مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله یا شل اند تیوب (STHE) نوعی دستگاه مبادله حرارتی است که با استفاده از یک محفظه استوانه‌ای بزرگ یا پوسته ساخته می‌شود که دارای بسته‌هایی از لوله‌های کاملاً با فاصله است که در داخل آن فشرده شده است. تبادل حرارت عبارت است از انتقال گرما از یک ماده یا محیط به یک ماده یا محیط مشابه. مبدل های حرارتی پوسته و لوله رایج ترین شکل طراحی تبادل حرارتی هستند. آنها بر اساس خواص، نوع لوله و سایر ویژگی هایشان طبقه بندی می شوند.

استفاده و محبوبیت مبدل های حرارتی پوسته ای و لوله ای به دلیل سادگی طراحی و نرخ تبادل حرارت فوق العاده کارآمد آنهاست. فرآیند مبدل حرارتی پوسته و لوله شامل استفاده از مایع یا بخاری است که برای گرم کردن لوله ها به پوسته می ریزد. گذر از لوله ها به عنوان کارآمدترین و موثرترین روش انتقال حرارت در نظر گرفته می شود.

پوسته

پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله از لوله یا صفحات فلزی جوش داده شده با استفاده از موادی ساخته شده است که می توانند در برابر دماهای شدید مقاومت کنند و در برابر خوردگی مقاوم هستند. پوسته داخلی باید گرد با قطر ثابت باشد تا فاصله بین لبه بیرونی بافل و پوسته به حداقل برسد.

کانال ها یا سرها

نوع کانال یا هد بستگی به استفاده از مبدل حرارتی پوسته و لوله دارد، با سرهای نوع کلاهی رایج‌ترین آنها برای استفاده در کاربردهایی است که نیازی به جدا کردن مکرر سر نیست. کانال های پوششی قابل جابجایی، لازم برای تعمیر و نگهداری، فلنج یا جوش داده شده اند. هنگامی که معاینه مکرر کانال و لوله ها ضروری است، یک پوشش کانال قابل جابجایی ضروری است.

لوله ها

لوله های یک مبدل حرارتی پوسته و لوله جوش یا اکسترود شده و از فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ ، تیتانیوم، اینکونل یا مس ساخته می شوند. قطر لوله 0.625 اینچ (16 میلی متر)، 0.75 اینچ (19 میلی متر) یا یک اینچ (25 میلی متر) در مبدل های حرارتی فشرده استفاده می شود. ضخامت لوله ها برای فشار، دما، تنش حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی در طول های 6 تا 24 فوت یا 2 متر تا 7 متر انتخاب می شود. لوله هایی که طولانی تر هستند قطر پوسته را کاهش می دهند و باعث افت فشار پوسته بالا می شوند.

ورق لوله

ورق لوله صفحه یا ورقی است که با سوراخ هایی برای وارد کردن لوله ها یا لوله ها سوراخ شده و برای حمایت از لوله ها در دو انتهای پوسته استوانه ای طراحی شده است. پوسته فراتر از ورقه های لوله گسترش می یابد و در هر دو انتها مهر و موم شده است تا محفظه محصور شده ای را تشکیل دهد که توسط سرها پوشانده شده است.

مفصل انبساط

هدف مبدل حرارتی تبادل گرما از یک ماده داغ در یک طرف مبدل با یک ماده سرد در طرف دیگر است. به همین دلیل، واحدها اغلب در معرض طیف وسیعی از دما هستند.

موادی که حرارت داده می شوند از نظر طول رشد می کنند، در حالی که موادی که سرد می شوند منقبض می شوند. در صورتی که امکان انبساط و انقباض وجود نداشته باشد، ممکن است مواد در مبدل تا حدی تحت فشار قرار گیرند که از کار بیفتند. این معمولاً منجر به کمانش لوله ها یا کنده شدن از صفحات لوله می شود، اما همچنین می تواند باعث کمانش پوسته یا اعوجاج اتصالات نازل شود. همه این عوارض جانبی یکپارچگی مبدل را به خطر می اندازد و به طور بالقوه کارکرد آن را ناامن می کند.

این جایی است که یک اتصال انبساط وارد می شود. این عنصر انعطاف پذیر برای مقاومت در برابر تغییرات دما و فشار ساخته شده است.

