معرفی مبدل حرارتی پوسته و لوله، انواع و کاربرد آن ها

معرفی مبدل حرارتی پوسته و لوله، انواع و کاربرد آن ها

مبدل های حرارتی پوسته و لوله یا   Shell and tube heat exchanger   از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی هستند که کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی دارند. این مبدل ها به مبدل های آب گرم موتورخانه نیز مشهور هستند. وظیفه این مبدل ها، انتقال حرارت بین سیالات است. در این مقاله به معرفی مبدل های حرارتی پوسته لوله، انواع و کاربرد آن ها می پردازیم:

آشنایی با مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته لوله ( شل اند تیوب) دارای طراحی ساده و در عین حال ویژگی های قوی  و دارای سرعت انتقال حرارت بسیار بالایی هستند. هزینه تعمیر و نگهداری مبدل های حرارتی پوسته و لوله، نسبت به انواع دیگر مبدل های حرارتی نسبتا پایین است. مبدل های حرارتی پوسته و لوله برای کاربردهای فشار بالا و دما بالا بسیار مناسب هستند.

اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله  همانطور که از اسم آن مشخص است از یک مخزن استوانه ای به نام پوسته (Shell) و تعدادی لوله که در داخل آن قرار گرفته  (tube) تشکیل شده است. به همه لوله های داخل پوسته، در مجموع "بسته لوله" یا "لانه لوله" گفته می شود. هر لوله از یک سری بافل ها و صفحات لوله (همچنین به عنوان " پشته لوله " شناخته می شود ) عبور می کند. یکی از ورق های لوله ثابت است و یکی آزاد است که حرکت کند، این امکان انبساط حرارتی را فراهم می کند زیرا مبدل حرارتی گرم می شود.

در مبدل حرارتی پوسته لوله، یک سیال در داخل لوله ها جریان دارد و سیال دیگر در اطراف لوله ها جریان دارد. بر اثر اختلاف دما، حرارت بین دو سیال و از طریق سطح دیواره لوله های داخل پوسته منتقل می شود. لازم به ذکر است که مبدل های حرارتی پوسته و لوله نسبت به مبدل های حرارتی صفحه ای نیاز به فضای بیشتری دارند.

محیط جاری در داخل لوله ها به عنوان محیط " سمت لوله " شناخته می شود. محیطی که در خارج از لوله ها جریان دارد به عنوان محیط پوسته ای شناخته می شود. هر محیط دارای یک ورودی و یک تخلیه است.

محیط سمت لوله معمولاً برای سیال فشار بالا انتخاب می شود زیرا هر لوله می تواند به عنوان یک مخزن فشار کوچک عمل کند. همچنین تولید لوله های با فشار بالا نسبت به تولید پوسته های فشار بالا مقرون به صرفه تر است

به عنوان مثال یک مبدل حرارتی پوسته ای از آب برای خنک کردن روغن استفاده می کند. روغن محیط جانبی پوسته است در حالی که آب محیط سمت لوله است. روغن از ورودی سمت چپ بالا وارد می شود و از طریق مبدل حرارتی جریان می یابد تا به تخلیه پایین سمت راست برسد. آب از طریق لوله ها از ورودی سمت راست به تخلیه سمت چپ جریان می یابد.

مبدل حرارتی تک پاس

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی در اشکال و اندازه های مختلف موجود هستند. برای آسان‌تر کردن طبقه‌بندی مبدل‌های حرارتی، آنها اغلب بر اساس طراحی و ویژگی‌های عملیاتی به گروه‌هایی تقسیم می‌شوند. این مبدل ها  از نظر نحوه ورود و خروج سیال در لوله ها و تعداد تیوب-شیت ها به سه نوع تقسیم بندی می شوند:

1. نوع تک پاس با دو تیوب شیت
2. نوع دو پاس با دو تیوب شیت
3. نوع تک پاس با یک تیوب شیت

انواع جریان سیال در مبدل حرارتی پوسته و لوله

یکی دیگر از طبقه بندی های مبدل های حرارتی پوسته و لوله، بر اساس نوع جریان است.

