مبدل های حرارتی شل اند تیوب – هر آنچه باید بدانید
مبدل‌های حرارتی دستگاه‌هایی هستند که انرژی گرمایی را از یک سیال در حال کار به سیال دیگر منتقل می‌کنند. این سیالات می‌توانند به فرم مایع و گاز باشند.
این دستگاه‌ها برای تبرید و سرمایش، تولید برق، HVAC و موارد دیگر ضروری هستند و در اشکال و اندازه‌های مختلفی وجود دارند.
هم می‌توانند گرما را وارد سیستم کنند و هم آن را بیرون کنند.
درک این‌که چه چیزی یک نوع مبدل حرارتی را از نوعی دیگر منحصر به فرد می‌کند اغلب دشوار است.
این مقاله به خوانندگان کمک می‌کند تا درمورد یکی از محبوب‌ترین مبدل‌های حرارتی، یعنی مبدل شِل اند تیوب (shell and tube)، اطلاعات مقدماتی کسب کنند.
هدف این مقاله این است که نشان دهد مبدل حرارتی شل اند تیوب چیست؟
چگونه کار می کند؟ چه انواعی دارد؟ و چگونه در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد؟
مبدل حرارتی شل اند تیوب چیست؟
شکل 1: یک مبدل معمولی شل اند تیوب. به تیوب‌های داخلی (تیوب‌ها) متعدد (سمت چپ تصویر) و پوسته‌ی بیرونی (شل) که آنها را در خود جای داده است توجه کنید.
همهی مبدل‌های حرارتی بر اساس یک اصل ساخته شده‌اند:
سیال داغی که بر روی یا دور سیال سردتر جریان می‌یابد، گرمای آن (و در نتیجه انرژی آن) را در جهت جریان سرد منتقل می‌کند (برای مرور قوانین ترمودینامیک، به این مقاله‌ی ما مراجعه کنید).
به زمانی که برای اولین بار فرمان ماشین خود را در یک روز سرد گرفته‌اید فکر کنید: در ابتدا، اختلاف دمای بین دست و فرمان زیاد است و می‌توانید احساس کنید که چقدر سرد است.
با این حال، اگر مدام فرمان را نگه دارید، بخشی از گرمای دست شما توسط فرمان سرد جذب می‌شود و چرخ “گرم می‌شود”.
این مثال یک روش شهودی برای درک اصول اساسی هر مبدل حرارتی است:
دو سیال با دمای متفاوت را به هم نزدیک می‌کنیم و به آنها اجازه می‌دهیم تا حرارت را از طریق یک میانجی رسانای گرما “تبادل” کنند.
طبق این توضیحات، می‌توانیم به سادگی بگوییم که مبدل‌های شل اند تیوب دستگاه‌هایی هستند
که با استفاده از لوله‌هایی (که با آنها تیوب می‌گوییم) که در یک پوسته استوانه‌ای بیرونی (که به آن شل می‌گوییم) قرار دارند، دو سیال را در تماس حرارتی قرار می‌دهند.
این دو مسیر سیال‌ها معمولاً از فلزات رسانای حرارتی ساخته شده‌اند که انتقال حرارت را آسان می‌کند (فولاد، آلیاژهای آلومینیوم و غیره).
تیوب‌ها یک سیال را از ورودی به خروجی خود (جریان “تیوب-ساید” یا سمت تیوب) منتقل می‌کنند،
در حالی که پوسته یا شِل سیال دیگری را از روی این تیوب‌ها عبور می‌دهد (جریان “شل-ساید” یا سمت شل).
تعداد تیوب‌ها، که به عنوان “دسته تیوب” شناخته می‌شوند، تعیین می‌کند که چه میزان سطحی از تیوب‌ها در معرض جریان سمت شل قرار می‌گیرد
و بنابراین میزان انتقال حرارت را تعیین می‌کند.
این دستگاه‌ها از جمله موثرترین وسایل تبادل گرما هستند، زیرا به راحتی ساخته و نگهداری می‌شوند،
جمع و جور هستند و انتقال حرارت عالی را فراهم می‌کنند.
آنها به طور گسترده‌ای در صنایع مختلف توزیع می‌شوند و برای کندانسورها، کولرهای توربین، اواپراتورها، پیش گرمایش آب آشامیدنی و موارد دیگر مفید هستند.
مبدل‌های حرارتی شل اند تیوب چگونه کار می‌کنند؟
شکل 2: دیاگرام مبدل‌های حرارتی شل اند تیوب. این شکل یک طرح معمولی را نشان می‌دهد، اما توجه داشته باشید که تنظیمات زیادی در طراحی وجود دارد.
شکل 2 در بالا پیکربندی معمولی مبدل‌های حرارتی شل اند تیوب را نشان می‌دهد.
همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد، نکته‌ی اساسی مبدل‌های حرارتی شل اند تیوب این است
که یک سیال گرم را از مسیر یک سیال سرد عبور دهید، بدون این‌که آن دو را با هم مخلوط کنید، به طوری که فقط گرمای آنها منتقل شود.
