تبلیغات
سر فصلی از مهندسی شیمی - مبدل پوسته و لوله
 
صفحه نخست       تماس با مدیر       پست الکترونیک      RSS       ATOM
سر فصلی از مهندسی شیمی
 
پنجشنبه 11 خرداد 1391 :: نویسنده : ابراهیم سیفی

هنگامی كه سطح انتقال حرارت لازم برای مبدل های دو لوله ای زیاد شود (بیشتر از 50m2 باشد)، بهتر است از مبدل های پوسته و لوله استفاده شود. مبدل های پوسته و لوله به طور وسیعی در فرایند های انتقال حرارت برای كاربردهای مایع/مایع و همچنین در كندانسورها و مولدهای بخار استفاده می شوند . این مبدل ها برای انتقال حرارت مشخصی سطح كمتری به نسبت مبدل های لوله ای اشغال می كنند.(شكل های 8 و 9 و 10)

 

هنگامی كه سطح انتقال حرارت لازم برای مبدل های دو لوله ای زیاد شود (بیشتر از 50m2 باشد)، بهتر است از مبدل های پوسته و لوله استفاده شود. مبدل های پوسته و لوله به طور وسیعی در فرایند های انتقال حرارت برای كاربردهای مایع/مایع و همچنین در كندانسورها و مولدهای بخار استفاده می شوند . این مبدل ها برای انتقال حرارت مشخصی سطح كمتری به نسبت مبدل های لوله ای اشغال می كنند.(شكل های 8 و 9 و 10)

 
شكل 8 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger

 
شكل 9 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger

 
شكل 10 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger

مزایای این گونه مبدل ها عبارتند از:

1 - در حجم كم ایجاد سطح بزرگی برای انتقال حرارت می كنند.
2 - طراحی مكانیكی خوبی دارند.
3 - روش ساخت تثبیت شده خوبی دارند.
4 - قابلیت استفاده برای دامنه وسیعی از مواد را دارند.
5 - به راحتی تجهیز می شوند.
6 - روش طراحی خوب و تثبیت شده ای دارند.

قسمتهای اصلی این مبدل ها عبارتند از:

- لوله ها (Tubes)
- پوسته (Shell)
- بافل ها (Baffles)
- هد جلویی (Front Head)
- هد پشتی (Rear Head)
- صفحات تیوب ها (Tube Sheets)
- نازل ها (Nozzels)

 
شكل 11 - مبدل های پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger با اجزا اصلی

پوسته :
پوسته ها كه در واقع در بر گیرنده لوله ها هستند از نظر اندازه، مواد سازنده و ضخامت محدوده وسیعی دارند. قیمت پوسته ها بیشتر از لوله ها می باشد. بنابراین معمولاً سعی می شود از حداقل پوسته استفاده شود.

لوله ها (Tubes) :
 لوله عنصر اصلی مبدل های پوسته و لوله هستند كه در واقع سطح انتقال حرارت لازم را برای سیالاتی كه در داخل و خارج آن جریان دارند را فراهم می سازند. لوله ها معمولا از فلزات مختلف به روش اكستروژن و بدون درز ساخته می شوند. جنس آنها معمولاً ا ز فولاد كم كربن، فولاد زنگ نزن، مس و ...می باشد. لوله ها ممكن است به صورت مربعی 90 درجه (شكل 12 ) یا در وضعیت چرخانده كنار هم قرار گیرند .
در این حالت تمیز كردن خارج لوله ها راحت تر است. طرح مثلثی (شكل12) روش دیگری است كه به علت زیاد بودن آشفتگی سیال، ضریب انتقال حرارت و افت فشار طرف پوسته را افزایش می دهد؛ و نیز مقدار بیشتری از لوله را می توان در قطر مشخصی از پوسته قرار داد. قطر لوله ها بین 16mm تا 50mm (⅝تا 2 اینچ) می باشد. ولی معمولاً از  16mm تا 25mm (⅝تا 1 اینچ) استفاده می شود. طول لوله ها نیز از 1.8 متر تا 7.3 متر ( 6ft  تا 24ft) انتخاب می شود. ضخامت لوله ها نیز با توجه به قطر آنها از 1.2mm  تا 3.2 mm انتخاب می شود.
گرچه هدف، افزایش انتقال حرارت به وسیله افزایش سرعت سیال ها در داخل لوله ها می باشد ولی این سرعت باید در حد مجاز باشد چون هرچقدر سرعت بیشتر شود،افت فشار افزایش می یابد وهمچنین نوسانات بیشتر می شود و باعث ایجاد شكستگی در اتصالات و زانویی ها می شود.