سه نوع جریان اصلی وجود دارد که عبارتند از جریان موازی ، متقابل و متقاطع . با توجه به ملاحظات طراحی و کاربرد مبدل‌های حرارتی، به ندرت پیش می‌آید که یک مبدل حرارتی تنها یکی از این انواع جریان باشد، معمولاً آنها ترکیبی از چندین نوع جریان هستند، مثلاً جریان متقابل-متقاطع.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله چگونه کار می کنند؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله به دو سیستم اصلی تقسیم می شود که به آنها سمت پوسته و سمت لوله گفته می شود . هر سیستم دارای یک محیط جریان مرتبط است. در مثال فوق، فرض می کنیم که سمت پوسته حاوی روغن معدنی داغ است که باید خنک شود، در حالی که سمت لوله حاوی آب خنک کننده است.

آب خنک کننده وارد مبدل حرارتی می شود و از طریق لوله ها جریان می یابد. روغن معدنی وارد مبدل حرارتی می شود و در پوسته اطراف لوله ها جریان می یابد. این دو مایع با هم مخلوط نمی شوند زیرا دیواره لوله ها از این امر جلوگیری می کند. از آنجایی که سیالات مستقیماً با هم مخلوط نمی شوند، خنک شدن غیرمستقیم رخ می دهد (نه خنک کننده مستقیم).

جریان آشفته سرعت انتقال حرارت مبدل حرارتی را افزایش می دهد و همچنین احتمال تجمع مواد جامد محلول روی لوله و دیواره های پوسته را کاهش می دهد (جریان آشفته اثر خود تمیز شوندگی دارد).

جریان آشفته درون لوله ها با قرار دادن درج های لوله (همچنین به عنوان " توربولاتور " شناخته می شود) در هر یک از لوله ها ایجاد می شود. جریان آشفته درون پوسته توسط بافل ایجاد می شود که برای هدایت آب در طول لوله ها چندین بار در حین حرکت از طریق مبدل حرارتی استفاده می شود.

گرما بین دو سیال مبادله می شود زیرا آنها در تماس حرارتی با یکدیگر هستند. روغن از خنک کننده مبدل حرارتی و آب از گرم کننده مبدل حرارتی خارج می شود.

مزایا و معایب مبدل های حرارتی پوسته و لوله

مزایا:

• ارزان در مقایسه با مبدل های حرارتی صفحه ای.
• طراحی نسبتا ساده و نگهداری آسان.
• مناسب برای فشارها و دماهای بالاتر نسبت به مبدل های حرارتی صفحه ای.
• افت فشار کمتر نسبت به یک مبدل حرارتی صفحه ای.
• پیدا کردن و جداسازی لوله های نشتی آسان.
• لوله ها می توانند "دو جداره" باشند تا احتمال نشت مایع سمت پوسته به سیال سمت لوله کاهش یابد (یا برعکس).
• به راحتی مبدل های حرارتی صفحه ای رسوب نمی کند

معایب:

• کارایی کمتر از مبدل های حرارتی صفحه ای.
• برای باز کردن و برداشتن لوله ها به فضای بیشتری نیاز است.
• ظرفیت خنک کننده را نمی توان افزایش داد، اما یک مبدل حرارتی صفحه ای می تواند افزایش یابد

برای آشنایی بیشتر می توانید مقاله مبدل های حرارتی صفحه ای را مطالعه فرمایید. 

کاربردهای مبدل حرارتی پوسته و لوله

استفاده از مبدل های حرارتی پوسته و لوله به شدت در صنایع مختلف مورد استقبال قرار گرفته اند. علاوه بر مزایایی که در بالا به آن اشاره شد یکی دیگر از دلایلی که این مبدل ها در صنایع مختلف کاربرد دارند، حرارت مستقیم به مواد شیمیایی و سیالات است. اصلی ترین کاربرد مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

• صنایع نفت و  پتروشیمی
• پیش گرم کن فن کویل
• صنایع ذوب فلز و ساخت و تولید
• کارخانجات صنایع غذایی و دارویی
• نیروگاه ها و پالایشگاه های نفت و گاز
• برج های خنک کننده و دیگ های بخار، رادیاتورها و ….

تعمیر و نگهداری مبدل های حرارتی پوسته و لوله

با توجه به هزینه های بسیار بالا برای خرید تجهیزات صنعتی ، یکی از نیازهای اساسی صنایع مختلف، تعمیر و نگهداری این تجهیزات است.  گروه صنعتی توانکار، در زمینه تعمیر و نگهداری تجهیزات نفت و پتروشیمی آماده همکاری با صنعتگران عزیز است. برای تعمیر و نگهداری مبدل های حرارتی پوسته و لوله می توانید با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید.