آموزشیمبدل حرارتی

مبدل حرارتی پوسته لوله

By 8 دی 1399 No Comments

مبدل های حرارتی پوسته و لوله یکی از محبوبترین انواع مبدل ها، به دلیل انعطاف پذیری طراح برای ایجاد فشارهای مختلف و درجه حرارت است.

مبدل پوسته و لوله متشکل از تعدادی لوله است که درون پوسته استوانه ای سوار شده اند. شکل 1 ، یک واحد معمولی را نشان می دهد که ممکن است در یک کارخانه پیدا شود.
دو سیال می توانند گرما را تبادل کنند، یک مایع از خارج لوله ها جریان دارد در حالی که مایع دوم از طریق لوله ها جریان می یابد.

شکل 1. قسمت های اصلی مبدل پوسته و لوله

مبدل پوسته و لوله از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است:

Front Header:  جایی که مایع وارد تیوب مبدل می شود. از آن بعضاً به عنوان Header ثابت یاد می شود.

Rear Header: جایی که مایع تیوب از مبدل خارج شده یا جایی که در مبدل ها با عبور چندین تیوب، به هدر جلو بازمی گردد.

Tube Bundle: شامل Tube ،Tube Sheet ،baffles ،tie rods و …  است تا باندل را در کنار هم نگه دارد.

Shell: شامل پوسته مبدل و فلنج های متصل به آن می باشد.

نامگذاری استاندارد TEMA

محبوبیت مبدل های پوسته و لوله منجر به ایجاد نامی استاندارد برای تعیین و استفاده از آنها توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل های پوسته و لوله (TEMA) شده است. این نامگذاری بر اساس حروف و نمودارها تعریف شده است. حرف اول نوع هدر جلو ، حرف دوم نوع پوسته و حرف سوم نوع هدر عقب را توصیف می کند. شکل 2 چگونگی نامگذاری را مشخص می نماید که در ادامه به توضیح کامل پرداخته می شود.

شکل2. نامگذاری مبدل های پوسته لوله بر اساس استاندارد TEMA

در مبدل های پوسته لوله اساسا سه نوع ساختار وجود دارد:

  1. هدر با تیوب شیت ثابت
  2. مبدل های U-Type
  3. هدر های فلوتینگ (Floating Header)

مبدل با تیوب شیت های ثابت ( هدر عقب نوع L ، M و N)

در این ساختار، صفحه ای ثابت (تیوب شیت) به پوسته جوش داده شده و در نتیجه منجر به ساختاری ساده و اقتصادی می شود. در این حالت می توان تیوب ها را به صورت مکانیکی یا شیمیایی تمیز کرد. با این وجود، سطح خارجی تیوب ها غیر از تمیز کردن شیمیایی قابل دسترسی نیستند.

اگر اختلاف دمای زیادی بین سیال پوسته و تیوب وجود داشته باشد، برای از بین بردن تنش های بیش از حد ناشی از انبساط، ممکن است لازم باشد که در پوسته از یک  Expansion Joint استفاده گردد.

در شرایطی که عواقب خرابی مبدل جدی باشد، از نوع U-Tube یا Floating Header  بجای تیوب شیت های ثابت استفاده می شود. لازم به ذکر است هزینه ساخت مبدل های U-Type و هدرهای Floating در مقایسه باتیوب شیت های ثابت گرانتر می باشد.

مبدل های U-TYPE

در مبدل U-Tube ممکن است از هرکدام از انواع هدرهای جلو استفاده شود اما هدر پشت به طور معمول از نوع M است. لوله های U اجازه انبساط حرارتی نامحدود را می دهند و باندل می تواند برای تمیز کردن برداشته شود. با این حال، از آنجا که تمیز کردن داخلی لوله ها با استفاده از روش مکانیکی دشوار است، استفاده از این نوع در جایی که سیال داخل لوله تمیز باشد پیشنهاد می گردد.

هدرهای فلوتینگ (هدر عقب نوع P, S, T و W)

در این نوع مبدل ها تیوب شیت به پوسته جوش داده نشده و اجازه حرکت یا شناور شدن دارد. تیوب شیت در هدر جلو دارای قطری بزرگتر از پوسته است و به روشی مشابه آنچه در طراحی تیوب شیت ثابت استفاده می شود، آب بندی می شود. تیوب شیت در هدر عقب دارای قطر کمی کوچکتر از پوسته است و اجازه می دهد باندل  از طریق پوسته کشیده شود. استفاده از هدر فلوتینگ بدین معناست که می توان انبساط حرارتی را مجاز دانست و باندل را برای تمیز کردن جدا کرد. چندین نوع هدر عقب وجود دارد که می تواند مورد استفاده قرار گیرد اما S-Type Rear Head محبوب ترین است. مبدل با هدر فلوتینگ برای فرآیندهای با درجه حرارت و فشار بالا مناسب بوده  اما به طور معمول 25٪ برای ساخت مبدل های با جنس کربن استیل گرانتر از مبدل های با تیوب شیت ساده می باشد.

