جریان دارد و میتواند برعکس نیز باشد . 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

در مبدل‌های حرارتی معمولاً 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 ایده‌آل 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.

 

 

 

که در حالت ایده‌آل مقدار گرمای از دست داده سیال گرم و گرمای به دست آمده برای سیال سرد با هم برابر است
در روابط بالا QC و QH نشان دهنده گرمای مبادله‌ای سیال سرد و گرم و MCو MH نشان دهنده دبی جرمی سیال سرد و گرم DT نشان دهنده اختلاف دمای ورودی و خروجی سیال سرد و سیال گرم است. از طرف دیگر ارتباط مقدار گرمای تبادل شده با سطح تماس دو سیال به صورت زیر تعریف می‌شود

در رابطه بالا چند نکته حائز اهمیت است.

1. مقدار گرمای مبادله شده، ارتباط مستقیم با میزان سطح تبادل حرارت دو سیال دارد. پس با بالا بردن سطح تماس دو سیال می‌توان بازدهی مبدل را بالابرد. اما برای این منظور عمدتاً با موانع طراحی و عملیاتی مواجه هستیم.
یکی از این روش ها شیار دار کردن سطح تماس لوله ها میباشد

 

2. 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، معمولاً از روابط تجربی یا اعداد بدون بعدی چون عدد ناسلت استفاده می‌شود.
از طرف دیگر ضریب انتقال حرارت در جریان آشفته به صورت نمایی تغییر و افزایش می یابد در نتیجه این آغشتگی و تلاطم و یا توربولانسی مفید به فایده بود و از طرف دیگر حل معادلات ناویر استوکس حاکم بر جریان سیال را پیچیده تر از قبل میکند .از طرف دیگر این جریان توربولانس درون لوله اتفاق میافتد و پیچیدگی دیگری از جمله توسعه یافتگی جریان و تشکیل لایه مرزی را برای حل معادلات از سادگی به پیچیدگی دوچندان تبدیل میکند .
برای ایجاد آشفتگی و توربولانسی از روش های مختلفی استفاده میشود

3. در این رابطه از نماد DTM 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

 

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

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 هم‌زمان 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.

دسته‌بندی در بین انواع مبدل‌ها:

مبدل‌های حرارتی بر اساس شکل، کابرد، محل نصب و بسیاری پارامترهای دیگر طراحی می‌شوند. در نتیجه می‌توان آن‌ها را بر اساس این ویژگی‌ها در دسته‌بندی‌های مختلف قرار داد. در نمودارهای زیر دسته‌بندی انواع مبدل‌ها بر اساس آرایش جریان در داخل مبدل و ساختار کلی مبدل و جایگاه مبدل پوسته و لوله در هر دسته‌بندی قابل مشاهده است

توجه:

در مبدل های پوسته و لوله، تعداد یک یا دسته ای از لوله های فلزی (تیوب) در داخل یک لوله ی بزرگتر (شل یا پوسته)قرار می گیرند، تیوب ها یا از یک طرف پوسته و یا از دو سر آن توسط صفحه ای گرد و حفره دار جمع آوری می شوند که این صفحه در حقیقت عمل هدر یا جمع آوری سیال داخل تیوب ها را انجام میدهد که به آن تیوپ شیت نیز گفته میشود.
اگر شکل تیوب بصورت U باشد هر دو سر تیوب ها در یک طرف پوسته قرار گرفته و از یک صفحه ی جمع کننده استفاده میشود و اگر مستقیم باشد از یک طرف پوسته ورودی و از انتهای آن خروجی در نظر گرفته می شود.
شرکت آسا مبدل کاسپین تولید کننده مبدل های پوسته و لوله ای از نوع fixed head , Utype میباشد که این مبدل ها برای مصارف مختلفی از جمله کندانسور و اواپراتور و یا خنک کننده و گرم کننده سیالات مختلف استفاده میشود