نمودار بالا دو ورودی و دو خروجی را نشان می‌دهد که در آنها هر یک از دو سیال از ورودی مربوطه وارد می‌شود و در خروجی مربوط به خود خارج می‌شود.
جریان سمت تیوب از دسته تیوب (که توسط صفحات فلزی معروف به ورق تیوب یا tubesheet/tubeplate حفاظت شده‌است) عبور می‌کند و از خروجی تیوب خارج می‌شود.
به طور مشابه، جریان سمت شل از ورودی شل شروع می‌شود، از تیوب‌ها عبور می‌کند و در خروجی شل خارج می‌شود.
درهای دو طرف دسته تیوب، مخازنی برای جریان سمت تیوب ایجاد می‌کنند و می‌توانند با توجه به انواع خاص مبدل‌های حرارتی به چند بخش هم تقسیم شوند.
هر تیوب حاوی یک توربولاتور (turbolator) است که باعث ایجاد جریان متلاطم در تیوب‌ها می‌شود و از رسوب جلوگیری می‌کند و همچنین ظرفیت انتقال حرارت مبدل را افزایش می‌دهد.
طراحان همچنین با استفاده از موانعی به نام “بافل” باعث ایجاد تلاطم در شل می‌شوند که میزان تبادل حرارتی بین سیال سمت شل و تیوب‌های خنک کننده را به حداکثر می‌رساند.
سیال سمت شل باید در اطراف این بافل‌ها حرکت کند، که باعث می‌شود جریان بارها از روی دسته تیوب عبور کند
بنابراین انرژی را منتقل کرده و از مبدل حرارتی با دمای پایین‌تری خارج می‌شود.
برخی از مبدل‌های شل اند تیوب از اشکال مختلف بافل برای به حداکثر رساندن انتقال حرارت استفاده می‌کنند، و برخی از آنها به کلی از آن استفاده نمی‌کنند.
مبدل های شل اند تیوب می‌توانند تک فاز یا دو فاز باشند.
یک مبدل تک فاز، فاز سیال را در طول فرایند ثابت نگه می‌دارد (به عنوان مثال آب مایع وارد می‌شود و مایع خارج می‌شود)
در حالی که مبدل دو فازی باعث تغییر فاز در طول فرآیند انتقال حرارت می‌شود (به عنوان مثال بخار آب وارد می‌شود و آب مایع خارج می‌شود).
آنها همچنین می‌توانند یک گذره یا چند گذره باشند، که اشاره به این دارد که جریان‌های سمت تیوب یا سمت شل چند بار از دستگاه عبور می‌کنند.
شکل 1 یک پیکربندی چند گذری را نشان می‌دهد، که در آن جریان شل چندین بار از لوله‌های خنک‌کننده قبل از خروج از خروجی عبور می‌کند.
اگر بافل ها در شکل 1 نبودند، مبدل حرارتی به عنوان یک دستگاه تک گذره در نظر گرفته می‌شد
زیرا هر دو جریان سمت تیوب و جریان سمت شل فقط یک بار از یک‌دیگر عبور می‌کردند.
انواع مبدل‌های شل اند تیوب
انواع استاندارد مبدل‌های حرارتی شل اند تیوب توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل‌های تیوبی یا TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Association) تنظیم می‌شوند.
آنها تمام طرح‌های مبدل‌ها را به سه قسمت اصلی تقسیم می‌کنند:
دریچه‌ی قسمت جلویی، شل، و دریچه‌ی انتهایی در عقب. و این سه را با حروف مشخص می‌کنند.
انواع مختلفی از هر جزء وجود دارد، اما این مقاله فقط بر روی رایج ترین مبدل‌های حرارتی استاندارد TEMA تمرکز می‌کند،
زیرا آنها سه تا از مدل‌های پرکاربرد هستند.
این سه نوع عبارتند از:
U-tube (یو-تیوب)، fixed tube sheet (صفحه تیوب ثابت)، و floating head heat exchangers (مبدل‌های سر شناور).
مبدل‌های U-Tube
شکل 3: مبدل یو-تیوب
شکل 3 طرح معمولی مبدل‌های یو-تیوب را نشان می‌دهد و نشان می‌دهد که نامشان را از کجا گرفته‌اند.
دسته تیوب از تیوب‌های پیوسته‌ای ساخته شده است که به شکل “U” خم می‌شوند
و با استفاده از یک صفحه تیوب (که در بالا نشان داده شده است) به شل محکم متصل می‌شوند.
مایع خنک‌کننده از نیمه‌ی بالای دریچه، از طریق تیوب‌های U شکل جریان می‌یابد و سپس از نیمه‌ی پایینی دریچه خارج می‌شود.
این خم اجازه می‌دهد تا انبساط حرارتی سیالات بدون اجرای هرگونه انبساط در اتصالات رخ دهد،
زیرا طرف خم در شل آزاد شناور است و فضایی برای انبساط / انقباض دارد.
