مبدل حرارتی پوسته ولوله – Shell and 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 کاربردهای 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.

استانداردهای مرتبط

• TEMA که توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل‌های لوله‌ای (آمریکا) تدوین شده‌است. برای طراحی و ساخت مبدل‌های پوسته لوله‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• API ۶۶۰ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده‌است و برای طراحای و ساخت مبدل‌های پوسته‌های لوله‌ای استفاده می‌گردند.
• API ۶۶۱ که توسط انجمن نفت آمریکا تدوین شده‌است و برای طراحی و ساخت مبدل‌های هوا خنک استفاده می‌گردند.
• ASME Sec VIII که برای طراحی مکان یکی مبدل‌های حرارتی فشار بالا استفاده می‌گردد.

کاربرد مبدل حرارتی پوسته ولوله

كاربرد مبدل های حرارتی بسيار وسيع بوده و با نرخ رو به رشدی در حال افزايش می باشند. اين كاربردها شامل نيروگاه ها، پالايشگاه ها، صنايع پتروشيمی، صنايع ساخت و توليد، صنايع فرآيندي، صنايع غذايی و دارويی، صنايع ذوب فلز، گرمايش، تهويه مطبوع، سيستم های تبريد و كاربردهای فضايی می باشند.
مبدل حرارتی در دستگاه های مختلف نظير ديگ بخار، مولد بخار، كندانسور، تبخير كننده ها، برج خنك كن، پيش گرم كن فن كويل، خنك كن و گرم كن روغن، رادياتور ها، كوره ها و … كاربرد فراوان دارند.

طراحي انواع مبدل های حرارتی با يكديگر متفاوت بوده و شناخت انواع گوناگون مبدل حرارتی امكان بهينه سازی عملكرد اين مبدل ها را فراهم می نمايند.

مبدل پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)

مبدل حرارتی پوسته و لوله تنها مبدلی است كه در دمای بيشتر از ۳۶۰ درجه سانتی گراد كاربرد دارند و  فشارهای بيش از ۳۰ بار را تحمل می كنند.

اين نوع مبدل حرارتی  بر اساس استانداردtema كه استاندارد آمريكا و شركت های سازنده مبدل است طراحی و ساخته می شوند.

TEMA= Tubabr Exchanger Manufacetur Associate

بخش های اصلی مبدل حرارتی پوسته و لوله

• پوسته (Shell)
• لوله (Tube)
• در پوش ها (Headers)  که خود شامل دو قسمت (Front Header یاStationary Header) و (Rear Header) می باشد.

 

 

Shell and tube geometric terminology
Floating Tubesheet Skirt	۲۱	Stationary (Front) Head—Channel	۱
Floating Tubesheet Skirt	۲۲	Stationary (Front) Head—Bonnet	۲
Packing Box Flange	۲۳	Stationary (Front) Head Flange	۳
Packing	۲۴	Channel Cover	۴
Packing Follower Ring	۲۵	Stationary Head Nozzle	۵
Lantern Ring	۲۶	Stationary Tubesheet	۶
Tie Rods and Spacers	۲۷	Tubes	۷
Transverse Baffles or Support Plates	۲۸	Shell	۸
Impingement Baffle or Plate	۲۹	Shell Cover	۹
Longitudinal Baffle	۳۰	Shell Flange—Stationary Head End	۱۰
Pass Partition	۳۱	Shell Flange—Rear Head End	۱۱
Vent Connection	۳۲	Shell Nozzle	۱۲
Drain Connection	۳۳	Shell Cover Flange	۱۳
Instrument Connection	۳۴	Expansion Joint	۱۴
Support Saddle	۳۵	Floating Tubesheet	۱۵
Lifting Lug	۳۶	Floating Head Cover	۱۶
Support Bracket	۳۷	Floating Head Flange	۱۷
		Floating Head Backing Device	۱۸
		Split Shear Ring	۱۹
		Slip-on Backing Flange	۲۰

پوسته يك مبدل حرارتی پوسته و لوله،  يك بخش استوانه ای است كه تعداد لوله درون آن قرار گرفته است. جنس لوله ها معمولا از روی، آلومينيوم، فولاد و يا يكی از آلياژهای مس، نيكل و يا فولاد ضد زنگ است.

