mobadel hararati

مبدل حرارتی پوسته و لوله
________________________________________
مبدل های حرارتی پوسته-لوله ای
مبدل های حرارتی پوسته-لوله ای با مقطع دایره ای که در پوسته ای استوانه شکل نصب شده اند ساخته می شوند. بطوریکه محور لول ها موازی با محور پوسته است. این مبدل ها بصورت وسیعی بعنوان خنک کن های روغن و چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاه و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاه های هسته ای و در کاربردهای صنایع فرآیندی و شیمیایی استفاده می شود. ساده ترین شکل از یک چگالنده نوع پوسته ای و لوله ای افقی به همراه اجزاء در زیر نشان داده شده.

یک سیال داخل لوله ها و سیال دیگر در سمت پوسته بصورت متقاطع با لوله ها و یا در طول آن ها جریان دارد.
اهداف اصلی طراحی در این مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها و تمیز کردن آسانتر مجموعه و هزینه کم در روش ساخت و تولید آنها نسبت به سایرین می باشد.
در مبدل های پوسته ای و لوله ای با صفحه لوله های ثابت پوسته به صفحه لوله جوش شده است و هیچگونه دسترسی به خارج از دسته لوله ها برای تمیز کاری وجود ندارد. در این نوع از مبدل ها تمیز کردن لوله آسان است.
مبدل های پوسته لوله ای با دسته لوله u شکل دارای کمترین هزینه ساخت می باشد. زیرا در آنها فقط به یک لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها بدلیل خم u شکل تند را نمی توان با وسایل مکانیکی تمیز کرد. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرگاه لوله بکار می رود ولی محدویتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.

چندین طرح ایجاد شده که به صفحه لول ها امکان می دهد تا شناور باشد.

اجزای اصلی مبدل های پوسته-لوله ای

مبدل های پوسته-لوله ای از لوله های دایره ای قرار گرفته در یک پوسته استوانه ای ساخته می شوند که لوله ها موازی با پوسته می باشد. یک سیال در داخل لوله ها جریان دارد و سیال دیگر از روی دسته لوله ها
دسته لوله ها tube bundle
پوستهshell
سرhead
انتهای جلوییfront-end head
سر انتهای عقبیrear-end head
دیوارک ها baffles
صفحه لوله هاtube sheets
انواع دسته لوله ها
نوعی از طراحی که امکان انبساط گرمایی مستقل لوله ها و پوسته را فراهم می کند. لوله u شکل است. بنابراین در این نوع طراحی انبساط گرمایی می تواند وجود داشته باشد و محدود نیست. لوله u شکل دارای کمترین هزینه ساخت است. زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سمت لوله بدلیل شکل انحنای u نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این نوع دسته لوله ها تنها تعداد زوجی از گذرهای لوله می تواند بکار رود. تنها لوله های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله ها قابل تعویض می باشند. جزئیات بیشتر در شکل زیر نشان داده شده است.

پوسته به صفحه لوله جوش خورده و به سمت بیرونی دسته لوله برای تمیز کاری دسترسی وجود ندارد. در این مورد تمیز کاری لوله بصورت مکانیکی بسیار آسان است.طرحهای متعددی فراهم آمده که به صفحه لوله ها امکان دهند تا شناور باشند. یعنی بتواند با انبساط گرمایی حرکت کند.

مبدل های گرمایی با سطوح پره دار :
این نوع مبدل ها دارای پره ها و یا ضمائمی در سطح اصلی که انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از مایع است سطوح انتقال گرمای پره دار در سمت گاز برای افزایش سطح انتقال گرما استفاده می شوند. پره ها بصورت وسیع در مبدل گرمایی گاز-گاز یا گاز مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل فشرده گرما نیاز باشد استفاده می گردند.
مبدل صفحه ای پره دار:
نوع مبدل های صفحه ای پره دار عمدتا برای کاربردهای گاز-گاز و مبدل های لوله ای پره دار برای کاربردهای مایع – هوا استفاده می شود. در اکثر کاربردها کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بدلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن مبدل های فشرده گرما همچون بصورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم بازیابی انرژی و صنایع فرآیندی و تبرید و سیستم های تهویه مطبوع استفاده می گردند.