پیچ لوله

گام لوله فاصله از مرکز یک لوله تا مرکز یک لوله مجاور است. لوله ها به صورت مثلثی یا مربعی چیده می شوند که پیکربندی الگوی مربعی آن راحت ترین تمیز کردن است و کمترین میزان تلاطم را ایجاد می کند. چیدمان گام مربعی اجازه می دهد تا بخارات بین لوله ها بالا بیایند، که این مزیت نسبت به لوله های مربعی مثلثی و چرخشی است.

بافل ها

از بافل ها برای هدایت جریان در دو طرف پوسته و لوله استفاده می شود به طوری که سرعت سیال به اندازه کافی افزایش می یابد تا به ضریب انتقال حرارت بالا برسد و رسوب گیری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، که زمانی است که مواد ناخواسته روی سطح انتقال حرارت ایجاد می شود. تجمع رسوب مقاومت انتقال حرارت را افزایش می دهد و منجر به عملکرد ضعیف مبدل حرارتی می شود. در مبدل های حرارتی پوسته و لوله افقی، بافل ها از لوله ها حمایت می کنند و از افتادگی یا آسیب لرزش جلوگیری می کنند.

میله های کراوات و اسپیسر

میله ها و اسپیسرها تکیه گاه ها و اجزای ساختاری هستند که برای نگه داشتن بافل ها در جای خود و همچنین حفظ فضای بین بافل ها طراحی شده اند. تعداد میله ها و اسپیسرها بر اساس تعداد بافل ها و قطر پوسته تعیین می شود. میله های اتصال به ورق لوله پیچ می شوند و طول یک بسته نرم افزاری را تا آخرین بافل گسترش می دهند.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله چگونه کار می کنند؟

مفهوم و عملکرد یک مبدل حرارتی پوسته و لوله نسبتاً ساده است و بر اساس جریان و تماس حرارتی دو مایع است. نام مبدل حرارتی پوسته و لوله به عنوان توضیحی در مورد این فرآیند عمل می کند که تبادل دما بین دو سیال است. در یک مبدل حرارتی ، یک سیال گرم یا داغ در اطراف یک سیال سرد جریان می یابد و گرما را در جهت جریان سیال سرد منتقل می کند.

در هر شرایطی که دو قطعه ماده با هم تماس داشته باشند، تبادل یا انتقال گرما از طریق یک سطح رسانا وجود خواهد داشت. فرآیند مبدل حرارتی پوسته و لوله مکانی را برای دو سیال برای تبادل یا انتقال گرما از طریق فلزات رسانا فراهم می کند.

در فرآیند مبدل حرارتی پوسته و لوله، یک سیال از طریق لوله ها جریان می یابد در حالی که سیال دیگر از طریق پوسته جریان می یابد. 

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله دارای دو محفظه یا بخش است: بخش پوسته و بخش لوله. هنگام کار با مبدل حرارتی پوسته و لوله، مهم است که تصمیم بگیرید که سیال داغ از کدام طرف وارد شود و سیال سرد از کدام طرف وارد شود. این تصمیم به عنوان تخصیص سیال نامیده می شود.

هنگامی که بین سیالات اختلاف فشار وجود دارد، سیال فشار پایین‌تر از طریق ورودی پوسته وارد می‌شود زیرا لوله‌ها برای تحمل فشار بالا طراحی شده‌اند.

سمت پوسته

هنگام تعیین جریان سیال برای سمت پوسته، مهم است بدانید که ساخت پوسته گرانتر از لوله ها است و تمیز کردن آن دشوارتر است. سمت پوسته دارای حفره هایی است که جریان سیال را در سراسر بسته های لوله هدایت می کند.

سیالات چسبناک و سیالات با سرعت جریان بالا از طریق پوسته پردازش می شوند که در آن آشفتگی افزایش یافته و ضریب انتقال افزایش یافته است که منجر به بهبود انتقال حرارت می شود. تغییرات دمایی زیاد معمولاً در سمت پوسته انجام می شود.

سمت لوله

یک ضرورت در سمت لوله ایجاد جریان آشفته است. این امر با نصب توربولاتورها در داخل لوله ها از طریق سوراخ های ورق لوله به دست می آید. مانند تلاطم در پوسته، تلاطم در لوله ها ظرفیت انتقال حرارت را افزایش می دهد. عملکرد ثانویه توربولاتورها تمیز نگه داشتن داخل لوله ها و بدون رسوب است. لوله ها دارای اغتشاش و افت فشار کمتری هستند و جریان روانی را ارائه می دهند.