 
شكل 12 - آرایش مثلثی و مربعی لوله ها

بافل ها (Baffles) :
بافل ها معمولاً در قسمت پوسته مبدل استفاده می شوند برای اینكه لوله ها را در جای خود نگه دارند و جریان سیال داخل پوسته را به صورت چرخشی تبدیل كنند تا سرعت سیال و ضریب انتقال حرارت افزایش یابد و معمولاً به صورت های Segmental baffle, disk-and-doughnut baffle,orifice baffle  (شكل های 15،16 و17) می باشند.

بافل ها دو مشخصه اصلی دارند: برش بافل(Baffle Cut)، فاصله بافل ها ( Baffle Spacing Lb )

فاصله بافل ها ( Baffle Spacing Lb) :
فاصله دو بافل متوالی می باشد كه معمولاً بین 20% تا 100% قطر پوسته انتخاب می شود و مقدار بهینه آن بین 30% تا 50% قطر پوسته می باشد. هرچقدر Lb كمتر باشد سرعت و افت فشار در پوسته بیشتر می شود.

برش بافل Baffle Cut :
ارتفاع بریده شده از بافل نسبت به قطر می باشد كه معمولاً به صورت درصد بیان می شود و معمولاً 25 % می باشد.

 
شكل 13 - نمایش لوله ها در یك كلاف لوله Boundle Tube

هرچقدر Baffle Cut كمتر یا طول بریده شده كمتر شود سرعت و ضریب انتقال حرارت و افت فشار بیشتر می شود.
بافل ها را می توان به دو دسته بافل های طولی Longitudinal Baffles   و بافل های متقاطع یا مورب Transver Baffles نیز تقسیم بندی كرد كه معمولاً به صورت زاویه دار با لوله ها قرار می گیرند و باعث ایجاد جریان ناآرام در اطراف پوسته می شوند.
بافل های طولی برای كنترل مسیر جریان داخل پوسته استفاده می شوند.

 
شكل 14 - نمایی از اجزا یك مبدل پوسته و لوله شامل صفحه تیوب، لوله ها و بافل ها

شكل 15 - disk-and-doughnut baffle

 
شكل 16 - orifice baffle

 
شكل 17 -  Segmental Baffles

 
شكل 18 - آرایش مثلثی لوله ها ،صفحه تیوب و بافل ها در یك مبدل پوسته و لوله

صفحه تیوب (Tube Sheet) :
یكی از اجزای مهم مبدل ها كه اصلی ترین سد بین تیوب ها و پوسته است و طراحی مناسب آنها برای اطمینان از كارایی سیستم لازم است، صفحه تیوب ها هستند. نحوه اتصال آنها به تیوب ها و پوسته هم می تواند به صورت جوش داده شده و هم به وسیله پیچ باشد.

 
شكل 19 - آرایش مثلثی لوله ها ،صفحه تیوب و بافل ها در یك مبدل پوسته و لوله

تعداد گذرهای پوسته و لوله :
 ساده ترین مدل جریان برای لوله ها به این صورت است كه سیال از یك طرف وارد شود و از طرف دیگر خارج گردد. این مدل تك گذر لوله است. برای بهتر نمودن انتقال حرارت سرعت بالاتری باید ایجاد نمود . این عمل به وسیله افزایش تعداد گذر لوله ها امكان پذیر است. از طرف دیگر با افزایش تعداد گذرهای لوله و افزایش سرعت سیال ، افت فشار زیاد می شود. در واقع انتقال حرارت باید در سرعت های بالا ایجاد شود و این افت فشار سیستم را زیاد می كند. در نتیجه تعداد گذرها، با توجه به دو فاكتور سرعت و افت فشار مشخص می شود. تعداد گذرهای لوله معمولاً از یك تا هشت می باشد. در موردگذرهای پوسته نیز معمولا از یك یا دو گذر استفاده می شود .حالت های مختلف گذرهای پوسته در استاندارد بین المللی TEMA با  علامتهای E,F,G,H,J,K,X شناخته می شوند. (شكل های 20 تا 26)

 
شكل 20 – پوسته E

 
شكل 21 – پوسته F

 
شكل 22 – پوسته G

 
شكل 23 – پوسته J

 
شكل 24 – پوسته K

 
شكل 25 – پوسته X

 
شكل 26 – پوسته H

نازل ها :
نازل ها برای انتقال سیال به بیرون و یا داخل مبدل استفاده می شوند.