این مبدل‌ها زمانی کارکرد عالی دارند که تفاوت‌های درجه‌ی حرارت بالاست و انتظار انبساط می‌رود.
تنها نقطه ضعف عمده‌ی این مبدل‌ها این است که تمیز کردن بخش خمیده‌ی تیوب‌های آنها دشوار است.
مبدل‌های Fixed Tube Sheet یا صفحه تیوب ثابت
شکل 4: مبدل صفحه تیوب ثابت
مبدل صفحه تیوب ثابت از دو صفحه تیوب ثابت (نشان داده شده در شکل بالا) استفاده می‌کند که مستقیماً به شل جوش داده می‌شوند.
آنها مقرون به صرفه‌ترین نسخه‌ی طراحی شل اند تیوب هستند، زیرا فرایند ساختشان راحت‌تر از بقیه است..
با این حال، از آن‌جا که تیوب‌ها از طریق صفحه تیوب‌ها به سختی به شل متصل شده‌اند، باید از انبساط جلوگیری شود.
اگر بین جریان تیوب و جریان شل تفاوت دمای زیادی وجود داشته باشد، مبدل‌ها تحت خطر انبساط و آسیب هستند.
بنابراین اختلاف دما باید کوچک نگه داشته شود. یکی دیگر از معایب مدل‌های صفحه تیوب ثابت این است
که بخش بیرونی لوله‌های آنها برای نظافت قابل دسترس نیست.
مایع استفاده شده در سمت شل نباید بخش بیرونی لوله‌ها را رسوب‌زده کند، در غیر این صورت بازده مبدل کاهش می‌یابد.
مبدل‌های Floating Head یا سر شناور
شکل 5: مبدل سر شناور
مبدل سر شناور بهترین جنبه های هر دو طرح قبلی را ترکیب می‌کند. یک سر تیوب‌ها با یک صفحه تیوب ثابت در محفظه ثابت نگه داشته می‌شود
اما طرف دیگر آزاد است با استفاده از یک جزء به اسم “صفحه تیوب شناور” انبساط یابد.
این قسمت باعث می‌شود تیوب‌ها با افزایش دما بدون نیاز به خم شدن لوله‌ها منبسط شوند.
اپراتورها برای تمیز کردن آسان تیوب‌ها به آنها دسترسی راحتی دارند، در حالی که می‌توانند بدون ترس از خراب شدن دستگاه، اختلاف دمای زیادی را ایجاد کنند.
بنابراین مبدل سر شناور بهترین مبدل حرارتی از نظر کارایی و نگهداری است، اما طبیعتاً هزینه‌ی بالاتری دارد.
مشخصات و معیارهای انتخاب
این نوع مبدل‌های حرارتی در سراسر صنعت در کارخانه‌های شیمیایی، ژنراتورهای برق، یخچال‌ها و غیره استفاده می‌شوند.
می‌توان مبدل‌های حرارتی مدولار را خریداری کرد که در اکثر شرایط مقیاس کوچک کار می‌کنند، اما ساخت مبدل‌های مقیاس بزرگ نیاز به کار بیشتری دارد.
آنها بر اساس فرایندی ساخته می‌شوند که قرار است در آن کار کنند. در نتیجه باید به گونه‌ای طراحی شوند
که پارامترهای طراحی خاص آنها با قطعات استاندارد TEMA مطابقت داشته باشد.
به این ترتیب، خریداران می‌توانند مبدل حرارتی خود را سفارش دهند و بدانند که برای کارکردی که آنها مورد نظر دارند، کاملاً کار می‌کند.
سازندگان مبدل‌های حرارتی برگه‌های داده‌ای از فرایند را ایجاد کرده‌اند که به شروع این فرایند کمک می کند
و یک مثال در زیر آورده شده است تا نشان دهد چه نوع اطلاعاتی مورد نیاز است:
شکل 6: نمونه‌ای از یک برگه‌ی داده‌ی فرایند برای شروع فرایند انتخاب یک مبدل شل اند تیوب.
هر شرکتی به احتمال زیاد معیارهای خاص خود را دارد، اما مقادیری وجود دارد که معمولاً در تمام برگه‌های داده‌ی فرایند یافت می‌شوند، یعنی:
- ترکیب و میزان جریان سیالات
- تغییر دما مورد نظر
- خواص سیال مورد نیاز (چگالی ، ویسکوزیته ، هدایت حرارتی)
- درجه حرارت و فشار مطلوب
این لیست خیلی جامع نیست، اما تعریف این پارامترها شما را یک قدم به ساخت مبدل حرارتی مناسب خودتان نزدیک‌تر می‌کند.
بهتر است قبل از مراجعه به فروشنده ابتدا نیازهای مکانیکی و حرارتی لازم خود را درک کنید، بنابراین از این سوالات برای شناسایی نیازهای خود استفاده کنید.