پاس ها

مبدل های حرارتی پوسته و لوله می توانند یک، دو، چهار، شش یا هشت پاس داشته باشند که 1-1، 1-2، 1-4 و غیره نوشته می شود. عدد اول تعداد پوسته هاست. عدد دوم تعداد پاس ها است. تعداد عبور تعداد دفعاتی است که سیال از سیال موجود در پوسته عبور می کند. در یک مبدل حرارتی تک پاس، سیال یک بار از پوسته عبور می کند. با افزایش تعداد پاس ها، ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد.

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله

 سیال سرد از طریق لوله یا ورودی پوسته وارد می شود و با گرمایش رسانا در لوله ها گرم می شود. سپس از پردازش خارج می شود. 

جریان آشفته در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله سرعت انتقال حرارت را افزایش می دهد و از رسوب در لوله ها و دیواره های پوسته جلوگیری می کند. جریان آشفته ثابت دارای یک اثر خود تمیز شوندگی است که عملکرد مداوم و بهینه را تضمین می کند. بافل هایی که جریان را در پوسته هدایت می کنند تلاطم آن را ایجاد می کنند در حالی که توربولاتورهای نصب شده در لوله ها آشفتگی آن را ایجاد می کنند.

فرآیند تبادل حرارت با تماس حرارتی بین دو سیال موجود در پوسته و لوله ها تسهیل می شود. یکی از مایعات خنک تر و دیگری گرم تر یا داغ تر می رود.

مزایای مبدل های حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و لوله برای کاربردهای مختلف استفاده می شوند و نیازهای مجموعه ای از صنایع را برآورده می کنند. از آنجایی که آنها در پیکربندی های مختلف موجود هستند، می توان آنها را با نیازهای هر عملیات تولیدی یا تولیدی تطبیق داد.

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله در جریان تجهیزات پردازش در پالایشگاه‌ها و کارخانه‌ها گنجانده می‌شوند تا انتقال یا تبادل گرما روان و کارآمد انجام شود. مبدل های حرارتی پوسته و لوله 65 درصد مبدل های حرارتی موجود در بازار را تشکیل می دهند.

هزینه

یکی از مزایای مهم مبدل های حرارتی پوسته و لوله هزینه آنهاست. آنها نسبت به کولرهای نوع صفحه ای بسیار ارزان تر هستند.

ظرفیت گرمایی

مبدل های حرارتی باید بتوانند طیف وسیعی از دماها را که بسته به کاربرد متفاوت است، تحمل کنند. توانایی آنها در مقابله با دماهای شدید به حفظ تولید و ادامه عملیات کمک می کند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای ظرفیت کار در دمای بالا هستند و می توانند برای هر شرایطی سازگار شوند.

فشار

فشار بالای مبدل حرارتی پوسته و لوله مستلزم استفاده از مواد ضخیم است که در صورت استفاده از آلیاژهای نیکل مبدل را بسیار سنگین یا گران می کند. فشار بالا مشکلات عمده ای ایجاد می کند و منجر به از دست دادن تولید می شود. پوسته و لوله مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله برای مقاومت در برابر افراط‌های ناشی از واریانس فشار و پایبندی به کدهای ASME و PED آزمایش و طراحی شده‌اند.

افت فشار

افت فشار اتلاف انرژی است و باعث افت فشار پایین دست می شود که سرعت جریان را کاهش می دهد. مبدل های حرارتی پوسته و لوله به گونه ای طراحی شده اند که با افت فشار مقابله کرده و آن را در معیارهای طراحی به حداقل برسانند. متغیرهای مختلفی تحت تأثیر افت فشار قرار می گیرند که یکی از آنها رسوب پوسته و لوله ها است. با حداقل افت فشار مجاز مبدل های حرارتی پوسته و لوله، این مشکل برطرف می شود.

تنظیمات

طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله را می توان برای سازگاری با هر فرآیند تولید تنظیم کرد. تغییر در قطر لوله، تعداد لوله ها، طول لوله ها، گام لوله، و ترتیب لوله ها را می توان تغییر داد تا به طور خاص با نیازهای یک برنامه کاربردی مطابقت داشته باشد.

انبساط حرارتی

طراحی چند لوله ای مبدل های حرارتی پوسته و لوله امکان انبساط حرارتی بین لوله ها و پوسته را فراهم می کند. این پیکربندی به مبدل حرارتی توانایی رسیدگی به مایعات قابل اشتعال و سمی را می دهد.