اثرات حرارتی :
اگر مواد مانند آهن بكار رفته شده در مبدل ها حرارت ببینند ممكن است دچار انبساط حرارتی گردند . به عنوان مثال در یك مبدل پوسته و لوله افزایش درجه حرارت باعث افزایش اندازه لوله ها و پوسته می شود . از آنجایی كه این افزایش ها ممكن است با هم فرق كنند، تنظیم های مختلفی برای كاهش این اثرات حرارتی وجود دارد. شكل ( 27 ) یك صفحه تیوب ثابت و بدون امكان انبساط می باشد. در شكل های ( 28 و  29 ) دو مبدل با كلگی های متحرك یا اتصالات متحرك برای كاهش میزان استرس ناشی از انبساط حرارتی می باشند. این استرس های حرارتی با استفاده از لوله های U شكل نیز قابل جلوگیری می باشند. استفاده از مبدل ها با كلگی های ثابت برای زمانی كه لوله ها كوتاه هستند یا اختلاف دما بین لوله و پوسته ماكزیمم 30 درجه سلسیوس می باشد، استفاده می شود.
در اكثر موارد از مبدل ها با كلگی های متحرك Floating-Head استفاده می شود.

 
شكل 27 - مبدل با صفحه تیوب ثابت با دو گذر در قسمت لوله و یك گذر در پوسته

 
شكل 28 - مبدل با كلگی متحرك floating head داخلی با دو پاس در قسمت لوله و یك پاس درپوسته

 
شكل 29 - مبدل با floating head خارجی با دو پاس در قسمت لوله و یك پاس در پوسته

 
شكل 30 - مبدل پوسته و لوله

 
شكل 31 - مبدل پوسته و لوله

انتخاب محل عبور سیال ها :
تصمیم گیری برای قرار دادن سیال در داخل پوسته و لوله و اینكه كدامیك از آنها در داخل لوله قرار داده شود و كدامیك داخل پوسته، به چند عامل بستگی دارد:
1 - فشارها : سیال با فشار بالا در قسمت لوله قرار می گیرد، زیرا صخامت نسبی لوله (نسبت به قطر) بیشتر است.
2 - درجه حرارت : افزایش درجه حرارت باعث كاهش تنش مجاز مواد بكار رفته می گردد و در نتیجه ضخامت لازم برای دیواره ظرف نیز افزایش می یابد. این تاثیر عیناً شبیه فشار است. سیال با درجه حرارت زیاد بایستی در لوله جای داده شود.
3 - خورندگی سیال ها : برای سیال های با خورندگی زیاد به مواد و آلیاژها ی گرانقیمت نیاز است . اگر فقط یكی از سیال ها خورنده باشد آن وقت گذاردن آن در داخل لوله باعث می شود كه پوسته گرانقیمت از آلیاژ مرغوب نیاز نباشد. اما اگر سیال خورنده در پوسته قرار بگیرد آنگاه هم برای پوسته و هم برای لوله بایستی از موادی كه در مقابل خوردگی مقاوم هستند استفاده شود.
4 - تمیزی سیال ها : در بعضی از فرایندهای انتقال حرارت شرایط لازم جهت تمیزی سیال ها و آلوده نشدن آنها سخت تر از حالت های عادی است و ممكن است به آلیاژهای گرنقیمت نیاز باشد . در اینگونه مواقع بهتر است كه سیال ها در داخل لوله قرار داده شوند.
5 - خطر نشت : در بیشتر مبدل های حرارتی احتمال نشت سیال لوله ها از سیال پوسته كمتر است.
6 - ویسكوزیته سیال ها : برای اینكه انتقال حرارت ماكزیمم شود، جریان هر دو سیال می بایستی ناآرام باشد. در صورتی كه سیال لزج در داخل لوله باشد احتمال دارد جریان آن آرام شود پس بهتر است داخل پوسته قرار داده شود.

