مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (آب به آب و بخار به آب)

فهرست مطالب

• مقدمه
• معرفی کلی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله
• اجزای اصلی مبدل پوسته و لوله
• نحوه عملکرد مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله
• طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله
• تعریف مبدل حرارتی پوسته و لوله آب به آب
• کاربردهای مبدل حرارتی پوسته لوله آب به آب
• مزایای مبدل های حرارتی پوسته لوله آب به آب
• معایب مبدل های حرارتی پوسته لوله آب به آب
• تعریف مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب
• عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب
• کاربردهای استفاده از مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب
• مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب
• معایب مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب
• مقایسه مبدل‌های آب به آب و بخار به آب
• نتیجه‌گیری
• پیشنهادات

مقدمه

مبدل‌های حرارتی نقش بسیار مهمی در انتقال انرژی حرارتی بین دو سیال دارند. یکی از رایج‌ترین و کاربردی ترین انواع این مبدل‌ها، مبدل حرارتی پوسته و لوله است که با توجه به ساختار مقاوم، طراحی متنوع و عملکرد خوب در شرایط مختلف، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله به بررسی دو نوع پرکاربرد از این مبدل‌ها شامل مبدل حرارتی پوسته و لوله آب به آب و مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب پرداخته می‌شود. تعریفی از اجزای این مبدل ها، نحوه عملکرد آن‌ها، کاربردها، مزایا، معایب و مقایسه بین آن‌ها در این مقاله ارائه می‌گردد.

معرفی کلی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله

مبدل پوسته و لوله از یک پوسته به شکل استوانه‌ تشکیل شده است که درون آن مجموعه‌ای از لوله‌ها به صورت طولی قرار دارند. یکی از سیالات از درون لوله‌ها (tubes) و دیگری از فضای بین لوله‌ها و پوسته (shell side) عبور می‌کند و از این طریق تبادل حرارتی صورت می‌گیرد. مبدل های پوسته و لوله به دلیل طراحی ساده، نگهداری آسان و قابلیت انتقال حرارت مؤثر در شرایط دمایی و فشاری مختلف، بسیار محبوب و مورد استفاده هستند.

اجزای اصلی مبدل پوسته و لوله

• پوسته (Shell) : محفظه‌ای استوانه‌ای است که سیال اول در آن جریان پیدا می‌کند.

• لوله‌ها (Tubes) : تعدادی لوله داخل یک پوسته که سیال دوم درون آن‌ها حرکت می‌کند.

• صفحات لوله (Tube Sheets) : صفحات فلزی در ابتدا و انتهای لوله‌ها که برای فیکس کردن آن‌ها در محل خود به کار می‌روند.

• جریان‌دهنده‌ها (Baffles) : تیغه‌هایی که برای هدایت سیال در سمت پوسته و افزایش زمان تماس حرارتی استفاده می‌شوند.

• درپوش‌ها و فلنج‌ها (Flanges) : برای آب‌بندی و دسترسی به درون مبدل از درپوش ها استفاده می‎شود.

نحوه عملکرد مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله

به طور کلی مبدل حرارتی به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که دو سیال با دماهای مختلف به‌ صورت غیرمستقیم با هم در تماس قرار گیرند. یکی از سیالات وارد لوله‌ها و دیگری وارد پوسته می‌شود. با عبور این دو سیال از مبدل حرارتی، انرژی گرمایی از سیال گرم‌تر به سیال سردتر، بدون آنکه با یکدیگر ترکیب شوند، منتقل می‌شود. جریان‌ بین سیالات می‌تواند به صورت همسو، ناهمسو یا متقاطع طراحی شود تا بازده انتقال حرارت مبدل بهینه گردد.

طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله

در طراحی مبدل های پوسته و لوله تنوع بسیاری وجود دارد. معمولاً، ابتدا و انتهای لوله ها از طریق سوراخ های تعبیه شده در فضایی که در ابتدا و یا انتهای مبدل وجود دارد، متصل می شوند .طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله با لوله های مستقیم به صورت یک، دو یا چهار پاس (Pass) انجام می‌گیرد که منظور از تعداد پاس، تعداد دفعاتی است که جریان سیال لوله ها از میان سیال جاری پوسته، طول مبدل را طی می‌کند. بنابراین در مبدلی که از نوع یک پاس است، جریان سیال از یک سمت لوله ها وارد و از سمت دیگر خارج می‌شود. هم‌چنین باتوجه به تعریف، آن دسته از مبدل هایی که دارای لوله های خم شده هستند را می توان نوعی مبدل دو پاس در نظر گرفت. تولیدکننده ها، با توجه به اینکه مقاومت جداره لوله ها در قسمت خمیده ضیف تر شده و امکان شکست آن افزایش می یابد و هزینه ساخت آن نیز بیشتر است، ترجیحاً از مبدل های حرارتی دو پاس با لوله های خم شده، استفاده نمی کنند و غالباً، این نوع مبدل ها در ظرفیت های پایین به کار گرفته می‌شوند.

تعریف مبدل حرارتی پوسته و لوله آب به آب

مبدل حرارتی پوسته و لوله آب به آب، دارای تعدادی لوله است که داخل یک لوله بزرگ تر به نام پوسته قرار می گیرد. دو سر لوله توسط صفحه ای گرد و حفره دار به هم می‌رسند که این صفحه در حقیقت عمل جمع آوری سیال داخل لوله ها را انجام می دهد. در این مبدل، هر دو سیال جاری آب هستند و انتقال حرارت بین آن‌ها صورت می‌گیرد. معمولاً یکی از آب‌ها، گرم (مثل آب برگشتی از بویلر یا چیلر) و دیگری سردتر (آب تازه یا آب مصرفی) است. در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، ممکن است لوله ها به فُرم مستقیم (Straight) یا خم شده (Bent) به شکل U استفاده شوند.

کاربردهای مبدل حرارتی پوسته لوله آب به آب

• سیستم‌های گرمایشی مرکزی
• مبدل‌های گرمایشی در تهویه مطبوع
• سامانه‌های بازیافت انرژی در صنایع
• گرمایش مخازن ذخیره آب گرم

مزایای مبدل های حرارتی پوسته لوله آب به آب

• بازده مناسب برای کاربردهای معمولی
• خطر خوردگی و رسوب‌گیری کمتر نسبت به بخار
• نصب، تعمیر و نگهداری آسان‌تر
• ایمنی بالاتر در برابر نشت
• تحمل دما و فشار بالا
• قابلیت رسوب زدایی در بازه های زمانی مختلف

معایب مبدل های حرارتی پوسته لوله آب به آب

• محدودیت در دمای عملیاتی

• عدم کارایی مناسب در کاربردهای صنعتی با دمای بالا

• ابعاد بزرگتر برای رسیدن به ظرفیت حرارتی مشابه با بخار

تعریف مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب

در این نوع مبدل، سیال گرم‌تر بخار است که معمولاً از بویلر یا منابع دیگر تولید می‌شود و آب به عنوان سیال سردتر جریان دارد. بخار حرارت خود را منتقل می‌کند و تبدیل به مایع می‌شود) چگالش (که همین فرآیند سبب افزایش بازده انتقال حرارت می‌گردد. مبدل پوسته و لوله بخار به آب ساخته شده از تعدادی لوله فلزی یا تیوب در داخل یک لوله بزرگتر به نام پوسته است که لوله از یک طرف پوسته یا دو سر آن توسط صفحه ای گرد و حفره دار جمع می‌شوند و در حقیقت این صفحه عمل جمع آوری سیال داخل لوله ها را انجام می‌دهد. همچنین اگر شکل تیوبU شکل باشد، هر دو سر تیوب ها در یک طرف پوسته قرار گرفته و از یک صفحه ی تیوب شیت استفاده می شود اما اگر به صورت مستقیم باشد، از یک طرف پوسته ورودی و از انتهای آن خروجی در نظر گرفته می‌شود و به شکل های گوناگون در صنعت تولید می‌شوند. وظیفه این مبدل، گرمایش آب به وسیله جریان بخار است. مبدل بخار به آب دارای راندمان بالا، نوعی مبدل حرارتی است که در صنایع شیمیایی کاربرد وسیعی دارد.

عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب

عملکرد این مبدل به این صورت است که سیال داخل لوله‌ ها جاری شده و بخار داغ بر روی لوله‌ ها و درون پوسته جریان پیدا می کند. هر چه تعداد لوله‌ ها بیشتر باشد، سطح تماس بالاتری ایجاد می شود. حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل می شود و سپس مایع گرم می‌شود و به جوش می آید.

کاربردهای استفاده از مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب

• تولید آب گرم بهداشتی و صنعتی

• گرمایش در نیروگاه‌ها و پالایشگاه‌ها

• صنایع غذایی و دارویی

• سامانه‌های بخار مورد استفاده برای گرمایش محیط

مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب

• انتقال حرارت سریع و مؤثر

• مناسب برای کاربردهای پرحرارت

• اشغال فضای کمتر نسبت به آب به آب برای توان یکسان

• بهره‌گیری از بخار مازاد

• مقاومت در برابر دما و فشار بالا

• قابلیت نصب آسان

• کیفیت بالا

معایب مبدل حرارتی پوسته و لوله بخار به آب

• نیاز به سیستم‌های کنترل و ایمنی پیچیده‌تر

• احتمال خوردگی بالاتر

• ریسک نشت و سوختگی در صورت نقص عملکرد

• نیاز به تمهیدات برای مدیریت میعانات بخار

مقایسه مبدل‌های آب به آب و بخار به آب

نتیجه‌گیری

انتخاب بین مبدل حرارتی پوسته ولوله از نوع آب به آب یا بخار به آب به عوامل متعددی بستگی دارد. اگر هدف، تأمین گرمای یک فضای ساده ساختمانی یا تهویه باشد، مبدل آب به آب گزینه مناسب‌تری نسبت به مبدل بخار به آب است. اما در محیط‌های صنعتی که دمای بالا و سرعت انتقال حرارت اهمیت دارد، مبدل بخار به آب با وجود پیچیدگی بیشتر، مناسب تر است. شناخت عملکرد و طراحی این تجهیزات، نقش مهمی در بهینه‌سازی و مصرف انرژی دارد.

پیشنهادات

• تحلیل دقیق شرایط کاری و انتخاب مناسب‌ترین مبدل با استفاده از نرم‌افزارهای مهندسی در طراحی سیستم‌های حرارتی
• استفاده از پوشش‌های ضد خوردگی و تصفیه شیمیایی آب جهت افزایش عمر مفید دستگاه‌ها
• انجام بازدیدهای دوره‌ای و شست‌وشوی مناسب که باعث جلوگیری از افت راندمان در اثر رسوب‌گیری خواهد شد.

نگارنده مقاله: مهندس سبا رادنیا