درپوش های يك مبدل حرارتی در دو طرف پوسته قرار دارند، كه يكي موسوم به Stationary head و ديگری موسوم به Rear head است. به طور كلی طبق استاندارد مهم ترين پارامتر ساختمانی كه به علت تقسيم بندی مبدل های پوسته و لوله می گردد تفاوت در rear head اين مبدل ها است.در شکل بالا مثال هایی از انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله نشان داده شد. مثال a,b,c مربوط به مبدل های نوع BEM, CFU, and AES

در شکل زیر نحوه نام گذاری مبدل های پوسته و لوله بر اساس استاندارد TEMA نشان داده شده است.

تقسیم بندی مبدل پوسته و لوله بر اساس هدر

مبدل حرارتی پوسته و لوله بر اساس درپوش header به سه دسته اصلی تقسیم بندی می گردند.

• مبدل‌ با تیوب شیت ثابت  Fixed tubesheet exchangers
• مبدل‌ با لوله‌های U شکل  U-tube exchangers
• مبدل‌ شیت شناور  Floating header exchangers

قبل از معرفی انواع مبدل های بالا ذکر چند نکته ضروری است:

tube sheet:  صفحه نگهدارنده لوله ها است كه لوله های روی آن جوش و يا پرچ شده اند.

نازل های سمت لوله هميشه روی درپوش ها قرار می گيرند. يعني مكان اين ها يا روی Stationary head است و يا روی Rear head و سيال درون لوله ها از طريق اين نازل ها هدايت می شود.

مبدل حرارتی پوسته و لوله با تیوب شیت ثابت (L, M, and N Type Rear Headers)

در این نوع مبدل حرارتی تیوپ شیت به پوسته جوش داده می شوند. که منجر به ساخت ساده و اقتصادی مبدل می گردد. و همچنین این مبدل ها را یه روش های شیمیایی و مکانیکی می توان تمییز نمود. البته سطح بیرونی لوله ها غیر قابل دسترسی است و فقط به روش های شیمیایی می توان تمییز نمود.

اگر اختلاف دمای زیادی بین لوله و پوسته وجود داشته باشد باید از یک بافل استفاده کنیم تنش های حرارتی را به حداقل برسانیم.

خصوصیات مبدل پوسته و لوله شیت ثابت Fixed Tube Sheet

• لول ها در اين مبدل به صورت مستقيم هستند و دارای دو صفحه نگهدارنده لوله است اين دو صفحه ثابت اند و قابليت حركت ندارند. به همين دليل برای  حل مشكل انبساط احتمالی از يك اتصال آكاردئونی به نام لرزه گير (Expansion Joint) استفاده می شود. در صورتی كه فشار سيال زياد باشد يا سيال خيلی خورنده باشد ديگر نمی توان از اين اتصال استفاده كرد.
• تمییز كردن لوله ها به روش مكانيكی امكانپذير است. اگر چنانچه سيال رسوب زا باشد بهتر است سيال رسوب زا داخل لوله ها فرستاده شود زيرا امكان تمييز كردن لوله ها وجود دارد.
• در اين گونه مبدل ها عدم وجود اتصالات داخلی خط نشتی سيال حذف مي گردد. به همين دليل لوله ها به پوسته نزدیكتر شده در نتيجه تعداد لوله های بيشتری را می توان روی صفحه نگهدارنده لوله جای داد يعنی آخرين محدوده لوله گذاری (OTL= Outer Limit) اين مبدل از بقيه مبدل ها بزرگتر است به طوريكه OTL مبدل Fixed Tube sheet از همه مبدل ها بزرگتر است.

مبدل حرارتی با لوله‌های U شکل

مبدل های حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله U شکل دارای کم هزینه ترین ساختار است، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند، نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود.

در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرهای لوله به کار می رود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد. آرایش های مختلف جریان در سمت پوسته و لوله ، بسته به ظرفیت گرمایی، افت فشار ، سطح فشار، تشکیل رسوب، شیوه های ساخت و هزینه بری، کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری، استفاده می شوند.

خصوصیات مبدل پوسته لوله U- Type

• مهمترين خصوصيات این نوع مبدل ها خم U در داخل لوله ها است كه همين امر باعث شده است كه فقط داراي يك Tube sheet باشد. به خاطر اين خم U است كه تعداد گذرهای لوله هميشه زوج است براي مبدل Type- U گذرهای لوله فرد مفهومی ندارد. حداقل گذرهای لوله اين مبدل دو می باشد.
• به علت عدم وجود اتصالات داخلی خط نشتی سيال حذف می گردد.
• لوله ها را به دليل خم U نمی توان به روش مكانيكی تمييز كرد به همين دليل از روش شيميايی برای تمييز كردن لوله ها استفاده می شود يعنی اگر سيال رسوب زا باشد بهتر است سيال رسوب زا در داخل پوسته فرستاده شود.
• عيب ديگران اين مبدل ها اين است كه لوله های محيطی را نمی توان تعويض كرد. در صورتيكه لوله های داخلی سوراخ شوند بايد دو طرف لوله را كور (plug) نمود. معمولا براي حل اين مشكل دسته لوله U شكل را با رديف های كمتری در نظر می گيرند تا پس از خم كردن لوله ها به تمامی آنها دسترس داشته باشيم.
• به علت محدوديت در شعاع انحناء از فضای داخل پوسته به طور كامل نمی توان استفاده كرد بنابراين OTL اين مبدل نسبت به مبدل قبل كاهش می يابد.

OTL – (U-Yype) < OTL (fixed Tube sheet)

• از كاربردهای مهم مبدل U- Type می توان آنرا در يك جوش آور برج تقطير يا يك ريبوبلر به كار برد.

 

مبدل حرارتی کلاهک شناور (P, S, T and W Type Rear Headers)

در این نوع مبدل حرارتی تیوپ شیت  در  انتهای مبدل به پوسته جوش داده نمی شود می تواند به راحتی باز شود و حرکت کند به همین دلیل به این مبدل ها شیت شناور می گویند.

در قسمت جلو مبدل، شیت لوله ها که قطر بزرگ تری نسبت به پوسته دارد، مشابه مبدل های حرارتی شیت ثابت به پوسته جوش داده می شود.

قطر تیوپ شیت در انتهای مبدل اندکی از قطر پوسته کوچکتر می باشد که می توان  از طریق آن دسته لوله ها را برای تمییز کاری بیرون کشید.  همچنین متحرک بودن کلاهک مبدل باعث می شود تا در مقابل انبساط حرارتی مقاوم تر گردد.

از انواع مختلف کلاهک در این نوع مبدل استفاده می گردد، اما استفاده از نوع S از محبوبیت بالاتری برخوردار است. یک مبدل حرارتی شیت متحرک برای کاربرد های حساس تر با گستره دمایی بالاتر و فشار بیشتر را می توان استفاده کرد اما به طور معمول هزینه ساخت این نوع مبدل ها حدود ۲۵ درصد بالا تر است.

انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله

موارد زیر در شکل نشان داده شده اند.

• A-Type front header

• B-Type front header

• C-Type front header

• D-Type front header

• N-Type front header

• Y-Type front header

• E-Type shell

• F-Type shell

• G-Type shell

• H-Type shell

• J-Type shell

• K-Type shell

• X-Type shell

• L-Type rear header

• M-Type rear header

• N-Type rear header

• P-Type rear header

• S-Type rear header

• T-Type rear header

• U-tube

• W-Type rear header

طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله

براي افزايش تعداد گذرهای لوله (Tube Pass) از صفحات جدا كننده (Partition Plate) استفاده می كنند. اين صفحات باعث می گردند كه سيال مسير لوله ها را طي كند و دو بار از طول پوسته عبور كند كه در اين صورت تعداد گذرهاي لوله دو تا می باشد.

هرچه تعداد صفحات جدا كننده بيشتر باشد تعداد گذرها افزايش می يابد نحوه اتصال اين صفحات روی Tube Sheet و داخل درپوش ها به صورت جوش و شياری است.

تعداد گذرهای لوله از يك گذر شروع شده و تا ۱۶ گذر ادامه دارد و ضخامت استاندارد اين صفحات جدا كننده mm 9/15- 35/6 خواهد بود. برای افزايش تعداد گذرهای پوسته از بافل های طولی استفاده می كنند .

پارامترهای عملياتی تعيين كننده مبدل حراتی  پوسته و لوله

اگر دماي سيال گرم ورودی و خروجی را به تريب T_۱ و T_۲ نمايش دهيم و اگر دمای سيال سرد ورودی و خروجی را با t_۱و t_۲ نمايش دهيم خواهيم داشت:

که پارامتر عملياتی در تقسيم بندی مبدل حراتی  پوسته و لوله است يعنی:

 

 

 

 

تميز كردن مبدل حراتی پوسته لوله

به طور كلی دو روش برای تميز كردن مبدل ها وجود دارد

• تمییز کردن مبدل های حرارتی به روش روش مكانيكی
• تمییز کردن مبدل های حرارتی روش شیمیایی

در روش مكانيكی از فنر زدن و خارج كردن دسته لوله استفاده می شود. و در روش شیمیايی استفاده از حلال های مناسب و شستشو با اسيد استفاده می شود.

نرم افزارهای مورد استفاده در طراحی

محاسبات طراحی مبدلها کاری طولانی و گاهی خسته کننده است. مثلا طراحی یک مبدل برای یک عملیات بخصوص نیاز به حدسهای زیادی دارد که با استفاده از آنها و طبق استانداردها می توان اندازه های یک مبدل مناسب را پیدا کرد. اما با استفاده از برنامه های رایانه ای تمام این محاسبات توسط رایانه انجام می شود و کاربر برای طراحی تنها باید شرایط عملیاتی و خواص سیالات حاضر در عملیات را وارد کند.

HTFS  Aspen (شبيه سازی و طراحی مبدل‌های حرارتی)

این نرم‌افزار یکی از نرم افزارهای معتبر در زمینهﻱ طراحی و ارزیابی حرارتی و مکانیکی مبدل‌های پوسته لوله، طراحی کولرهای هوای خنک، و مبدل‌هاي حرارتی صفحه اي می‌باشد. نسخه های قدیمی این برنامه توسط شرکت Hyprotech منتشر می شد که با نرم افزار Hysys در رابطه بود. اما نسخه های جدید آن از خانوادهﻱ برنامه های Aspentech است و شامل برخی برنامه های نرم افزار B-JAC (برنامه ای برای طراحی مبدل های حرارتی) نیز می شود. نرم افزار Aspen HTFS یکی از این موارد است. این نرم افزار شامل برنامه هایی می شود که توانایی انجام چنین محاسباتی را برای مبدلها دارند.

شرکت Aspen Tech قبل از اضافه کرد نرم افزار HTFS به زیر مجموعه ی خود، دربسته های نرم افزاری Aspen Suite برنامه ای تحت عنوان B-JAC منتشر می کند که برای طراحی مبدلهای حرارتی بکار می رود.نسخه های قبلی برنامه HTFS نیز توسط شرکت Hyprotech منتشر می شد که می توانست با نرم افزار Hysys در ارتباط باشد. اما همکنون HTFS توسط شرکت Aspen Tech خریداری شده و جزء خانواده برنامه های Aspen می باشد. این تغییر مدیریت در انتشار نرم افزار روی خود برنامه نیز تاثیر گذاشته و باعث تغییرات اندکی در روشهای محاسباتی و تغییرات زیادی در محیط گرافیکی نرم افزارشده است.

نسخه ی نرم افزار HTFS+ مربوط به سال 2006 می شود که توسط شرکت Aspen منتشر شده است. این بسته نرم افزاری شامل برنامه های زیادی می شود که برای طراحی مهمترین انواع مبدلها مناسب است. برنامه Tasc+ برای طراحی مبدلهای پوسته و لوله بکار می رود. برنامه Acol+ برای مبدلهای گازی و کولرها است و برنامه Plate+ نیز برای مبدلهای صفحه ای کاربرد دارد. همچنین برنامه Teams برای طراحی و محاسبات کامل ساختار مکانیکی مبدلهای پوسته و لوله مناسب است. البته این نرم افزار شامل برنامه های دیگری نیز می شود که برنامه های نرم افزار B-JAC از آن جمله هستند. برنامه Hetranکاری مشابه برنامه Tasc+ انجام می دهد و برنامه Aerotan نیز عملکردی مشابه برنامه Acol+ دارد. برنامه های دیگر نیز در این نرم افزار وجود دارند که کاربرد کمتری پیدا می کنند. برنامه های جدید HTFS+  نسبت به برنامه های سابق B-JAC خصوصیات و برتری های ویژه ای دارند که در صورت کار با آنها خود به این موارد پی خواهید برد.

Tasc (طراحی حرارتی، بررسی عملكرد و شبيه سازی مبدل‌های پوسته و لوله)

نرم افزاری توانمند و جامع برای طراحی حرارتی، بررسی عملكرد و شبيه سازی انواع مبدل‌های پوسته و لوله از جمله كندانسور، جوش آورها، تبخيركننده‌های از نوع فیلم ریزان مي‌باشد. نسخه ی جدید این نرم افزار امكان اتصال به شبيه سازي انجام شده در محيط HYSYS و تبادل دوطرفه اطلاعات به صورت همزمان با آن را دارد. همچنین می توان فایل های ایجاد شده در آن را در برنامه Aspen Plus برای مبدلهای حرارتی فراخوانی کرد.

Teams( شبيه سازی و محاسبات مکانیکی مبدل های پوسته و لوله)

این برنامه سابقا تنها جزو برنامه های نرم افزار B-JAC بود اما اکنون به HTFS اضافه شده است. این برنامه شبیه سازی و محاسبات کامل مکانیکی مبدل های پوسته و لوله را انجام می دهد. نتایج آن نیز شامل نقشه های کامل مکانیکی برای ساخت مبدل و همین طور گزارش کاملی از مشخصات مکانیکی تمام قطعات مبدل می شود.  برنامه با توجه به بانک اطلاعاتی خود تخمینی را برای قیمت مبدل ایجاد می کند. شما می توانید قیمت هر کدام از اجزاء و همین طور قیمت کل مبدل را داشته باشد. این برنامه شامل استاندارهای معتبر خواص فلزات و همین طور معیارهای معمول ساختار مکانیکی مبدل می شود. همه اتصالات مرسوم در ساخت مبدل برای این برنامه شناخته شده است.

Plate (شبیه سازی و محاسبات مبدل های صفحه ای)

این برنامه برای طراحی مبدل های صفحه ای ابزاری مناسب و قدرتمند است. شما با استفاد از این برنامه می توانید مبدل صفحه ای مورد نظر خود را با توجه به شرایط عملیاتی موجود طراحی کنید. صفحه های مکانیکی تعریف شده مبدل ها در این برنامه طبق استاندارد معتبر ترین سازنده های این نوع مبدل ها تنظیم گردیده است. شما می توانید از صفحات مکانیکی تعریف شده در برنامه استفاده کنید و یا مشخصات صفحه مورد نظر خود را وارد برنامه کنید.

Hetran (طراحی حرارتی، بررسی عملكرد و شبيه سازی مبدل‌های پوسته و لوله)

این برنامه از نسخه های نرم افزار B-JAC وارد HTFS شده است و در کل عملکردی مانند برنامه Tasc+ دارد. تفاوت اساسی بین Hetran و Tasc+ در روشهای محاسباتی وجود ندارد و تنها در شیوه ورود اطلاعات و برخی موارد جزئی محاسباتی اختلاف دارند.

Aerotran (شبيه سازی مبدل‌های کولر هوا خنک )

این برنامه در نسخه های نرم افزار B-JAC وجود داشته و اکنون وارد HTFS شده است . در کل عملکردی مانند برنامهAcol+  دارد. تفاوت اساسی بین Aerotran و Acol+ و شیوه محاسبات وجود ندارد و تنها در شیوه ورود اطلاعات و برخی موارد جزئی محاسباتی اختلاف دارند.

تصویر	توضیحات
	نوع یو(U) شکل
	مثال
	مثال