بفلها:
بفلها در پوسته برای تعیین جهت جریان در طول تیوبها و افزایش سرعت و افزایش نرخ انتقال حرارت استفاده می شوند.
جهت توصیف بافل این گونه می توان بیان شود که در واقع برش بافل ها در بخش های طولی بفل هستند که برای تغییر جهت حرکت سیال در آن بکار می رود.
حداکثر ضخامت بافل ها و نگهدارنده های آن ها در استانداردها وجود دارد. فاصله بافل ها حدود 0.2 تا 1 برابر قطر پوسته می باشد. فاصله کم بافل ها باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می شود اما افت فشار نیز زیاد می شود

انتقال انرژی حرارتی از یک سیال به سیالی دیگر در صنعت توسط دستگاهی بنام مبدل حرارتی (Heat exchanger) صورت می گیرد.
در مبدل های حرارتی دو سیال با دمای متفاوت وجود دارد که این دستگاه شرایطی را فراهم می آورد تا تبادل گرما میان دو سیال بر قرار شود. معمولا مبدل های حرارتی به منظور خنک کردن سیال گرم و یا گرم کردن سیال با دمای پایین تر و یا هر دو ، مورد استفاده قرار می گیرند.
مبدل حرارتی از طریق یک سطح واسط موجب انتقال انرژی میان دو سیال می شود . مبدل ها از نظر میزان سطح انتقال حرارت ( سطح واسط ) به دو نوع معمولی و فشرده تقسیم بندی می شوند . در صورتی که سطح انتقال حرارت بیشتر از 700 متر مربع بر متر مکعب باشد مبدل را فشرده می گویند .
مبدل های حرارتی در صنایع مختلف از جمله نیروگاه های برق ، پالایشگاه ها ، صنایع پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع ذوب فلز و... بصورت گسترده به کار می روند .
مبدل های حرارتی در دستگاه های مختلف نظیر دیگ بخار ، مولد بخار ، کندانسور ، اواپراتور ، تبخیر کننده ها ، برج خنک کن ، پیش گرم کن فن کویل ، خنک کن و گرم کن روغن ، رادیاتور ها ، کوره ها و ... کاربرد فراوان دارد .

مبدل های حرارتی بر اساس :
1_ پیوستگی یا تناوب جریان
2_ فرآیندانتقال
3_ فشردگی یا تناوب جریان
4 _ نحوه ساختمان و مشخصات هندسی آن
5 _ درجه حرارت کارکرد
6_ سازوکار انتقال حرارت
7_ تعداد سیال
8_ آرایش جریان
دسته بندی می شوند.
انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد :

1-مبدل های حرارتی لوله ای (tube" heat exchanger") :
این نوع از مبدل ها که در صنعت کاربرد بیشتری دارند خود به چند دسته ی مختلف تقسیم بندی می شوند :
1_ تک لوله ای
2_ دولوله ای
3_ لوله مار پیچ
4_ چند لوله ای
5_ لوله پوسته

مبدل حرارتی دو لوله ای (Double tube" heat exchanger")

ساده ترین نوع مبدلی که در صنعت ساخته می شود مبدل حرارتی دو لوله ای است که به آن مبدل سنجاق سری نیز گفته می شود . که از دو لوله ی هم محور و به شکل U تشکیل شده است . در این نوع مبدل یکی از سیال ها از درون لوله و سیال دیگر از مجاری بین دو لوله عبور می کند و به این ترتیب عمل انتقال حرارت صورت می پذیرد
لوله های هم محور ری که درون هم قرار می گیرد در یک انتها توسط یک زانوی 180 درجه مطابق شکل فوق برگشت داده می شود . در برخی موارد که از مجرای بین دو لوله گاز عبور میکند سطح خارجی لوله داخلی به صورت پره دار ساخته می شود . به شکل زیر توجه کنید :
از مزایای این نوع مبدل ها می توان به ساخت آسان و هزینه نسبتا کم ، محاسبات و طراحی آسان ، کنترل ساده جریانهای سیال در دو مسیر ، نگهداری و تمیز کردن آسان و کاربرد در فشارهای زیاد اشاره کرد .
در صنعت معمولا برای سیالاتی که رسوب زا هستند از این نوع مبدل ها استفاده می شود .

مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow splral" heat exchanger)

این نوع ازمبدل های حرارتی از یک یا چند حلقه لوله مارپیچ تشکیل شده اند که ابتدا وانتهای این لوله مارپیچ به لوله اصلی ورودی و خروجی متصل می شود و محفظه ای اطراف آن را می پوشاند . معمولا جنس لوله های مارپیچ از فولاد کربن دار یا مس و آلیاژ های آن یا فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل می باشد .
معمولا ابعاد این دسته از مبدل ها در مقایسه با سایر مبدل های لوله ای کمتر است زیرا انتقال حرارت در مسیر های منحنی و پیچ دار بیشتر از مسیر مستقیم است .

