مبدل حرارتی لوله ای Tube Heat Exchanger
این مبدل‌ها از لوله‌هایی با مقطع دایره‌ای ساخته شده اند. یک سیال در داخل لوله‌ها و سیال دیگر در خارج لوله جریان دارد. قطر، تعداد، طول گام و آرایش لوله‌ها قابل تغییر میباشد. بنابراین الگوهای متفاوتی در طراحی آنها وجود دارد. مبدل‌های حرارتی لولهای به سه دسته زیر تقسیم بندی میشوند:
. مبدل حرارتی لوله ای Tube Heat Exchanger پوسته و لولهای (Shell and Tube)
· مبدل حرارتی لوله ای Tube Heat Exchanger دو لولهای (Double Pipe)
· مبدل حرارتی لوله ای Tube Heat Exchanger مارپیچ یا حلزونی (Spiral Tube)
مبدل حرارتی پوسته و لولهای (Shell and Tube Heat Exchanger)
از انواع مبدل حرارتی لوله ای Tube Heat Exchanger، مبدل‌های حرارتی پوسته و لولهای بوده از لوله‌هایی با مقطع دایره‌ای که در پوسته‌ای استوانه‌ای شکل قرار گرفته اند ساخته میشوند.
در این مبدل‌ها محور لوله‌ها موازی با محور پوسته میباشد که در آنها یک سیال از داخل لوله‌ها و سیال دیگر در داخل پوسته، بصورت موازی با هم و در یک طول و یا به صورت متقاطع با لوله‌ها جریان می‌یابد. هادی حرارت دیواره لوله میباشد بنابراین جنس لوله‌ها می‌بایست به نحوی انتخاب شوند که علاوه بر استقامت، از انتقال حرارت خوبی نیز برخوردار باشند.
این مبدل‌ها رایج ترین نوع مبدل حرارتی هستند و بطور وسیعی در فرآیندهای انتقال حرارت برای کاربردهای مایع / مایع، و یا به عنوان خنک کننده روغن، چگالنده و پیش گرم کننده در نیروگاه‌ها، مبدل‌های بخار در نیروگاه‌های هسته ای، در کندانسورها و مولدهای بخار، در کاربردهای صنایع فرآیندی و شیمیایی و .... استفاده میشوند. در طراحی این مبدل‌ها در نظر گرفتن هزینه کم و تمیز نمودن آسان مجموعه و انبساط حرارتی پوسته و لوله ها، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. و به سبب آرایش‌های مختلف جریان در سمت پوسته و لوله، با توجه به ظرفیت گرمایی، افت فشار، سطح فشار، تشکیل رسوب، کنترل خوردگی، استفاده میشوند.
این نوع مبدل‌ها در ظرفیت‌ها و ابعاد و اشکال مختلف ساخته میشوند و بسته به نوع و محل مصرف از مواد مختلفی از جمله فولاد کربن دار، فولادهای آلیاژی، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، مونل و غیره در ساخت آنها استفاده میشود. کلیه عملیات ساخت بر اساس رعایت استانداردهای ISO،ASTM، DIN، ASME و TEMA میباشد.
اجزای اصلی مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger
اجزای مهم تشکیل دهنده این مبدل‌ها عبارتند از:
· پوسته (Shell )
· لوله (Tube)
· صفحه لوله (Tube Sheet)
· بافل (Baffle)
· سر جلو (Front Head)
· سر عقب (Rear Head)
· نازل (Nozzle)
از پوسته (Shell)، برای عبور یک سیال (معمولا آب) استفاده میشود همچنین پوسته محلی است که لوله‌ها در آن قرار می‌گیرند. انواع متفاوت پوسته‌ها و انواع متفاوت سرهای جلویی و عقبی توسط انجمن سازندگان مبدل‌های لولهای (TEMA) استاندارد شده اند و با حروف الفبا معرفی می‌گردند.
• مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger پوسته نوع E: این پوسته رایج ترین نوع برای استفاده با سیال یک فاز میباشد و به دلیل ارزانی و سادگی، پرکاربرد ترین نوع پوسته است. سیال در این پوسته با حرکت در یک مسیر، از یک انتها وارد و از انتهای دیگر خارج میشود. در سمت پوسته یک گذر وجود دارد. لوله‌ها می‌توانند یک یا چند گذر داشته باشند و توسط دیوارکهای عرضی عمود بر لوله ها، نگه داشته میشوند.
• مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger پوسته نوع F: برای افزایش اختلاف دماهای موثر و در نتیجه افزایش کارایی میدل، میتوان آرایش جریان سیال را در جهت مخالف هم فراهم نمود، این آرایش با استفاده از پوسته نوع F بدست می‌آید که نهایتا در مسیر حرکتی در پوسته حاصل می‌گردد. سیال در این پوسته از یک انتها وارد و از همان انتها در سمت مخالف خارج میشود.
• مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger پوسته نوع G: این پوسته در مرکز دارای دیواری افقی میباشد که دو انتهای آن برداشته شده، بدین وسیله جریان در پوسته به دو نیم تقسیم میشود. نازل‌های ورودی و خروجی با زاویه ۱۸۰ درجه در وسط لوله‌ها قرار دارند. پوسته نوع G دارای افت فشاری برابر با پوسته نوع E میباشد و میتواند برای جریان‌های یک فاز استفاده گردد.
•مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger پوسته نوع H: این پوسته دارای دو دیوارک افقی تقسیم کننده جریان، دو نازل ورودی و دو نازل خروجی میباشد. در این پوسته سیال ورودی به چهار قسمت تقسیم میشود.
•مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger پوسته نوع J: در این پوسته نیز جریان تقسیم میشود. سیال ورودی در وسط قرار گرفته و به دو قسمت تقسیم میشود، یک نازل در وسط و دو نازل در نزدیکی دو انتها قرار دارند. این پوسته دارای کاربردهایی با افت فشار کم طراحی، مانند چگالنده در خلاء نسبی است. هنگامی که این پوسته برای سیال در حال چگالش در سمت پوسته استفاده میشود، دو ورودی بخار و یک خروجی مرکزی برای چگالیده وجود خواهد داشت.
• مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchangerپوسته نوع K: این پوسته که به Kettle Type Reboiler معروف است دارای یک دسته لوله در کف پوسته و فضای بدون لوله در بالای خود میباشد. از این نوع پوسته وقتی استفاده میشود که نیاز است بخشی از جریان ورودی به مبدل، تبخیر شود و بخار به برج تقطیر بازگردد. مایع تغذیه از نازل نزدیک صفحه لوله، وارد پوسته میشود و بخار تقریبا خشک از نازل بالایی خارج می‌گردد. در سمت راست پوسته یک صفحه با نام Weir Plate قرار دارد و به عنوان یک سرریز بکار می‌رود، مایع تبخیر نشده، از این سرریز انتهایی ریزش کرده و از طریق نازل سمت راست خارج میشود.
•مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger پوسته نوع X: در این پوسته هر دو نازل ورودی و خروجی در مرکز قرار گرفته است. معمولا دارای توزیع کننده گنبدی شکل میباشد. سیال ورودی در پوسته روی تمامی طول لوله‌ها پخش میشود و با آنها آرایش جریان متقاطع می‌سازد. هیچگونه دیوار کی در این پوسته استفاده نشده است در نتیجه افت فشار بسیار ناچیز میباشد. این پوسته برای چگالنده‌های خلاء و فشارهای کم استفاده میشود.
از لوله‌ها (Tubes) برای عبور یک سیال دیگر استفاده میشود. سطح انتقال حرارت به تعداد و طول و قطر خارجی لوله‌ها بستگی دارد. زمانیکه هر یک از اینها افزایش یابد، سطح موثر در انتقال حرارت نیز بالا می‌رود. هر چه سطح به هادی بیشتر باشد حرارت سریعتر هدایت میشود بدین معنی که در مبدل‌ها بجای استفاده از یک لوله با قطر بزرگ، از یک دسته لوله با قطر کم استفاده میشود که این عمل سطح را به منظور انتقال حرارت افزایش می‌دهد. لوله‌های یک مبدل میتواند صاف و یا تیغه دار باشند و این تیغه‌ها ممکن است بر روی سطح خارجی و یا درون سطح داخلی لوله قرار گرفته باشند. تیغه‌ها باعث افزایش سطح تماس و در نتیجه آن افزایش انتقال حرارت میشوند. معمولی ترین قطر‌های خارجی لوله‌ها در سایزهای ½ و ¾ و 1 اینچ میباشد.
جهت نگه داشتن تیوپ‌ها در یک طول، از دو صفحه فلزی که در ابتدا و انتهای مبدل قرار می‌گیرد و بر روی آنها به تعداد تیوپ‌های داخل مبدل سوراخ ایجاد شده است استفاده میشود. کلیه تیوبها به دو صفحه لوله به روش جوشی و یا پرسی متصل میشوند که به این صفحه لوله‌ها Tube Sheet می‌گویند. اتصال بصورت پرسی آب بندی بهتری دارد و برای فشارهای نسبتا بالا تا ۲۰۰ پوند مورد استفاده قرار می‌گیرد.
لوله‌ها و صفحه لوله‌ها مجموعا یک واحد ثابت را تشکیل می‌دهند، به ترکیب لوله‌ها و صفحه لوله ها، دسته لوله (Tube Bundle) می‌گویند.
می دانیم که حرارت موجب انبساط فلز میشود بنابراین لوله‌ها و صفحه لوله‌ها بدلیل حرارت منبسط میشوند، و نتیجه آن ایجاد نشتی از محل اتصال لوله‌ها و صفحه لوله‌ها میباشد. این اتفاق باعث میشود که یک سیال توسط سیال دیگر آلوده شود. برای پیشگیری در جاهایی که مطلقا نباید نشتی وجود داشته باشد، از دو صفحه لوله برای هر سمت مبدل استفاده میشود. این طرح بین دو صفحه لوله فضایی را فراهم می‌کند و سیال نشت شده وارد این فضا میشود و چون فضای بین صفحه لوله‌ها به خارج از مبدل راه دارد سیال میتواند از مبدل خارج شود.
در مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger از صفحاتی تحت عنوان صفحات انحراف دهنده یا بافل (Baffle) استفاده میشود. این صفحات با شکستن جریان یکنواخت سیال باعث افزایش میزان انتقال حرارت میشوند، همچنین علاوه بر آن، بافل‌ها وزن لوله‌ها را تحمل می‌کنند و برای لوله‌های با طول زیاد که احتمال خم شدن آنها وجود دارد از این اتفاق جلوگیری می‌کنند. تحمل وزن لوله‌ها بوسیله بافل‌ها سبب کاهش نیروی کششی وارده به لوله‌ها و صفحه لوله‌ها میشود.
بافل‌ها قطعه‌ای دایره شکل هستند که قسمتی از آن بصورت افقی و یا عمودی و یا از مرکز دایره بریده شده است. اشکال مختلفی از بافل‌ها در مبدل‌های حرارتی پوسته و لولهای مورد استفاده قرار می‌گیرد که به سه دسته کلی زیر تقسیم بندی میشوند:
• صفحات انحراف دهنده قطعه‌ای (Cut Segmental Baffles)
• صفحات انحراف دهنده حلقه و صفحه (Disc and Doughnut Baffles)
• صفحات انحراف دهنده روزنه‌ای (Orifice Baffles)
انواع بافل‌های فوق الذکر هر کدام جهت کاربرد خاص با توجه به شرایط عملیاتی و نوع سیال انتخاب میشوند. به عنوان مثال صفحات انحراف دهنده حلقه و صفحه برای سیالات رسوب زا بدلیل اینکه رسوب در پشت حلقه جمع میشود و از جاری شدن سیال در امتداد مبدل جلوگیری می‌کند مناسب نیستند.
برای تقسیم جریان سیال در درون پوسته از، صفحات انحراف دهنده طولی (Longitudinal Plates) استفاده میشود. بواسطه این صفحات میتوان جریان را به دو یا چند مسیر تقسیم نمود. انتخاب تعداد مسیر جریان در پوسته، به میزان انتقال حرارت و همچنین افت فشار بستگی دارد. واضح است که هنگامیکه تعداد مسیر‌ها افزایش یابد زمان موثر تماس سیال داخل پوسته با لوله‌ها افزایش می‌یابد.
در صورتی که سرعت سیال ورودی به پوسته زیاد باشد، سیال میتواند بطور جدی باعث فرسایش لوله‌ها شود. اگر سیال ورودی دارای ذرات جامد معلق نیز باشد اشکال شدیدتر میشود. بدین منظور و جهت جلوگیری از آسیب رسیدن به لوله ها، در محوطه ورودی جریان به فضای پوسته (داخل پوسته و جلوی نازل ورودی)، از صفحه انحراف دهنده جریان ورودی (Impingement Plate) استفاده میشود. بنابراین اگر فرسایش داشته باشیم بر روی این صفحه است که بعد از مدتی کار کرد میتوان آن را تعویض نمود.
این صفحه به پخش کردن جریان سیال کمک کرده و آن را به طرف کناره‌های مبدل هدایت می‌کند. علاوه بر جلوگیری از فرسایش لوله‌ها با پخش کردن سیال باعث افزایش سطح تماس بین لوله‌ها و سیال شده و میزان انتقال حرارت را نیز افزایش می‌دهد.
از دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل (Front and Rear Head) برای ورود و خروج سیال به لوله‌ها استفاده میشود و بسته به نیاز و کاربرد دارای انواع مختلفی می‌باشند. این قطعات به گونه‌ای طراحی و ساخته میشوند که سیال توسط Channel به سمت ورودی و خروجی لوله‌ها هدایت شود. چنل قطعه‌ای است که به صفحه لوله (Tube Sheet) اتصال پیدا می‌کند و ورود و خروج سیال به درون لوله‌ها بوسیله آن انجام می‌گیرد
گاهی اوقات درون چیل از صفحه تقسیم کننده (Partition Plate) استفاده میشود که بوسیله آن میتوان جریان سیال گذرنده از درون لوله‌ها را به دو و یا چند مسیر تقسیم نمود. این صفحه در برخی مراجع و کتابها تحت عنوان Pass Divider نیز نامیده شده است.
از نازل‌ها برای ورود و خروج سیال به مبدل حرارتی (قسمت پوسته و لوله‌ها) استفاده میشود که شامل نازل‌های ورودی (Inlet Nozzel) و نازل‌های خروجی (Outlet Nozzel) میشوند.
انواع مبدل حرارتی پوسته و لولهای Shell and Tube Heat Exchanger
الف. مبدل حرارتی سر ثابت (Fixed Tube Sheet Heat Exchanger)
در مبدل‌های نوع سر ثابت، صفحه لوله‌ها به پوسته جوش یا به وسیله پیچ و مهره محکم شده است، و دسته لوله‌ها بطور ثابت نصب شده اند. در این مبدل ها، با تغییرات درجه حرارت و بوجود آمدن انبساط و انقباض، بر روی دسته لوله‌ها کشش وارد میشود. انبساط یا انقباض به تنهایی ممکن است موجب شکستن و یا خمیدگی لوله‌ها شود، لذا اختلاف درجه حرارت دو سیال که با هم تبادل حرارت می‌کنند نباید زیاد باشد، مبدل‌های سر ثابت مواقعی بکار می‌روند که تغییرات درجه حرارت محدود باشد.
برای غلبه بر این مشکل معمولا از اتصالات انبساطی (Expansion Joint) روی پوسته مبدل استفاده میشود. وقتی که لوله‌ها داغ شوند اتصال انبساطی به پوسته اجازه انبساط می‌دهد و وقتی که لوله‌ها و پوسته سرد شوند اتصال انبساطی و لوله‌ها منقبض میشوند و کشش وارده بر نقاط جوش خورده و لوله‌ها و پوسته کاهش می‌یابد. به دلیل مشکلاتی که در بازرسی و تمیز کردن مبدل‌های سر ثابت وجود دارد عموما در جایی استفاده میشوند که احتمال کثیف شدن پوسته محدود باشد. فضای پوسته مبدل سر ثابت می‌بایست توسط مواد شیمیایی تمیز گردد زیرا دسته لوله‌ها را از قسمت پوسته نمی‌توان خارج کرد.
ب.مبدل حرارتی سر شناور (Floating Head Type Heat Exchanger)
در این نوع مبدل، صفحه لوله‌ی سمت راست بین کانال و پوسته پیچ و مهره شده و در وضعیت ثابتی قرار دارد، اما صفحه لوله ی سمت چپ با سرپوش مربوط به آن در داخل پوسته به صورت شناور در آمده و میتواند بصورت افقی حرکت کند. امکان انبساط یا انقباض برای هر یک از دو جزء حامل سیال یعنی لوله و پوسته وجود دارد. از این رو اختلاف درجه حرارت دو سیالی که با هم تبادل حرارت می‌کنند هر چند که زیاد باشد اشکالی ایجاد نخواهد کرد، بعد از باز کردن صفحه ثابت، دسته لوله و سر شناور را میتوان مانند واحد یکپارچه بیرون کشید. بدین طریق امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله‌ها میسر می‌گردد.
ایراد این مبدل‌ها فاصله نسبتا زیاد بین پوسته و لوله میباشد. این فاصله برای تطبیق دادن صفحه شناور لوله‌ها با پوسته میباشد. چون در این فضا نمی‌توان لولهای به کار برد، این فضا بلااستفاده می‌ماند و بازده این مبدل‌ها کاهش می‌یابد.
ج. مبدل حرارتی با لوله‌های U شکل (U - Tube Heat Exchanger)
نوعی از طراحی که امکان انبساط گرمایی مستقل لوله‌ها و پوسته را فراهم می‌کند، لوله U شکل است. بنابراین در طراحی U Tube Boundle، انبساط گرمایی میتواند وجود داشته باشد و محدود نیست. این نوع مبدل حرارتی شامل فقط یک کانال و یک صفحه لوله میباشد. از این رو ورودی و خروجی لوله‌ها از طریق یک کانال که به دو قسمت تقسیم شده است، صورت می‌گیرد.
همانطور که از نام این مبدل حرارتی پیدا است لوله‌ها به شکل حرف لاتین ساخته میشوند. با باز کردن پیچ و مهرهها، کانال از پوسته جدا میشود و صفحه لوله‌ها و دسته لوله‌ها را میتوان از پوسته خارج نمود به طوری که امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله‌ها میباشد. وجود خم در لوله‌ها مانعی برای تمیز کردن و بازدید قسمت داخلی لوله‌ها میباشد. همچنین تنها لوله‌های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله قابل تعویض می‌باشند. دسته لوله‌ها می‌توانند با حداقل نیاز باز کردن قطعات خارج شوند که در واحدهای تشکیل رسوب سنگین حائز اهمیت میباشد.
این مبدل‌ها برای سیالاتی به کار می‌روند که اختلاف درجه حرارت زیادی داشته باشند، زیرا انتهای U شکل لوله‌ها، امکان انبساط و انقباض را تا حد زیادی به وجود می‌آورند. همچنین نمی‌توان جریان‌های حاوی مواد جامد و کثیف را به خاطر ایجاد ساییدگی در خم موجود در لوله‌ها استفاده کرد. این مبدل‌ها در حجم کم، ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می‌کنند و قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند و روش ساخت تثبیت شده و طراحی مکانیکی خوبی نیز دارند. این مبدل‌ها دارای هزینه ساخت کمتری می‌باشند، زیرا در آنها فقط به یک صفحه لوله نیاز است.
مبدل حرارتی دو لولهای (Double Pipe Heat Exchanger)
مبدل‌های دو لولهای معمولی شامل یک لوله است که با اتصالات مناسب بصورت هم مرکز در داخل لولهای دیگر با قطر بزرگتر قرار می‌گیرد تا جریان را از مقطعی به مقطع دیگر هدایت نماید، میدل -های حرارتی دو لولهای می‌توانند با آرایش گوناگون سری و موازی مرتب شوند تا افت فشار متوسط اختلاف دمای مورد نظر را برآورده سازند. استفاده عمده مبدل‌های دو لولهای برای گرمایش و سرمایش محسوس سیالهای فرآیندی است که در آنها سطوح انتقال گرمای کوچکی (تا ۵۰ متر مربع) مورد نیاز میباشد. این شکل بندی همچنین در حالتی که یک یا هر دو سیال سرد و گرم، در فشار زیاد باشند، مناسب است.
عیب اصلی این مبدل‌ها آن است که میزان انتقال گرما در واحد سطح گرمایی آنها کم میباشد و برای ظرفیت گرمایی مشخص، بزرگ و گران قیمت هستند.
سیستم لوله گذاری داخلی میتواند یک لولهای و یا چند لولهای باشد. اگر ضریب انتقال گرما برای سیال عبوری در فضای بین لوله داخلی و خارجی کوچک باشد، لوله داخلی دارای پره‌های طولی میتواند استفاده شود. این مبدل‌ها به دلیل آسانی تمیز کاری میشوند و تعمیر و نگهداری آنها ساده است. همچنین می‌توانند تحت شرایط رسوب زیاد نیز بکار روند.
مبدل‌های حرارتی دو لولهای بصورت دو شاخه‌های مجزا مورد استفاده قرار می‌گیرند و هنگامیکه نرخ انتقال گرمای مورد نیاز تغییر کند، دو شاخه‌های بیشتری می‌توانند به آسانی به مجموعه اضافه شوند.
در مبدل‌های دو لولهای دو مبادله کن در یک انتها بوسیله لوله خم U شکل، که به لوله‌های داخلی جوش داده شده است و یک محفظه خم برگشت در سمت فضای پوسته به هم متصل میشوند. محفظه خم برگشت دارای یک درپوش قابل جدا شدن جهت خارج ساختن لوله‌های داخلی میباشد.
هنگامی که سطح انتقال حرارت لازم برای مبدل‌های دو لولهای زیاد شود، بهتر است از مبدل‌های پوسته و لوله استفاده شود.
مبدل حرارتی لولهای مارپیچی (Spiral Tube Heat Exchanger)
این مبدل‌ها شامل کویل‌هایی هستند که بصورت حلزونی پیچانده شده و در یک پوسته قرار گرفته اند و یا بصورت چگالنده‌ها و تبخیر کن‌های هم مرکز هستند که در سیستم‌های تبرید استفاده میشوند.
ضریب انتقال گرما در لوله حلزونی در مقایسه با لوله مستقیم بیشتر میباشد. این مبدل‌ها برای انبساط گرمایی سیالهای تمیز مناسب هستند، زیرا تمیز کردن کامل داخل آنها تقریبا غیرممکن است.