 انواع هدر و پوسته :

هدر جلو از نوع A-Type

تعمیر و تعویض این نوع هدرها آسان است. همچنین دسترسی به لوله ها برای تمیز کردن یا تعمیر، بدون جداسازی مبدل از پایپینگ امکان پذیر است. اگرچه به دلیل وجود دو ناحیه جهت آببندی (یکی بین تیوب شیت و هدر و دیگری بین هدر و صفحه انتهایی). خطر نشت و هزینه ساخت نسبت به هدر B-Type را افزایش می دهد.

هدر جلو از نوع B-Type

این نوع ارزانترین ساختار هدر جلو است. همچنین به دلیل وجود یک ناحیه آبببندی،  در فرآیندهای فشار بالا مناسبتر از هدر A-Type می باشد. یک نقطه ضعف این نوع از هدر این است که برای دسترسی به لوله ها میبایست هدر به صورت کامل برداشته شود.

هدر جلو از نوع C-Type

این نوع هدر برای کاربردهای فشار بالا (> 100 بار) است. دسترسی به لوله را بدون ایجاد اختلال در کار لوله امکان پذیر می کند اما تعمیر و تعویض آن دشوار است زیرا باندل بخشی جدایی ناپذیر از هدر است.

هدر جلو از نوع D-Type

این نوع، گرانترین نوع هدر جلو است. برای فشارهای بسیار زیاد (> 150 بار) استفاده می گردد. دسترسی به لوله ها را بدون ایجاد اختلال در کار لوله امکان پذیر می کند اما تعمیر و تعویض آن دشوار است زیرا باندل بخشی جدایی ناپذیر از هدر است.

هدر جلو از نوع N-Type

مزیت این نوع هدر این است که بدون ایجاد مزاحمت در کار لوله ، می توان به لوله ها دسترسی پیدا کرد و ارزان تر از هدر A-Type است. با این حال ، نگهداری و تعویض آنها دشوار است زیرا هدر و تیوب شیت بخشی جدایی ناپذیر از پوسته هستند.

پوسته از نوع E-Type

این نوع پوسته نسبت به سایر انواع دیگربیشتر مورد استفاده قرار گرفته و برای بیشتر فرآیندها مناسب می باشد. انواع دیگر پوسته برای کارهای خاص یا فرآیندهای خاص استفاده می شوند.

پوسته از نوع F-Type

این نوع از پوسته زمانی استفاده می گردد که به جریان همسو و یا خلاف جهت، نسبت به سیال عبوری از تیوب ها نیاز باشد. در این حالت پوسته توسط baffle به صورت افقی به دو پاس تقسیم می گردد. مشکل اصلی در این پوسته نشتی حرارتی و هیدرولیکی در طول baffle افقی می باشد که در صورت استفاده از این نوع میباست اقدامات لازم اندیشیده شود.

پوسته از نوع G-Type

این مورد برای ریبویلرهای ترموسیفونی افقی و کاربردهایی که افت فشار کم در پوسته نیاز  است ، استفاده می شود. این امر با تقسیم جریان پوسته به دست می آید.

پوسته از نوع H-Type

کاربرد این نوع از پوسته همانند G-Type اما برای واحدهای بزرگتر می باشد.

پوسته از نوع J-Type

هنگامی از این نوع استفاده میگردد که حداکثر افت فشار مجاز در یک پوسته E-Type بیش از حد مجاز شود. همچنین در صورت ایجاد مشکل در لرزش لوله از این نوع  استفاده می شود. جریان تقسیم شده در پوسته، سرعت جریان را روی لوله ها کاهش می دهد و از این رو افت فشار و احتمال لرزش لوله را کاهش می دهد. هنگامی که دو نازل ورودی و یک نازل خروجی وجود داشته باشد ، از آن بعضاً به عنوان I-Type Shell یاد می شود.

پوسته از نوع K-Type

این نوع از پوسته تنها در ریبویلرها جهت فراهم نمودن فضای مورد نیاز پوسته برای جدا شدن گاز از مایع استفاده می گردد.  همچنین می توان از این نوع پوسته به عنوان چیلر استفاده کرد. در این حالت فرآیند اصلی خنک کردن مایع سمت لوله، با تبخیر مایع درون پوسته است.

پوسته از نوع X-Type

از این نوع زمانی استفاده می شود که افت فشار مجاز سیال پوسته ، در سایر انواع پوسته بیش از حد مجاز باشد.

هدر عقب از نوع L-Type

این نوع هدر در مبدل های با تیوب شیت ثابت استفاده می گردد، زیرا تیوب شیت به پوسته جوش داده شده است و دسترسی به قسمت خارجی لوله امکان پذیر نیست. مزایای اصلی این نوع هدرها این است که می توان بدون نیاز به جدا کردن هدر از پایپینگ، به داخل لوله ها دسترسی پیدا کرد. نقطه ضعف اصلی این است که برای ایجاد انبساط های بزرگ حرارتی نیاز به یک اکسپنشن جوینت بوده و این دما و فشار مجاز، کار را محدود می کند.

هدر عقب از نوع M-Type

این نوع هدر مشابه هدر L-Type   اما کمی ارزان تر است. در حالت جهت دسترسی به لوله ها، هدر باید برداشته شود. برای مقابله با انبساطهای بزرگ حرارتی ، اقدامات ویژه ای باید انجام شود و این دما و فشار مجاز، کار را محدود می کند.

هدر عقب از نوع N-Type

مزیت این نوع هدر آن است که بدون جدا کردن هدر مبدل از پایپینگ میتوان به تیوب ها دسترسی پیدا کرد. اگرچه به دلیل یکپارچگی هدر، تیوب شیت و پوسته،  تعمیرات و جایگزینی لوله ها در این نوع بسیار مشکل مشکل می باشد.

هدر عقب از نوع N-Type

این نوع از هدر در تئوری به لحاظ ساخت کم هزینه بوده و دسترسی به داخل تیوب و همچنین سطح بیرونی باندل را جهت تمیزکاری امکانپذیر می نماید. مشکلات اساسی این نوع از هدر به شرح ذیل می باشد:

  • جهت بیرون کشیدن باندل به میزان لقی زیادی بین باندل و شل نیاز است.
  • به دلیل فوق و احتمال نشتی سیال پوسته از پکینگ، در فشار های کم و همچنین برای سیال های بی خطر میبایست استفاده گردد.
  • استفاده از این نوع تنها برای انبساط حرارتی های کوچک مجاز است.

در عمل به دلیل لزوم ساخت پوسته با تلرانس های بسیار پایین برای پکینگ، هزینه ساخت این نوع بالا می باشد.

هدر عقب از نوع S-Type

این نوع از هدر به لحاظ ساخت گرانترین نوع می باشد. به لحاظ مکانیکی در آوردن کامل باندل امکانپذیر بوده و در انبساط حرارتی های بالا، بدون محدودیت کاربرد دارد. در میان سایر انواع هدرهای فلوتینگ بیشترین کمترین لقی بین باندل و شل را دارا می باشد.

هدر عقب از نوع T-Type

به دلیل لقی بیشتر بین باندل و پوسته در مقایسه با هدر S-Type، در اوردن باندل در این نوع ساده تر بوده و می تواند بدون محدودیت در شرایط انبساطی بالا استفاده گردد. در مقایسه با هدر نوع S-Type، این نوع از هدر ارزانتر و در مقایسه با هدرهای ثابت و U-Type گرانتر می باشد.

نوع U-Type

ارزانترین نوع باندل با قابلیت بیرون آوردن از پوسته می باشد. از مزیت های این نوع امکان استفاده در فرآیندهای با انبساط حرارتی بالا بوده و به دلیل امکان جابجایی باندل می توان عملیات تمیزکاری را به راحتی در سطح بیرونی باندل انجام داد. از محدودیت های موجود در استفاده از این نوع، عدم امکان استفاده از جریان مخالف سیال در طول لوله و همچنین محدودیت در پاس بندی تیوب می باشد.

هدر عقب از نوع W-Type

ارزانترین نوع هدر فلوتینگ بوده و علاوه بر امکان استفاده در فرآیندهای با انبساط حرارتی بالا، امکان درآوردن باندل جهت تمیزکاری را نیز میسر می سازد. از معایب این نوع از هدر مقدار لقی بالای بین پوسته و باندل بوده که به دلیل امکان نشتی، منجر به استفاده از این نوع در فشارهای پایین می شود.

نظر شما در این رابطه چیه؟