از معایب و مزایای این نوع از مبدل ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :

معایب :
1_ به دلیل کوچک بودن لوله مار پیچ تعمیر و جوشکاری آنها مشکل و زمانبر است
2_ بدلیل مارپیچ بودن لوله ها تمیز کردن انها عملا مشکل است

مزایا :
1_ راندمان بالا
2_ مونتاژ آسان
3_ مقاومت مکانیکی در مقابل انبساط و انقباض
4_ مناسب برای دبی های کم و بارهای حرارتی پایین

مبدل های حرارتی لوله _ پوسته ("shell & tube" heat exchanger)

متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل های حرارتی لوله- پوسته می باشد که برای کاربرد های مختلف و در اندازه های گوناگون طراحی و ساخته می شود .از این نوع مبدل ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود . اجزای تشکیل دهنده یک مبدل حرارتی لوله- پوسته عبارتند از :
لوله ، صفحه لوله ، پوسته ، سر جلو ، سر عقب وصفحات نگهدارنده (بافل ها )

این نوع از مبدل ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه یا جداره لوله است امکان می پذیرد پس باید جنس لوله ها به گونه ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت ، رسانای خوب گرما نیز باشد .

در مبدل های لوله-پوسته معمولا دو صفحه از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می گیرد که به تعداد لوله های داخل مبدل بر روی این ورقه ها سوراخ ایجاد شده است و این لوله ها به صفحه لوله از طریق جوش یا به طریقه مکانیکی متصل شده اند .

دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه ای طراحی و ساخته می شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله ها هدایت شود و پس از عبور از لوله ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع آوری گردد.
سیالی که از میان پوسته عبور می کند باید به گونه ای هدایت شود که در طی مسیر بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله ها برقرار نماید و فرآیند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد . برای دستیابی به این هدف از قطعه ای به نام بافل (Baffle) استفاده می شود . بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار می گیرند . هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .

مبدل های حرارتی صفحه ای (("plate" heat exchanger
این نوع مبدل ها از ورق های نازک صاف یا موجدار و به صورت مسطح و استوانه ای ساخته می شوند و بیشتر برای حالت مایع- مایع به کار می روند . که خود به به سه دسته صفحه و شاسی ، مارپیچی و صفحه کویل تقسیم بندی می شوند . در اینجا نوع صفحه شاسی بررسی مشود :

مبدل حرارتی صفحه و شاسی(("plate & farme" heat exchanger
این نوع مبدل از تعدادی صفحه نازک و مستطیل شکل که می توانند از جنس پلاستیک و یا فلز باشند تشکیل یافته که بصورت موازی در کنار هم قرار گرفته و بین آنها مجاری سیال وجود دارد، سیال گرم و سرد به صورت یک در میان از بین صفحات عبور کرده عمل انتقال حرارت صورت می گیرد . بدلیل محدودیت دما و فشار برای دما و فشار های بالا مناسب نیستند از این نوع مبدل ها به منظور انتقال حرارت در زمان بسیار پایین استفاده میشود و این به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی است که این مبدل دارد . از این نوع مبدل ها معمولا در صنایع غذایی استفاده می شود .

مبدل های حرارتی پره دار
در مواردی که لازم است حجم و وزن مبدل کم ودر عین حال بازده مبدل بالا باشد از مبدل های پره دار استفاده میشود .

مبدل حرارتی صفحه پره((flat plate exchanger
در مبدل های صفحه پره در طرف مجاری عبوری هر کدام از سیال ها بین دو صفحه برای افزایش سطح تماس پره هایی قرار می گیرد .این پره ها مو جب افزایش سطح تماس و در نتیجه انتقال حرارت بیشتر می شوند . علاوه بر آن پره ها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش توان مبدل در تحمل فشار ها ی بالا می گردد.
این نوع از مبدل ها در تهویه ی مطبوع ، پیش گرم کن های هوا و بازیاب در توربین های گازی استفاده می شود .

كاربرد در فرآيند
جريان فرايند در قسمت لوله ها مي تواند تك فاز يا دو فازي گرم يا سرد باشد. محاسبات محدود به مواد منفرد نيست و هر مخلوطي (با گازهاي غيرقابل ميعان يا بدون آن) در هر شرايطي (بخار خشك، بخار اشباع، دو فاز، مايع اشباع يا Subcooled) را مي توان به كار برد. جريان هاي X-side (كه مربوط به حالت متقاطع يا Crossflow است) مي تواند هواي خشك يا مرطوب يا مخلوطي از گازها باشد. اين قابليت انعطاف زمينه كاربرد مداوم ACOL در صنايع نفت، گاز، شيميايي، پتروشيمي و انرژي را فراهم مي آورد

مشخصات فني و توانايي
انواع كاربرد
مبدلهاي حرارتي كه با هوا خنك مي شوند (ACHE) ، بازيافت حرارت ، تهويه مطبوع ، Charge Cooler
انواع لوله ها
ساده (Plain) ، پره بلند ، پره كوتاه ، پره دندانه دار (Serrated Fin) ، پره صفحه اي Tube in Plate, Studded (Plate Fin)
انواع High fin
Extruded, L, G دوفلزي Shoulder grooved , (bi-metalic)
انواع كلگي
U-tube, Manifold, D, Cover Plate, Plug, Box
تعداد گذر
تا 50 عدد با آرايش ساده يا پيچيده. امكان چيدن و تنظيم گذرها به صورت تصويري
اندازه Bundle
2 تا 100 رديف با Bundle هاي چند گانه در هر bay و چندين bay در هر unit
نوع جريان هوا
اجباري، القايي ، آزاد (بدون پنكه)
طرف جريان فرآيندي
گرمايش و سرمايش تك فاز، ميعان يا جوشيدن
تقويت انتقال حرارت در طرف لوله ها
مشخص شده به ازاي هر گذر (pass)، نوار پيچان (twisted tapes)، ضرايب تقويت j&f input , (enhancement factors)
X-side (جريان متقاطع يا Crossflow)
هواي خشك، هواي تر (رطوبت زدايي)،مخلوط گازي چند جزئي، پروفيل دما و سرعت درورودي، عملكرد سطوح اختصاصي را نيز مي توان مشخص كرد.
خواص فيزيكي
مواد خالص و مخلوط هاي چند جزئي
بانكهاي داده داخلي
بانك داده ها با 40 ماده، بانك داده هاي مواد خاص كاربر و خواص جريان، بانك خاص كاربر براي X-side
واسطه هاي مخصوص
برنامه هاي PPDS2, ASPENPLUS, HYSYS, HYSIM از طريق فايل هاي PSF، برنامه انتخاب پنكه CF-P20 ، بانك اطلاعاتي خواص مواد DIPPR
جرم گيري
مقاومت استاندارد يا مقدار جرم گيري در قسمت لوله به عنوان تابعي از سرعت، دما، كيفيت ، فاز يا طول، X-side به عنوان تابعي از شماره رديف لوله ها
نتايج خروجي
ACOL از توان و قابليت هاي محيط Windows براي نشان دادن تمامي مشخصات مبدل استفاده مي كند. ترسيم منحني به صورت گسترده براي تجزيه و تحليل اطلاعات خروجي به كار گرفته شده است

• خلاصه عملكرد حرارتي – هيدروليكي مبدل
• جزئيات نتايج شامل :
o طرف لوله، طرف متقاطع با لوله ها و افت فشار دهانه ها
o منحني هاي شرايط جريان و نتايج بدست آمده در مبدل
• برگه اطلاعاتي API با ورودي جزئيات مبدل به صورت خودكار
• آرايه مبدل حرارتي براي واحدهاي از نوع API
• خروجي متني شامل
o خلاصه عملكرد حرارتي – هيدروليكي شامل تخمين وزن
o نمودار جانمايي كلگي
o اطلاعات جامع افت فشار در طرف لوله و طرف متقاطع
o منحني هاي خواص جريان و بار حرارتي محاسبه شده توسط برنامه يا ضميمه شده به برنامه
o جداول با جزئيات شرايط فرآيند و عملكرد آن در طول مبدل در قسمت لوله و X-side براي 20 نقطه در طول لوله در هر گذر يا رديف
o نصب X-side و داده هاي Fan noise
• فايل هاي INTOUT براي ارتباط خودكار با بانك هاي اطلاعاتي و ساير برنامه اي كاربردي .

طراحي حرارتي، بررسي و شبيه سازي مبدلهاي حرارتي پوسته و لوله
• آيا مناسب ترين مبدل را براي كاربردتان طراحي مي كنيد؟
• آيا اطمينان داريد كه نتايج بدست آمده از آخرين تحقيقات در نرم افزار حرارتي مورد استفاده شما به كار گرفته شده است؟
• آيا مي توانيد طراحي، بررسي و شبيه سازي تمام انواع مبدلهاي پوسته و لوله شامل مبدل هاي دو لوله (Double Pipe) و ترموسيفون را به طور جامع در يك برنامه داشته باشيد؟
با انتخاب TASC اطمينان بيشتري در طراحي تجهيزات و عمليات واحد داريد. در اين نرم افزار از روش ها اختصاصي HTFS استفاده شده است كه بر مبناي بيش از 30 سال تجربه و تحقيق استوار است.
توانايي ها
TASC به چهار روش مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد:
• طراحي (Design)- طراحي حرارتي بر مبناي سطح يا هزينه بهينه با شرايط مشخص فرآيندي و محدوديت هاي ابعادي.
• بررسي (Checking) – بررسي اين مطلب كه آيا مبدل موجود، بار حرارتي مورد نياز را با در نظر گرفتن شرايط خاص ورودي و خروجي برآورده مي كند يا خير. در اين حالت، نسبت سطح حرارتي موجود به سطح حرارتي مورد نياز محاسبه مي شود.
• شبيه سازي (Simulation) - محاسبه شرايط خروجي و كاركرد مبدل براساس شرايط ورودي.
• ترموسيفون (Thermosiphon) - محاسبه عملكرد Thermosiphon reboiler عمودي يا افقي، ميزان جريان در گردش و افت فشار در لوله هاي ورودي و خروجي.
.

خواص فيزيكي
تغيير خواص با دما و فشار به طور كامل در محاسبات TASC منظور مي گردد. كاربر مي تواند خواص فيزيكي سيال را مشخص كرده يا آن را از بسته نرم افزاري فرايندي يا بسته نرم افزاري تعيين خواص، استخراج و به برنامه دهد و يا اجازه دهد TASC خود از تركيبات مخلوط داده شده اين خواص را محاسبه نمايد.
بررسي ارتعاش ناشي از جريان
ارتعاش در مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله ممكن است باعث بروز مشكلات عملياتي حاد، كاهش توليد به دليل كاهش ميزان جريان (براي دوري جستن از ارتعاش) و كاهش زمان عملياتي به دليل خسارات سنگين به وجود آمده گردد. TASC به طور دقيق و بر مبناي روش هاي عملا امتحان شده و معتبر، مسائل مربوط به ارتعاش احتمالي ناشي از جريان هاي گازي مايع، يا دو فازي سمت پوسته را شناسايي مي كند.

خروجي
در خروجي TASC از قابليت انعطاف پذيري و راحتي كار در محيط TASC براي تجزيه و تحليل شكل هندسي و مشخصات تفصيلي كاركرد مبدل استفاده گرديده است. محيط گرافيكي و توانايي تمركز موجود در نرم افزار باعث افزايش توانايي تجزيه و تحليل گرافيكي اطلاعات خروجي و قابليت بررسي دقيق بي نظمي هاي موجود در اطلاعات عملكردي مي گردد. خروجي TASC شامل :
• اطلاعات تفصيلي طرح بهينه (در حالت Design) يا طرح موجود (در حالت هاي Simulation يا Checking) از جمله وزن هاي تقريبي مبدل و جدول طرح هاي ممكن ديگر (در حالت Design)
• برگه اطلاعاتي بر طبق استاندارد TEMA با اطلاعات تفصيلي مبدل.
• نقشه جزئيات هندسي مبدل.
• اطلاعات جامع در مورد افت فشار در پوسته و لوله، توزيع جريان در پوسته و شرايط بين پوسته هاي به هم متصل.
• تغيير دما و ضريب انتقال حرارت در طول مبدل (در حالت Simulation يا Checking) شامل دماي فلز لوله به تفصيل.
• تجزيه و تحليل ارتعاش بهمراه شناسايي دلايل آن.
• فايل هاي با فرمت DXF براي استفاده در برنامه هاي گرافيكي كاربردي.
• فايل هاي INTOUT براي ارتباط خودكار با پايگاه داده ها و ساير برنامه هاي كاربردي .
• فايل ورودي داده ها براي نرم افزار OPTU.