رسوب مبدل ها (Fouling) :
هنگامی كه یك مبدل حرارتی در سرویس قرار می گیرد در شروع كار سطوح انتقال حرارت آن تمیز است ولی با گذشت زمان در بعضی از سرویس ها مانند سیستم های قدرت فرایندهای شیمیایی ، به تدریج توانایی انتقال حرارت آنها كم می شود. این وضعیت به علت جمع شدن موادی روی سطوح انتقال حرارت (همان لوله ها) كه موجب افزایش مقاومت حرارتی در برابر انتقال حرارت می گردد به وجود می آید. یك فرایند صنعتی را در نظر بگیرید كه شامل چندین دستگاه اصلی می باشد. در صورتی كه تمام فرایند بخواهد به خاطر اینكه یكی از ابزار انتقال حرارت كه توانایی خود را در فرایند انتقال حرارت از دست داده از كار بیفتد این حادثه از نظر اقتصادی ناخوشایند است.
در استاندارد TEMA ضریب رسوب داده شده است تا به طراح كمك كند مبدل پوسته و لوله را طوری طراحی كند كه بتواند برای مدتی به طرز رضایت بخشی كار كند. تا اینكه دوباره مبدل از مدار خارج شود و تمیز گردد.
عواملی كه باعث ایجاد رسوب می شوند اغلب عبارتند از:
1 - وجود ذرات معلق در سیال
2 - كاهش حلالیت نمك ها با افزایش دما (مثل نمك های منیزم)
3 - خوردگی : بعنی تبدیل یك لایه از فلز (آهن) اكسید آن (اكسید آهن) وكه باعث كاهش ضریب رسانش می شود.
4 - پدیده های بیولوژیكی (زیست محیطی) : در آب رودخانه ها جلبك ها و موجودات زنده وجود دارند كه با صافی جدا نمی شوند و داخل مبدل شروع به تكثیر می كنند.
5 - به وجود آمدن كك : در كور ه های نفت مقداری از نفت می شكند و تبدیل به كك می گردد و روی دیواره رسوب می كند.

 
شكل 32 - تشكیل رسوب در مبدل

 تمیز كردن و نگه داری از مبدل :  Cleaning & Maintenance
مبدل ها باید به طور متناوب تمیز شوند و لوله ها تعویض شوند . داخل لوله ها به راحتی با استفاده از مواد تمیز كننده مانند بعضی مواد اسیدی و jet  آب تمیز می شوند. ولی تمیز كردن خارج لوله ها احتیاج به باز كردن لوله ها و كلاف لوله ها (Tube Bundle) از مبدل دارد.

 مبدل های صفحه ای : (Plate heat exchanger)

 مبدل های حرارتی صفحه و قاب از قرار گرفتن یك سری صفحات فلزی در كنار یكدیگر در داخل یك قاب فلزی ساخته می شوند. این صفحات در داخل قاب توسط میله های بلند بهم فشرده می شوند. طول این میله ها در شیارهای (Gasket) فاصله بین دو درپوش را طی می كنند و توسط مهره به درپوش محكم می گردند . واشر اطراف هر صفحه قرار داده می شود تا جریان سیال را در مجرای باریكی بین صفحات هدایت نماید و همچنین از نشت آنها به بیرون جلوگیری كند. در گوشه های هر صفحه مجرایی جهت ورود و خروج سیال گرم و سرد در نظر گرفته شده است و موقعیكه صفحات روی هم فشرده می شوند این محل های سوراخ شده در یك خط مستقیم قرار می گیرند و بدین وسیله هدرهای توزیع سیال در طول مبدل را به وجود می آورند.
صفحات می توانند از هر فلزی با ابعاد معین ساخته شوند آنگاه نقوش مختلف توسط پرس و قالبهای مخصوص روی صفحات چاپ گردد. هنگامی كه این صفحات در محل خود در كنار یكدیگر قرار می گیرند شیارهای موجود روی صفحات متوالی تشكیل یك سری كانال های باریك جریان را می دهند. و سیال ها از طریق مجرای خیلی باریك و ظریف بین صفحات متوالی عبور می نمایند. در مبدل های مختلف آرایش جریان می توانند متفاوت باشند. یكی از این آرایشها به صورت موازی مختلف الجهت می باشد. در این نوع ارایش جریان های هر كدام از سیالها فقط یك بار ارتفاع صفحات را طی می كنند در حالیكه در آرایشهای چندگذر یك سیال ممكن است 2 بار و یا بیشتر ارتفاع مبدل را طی نماید.

  
شكل 33 - جریان در مبدل صفحه ای

 امتیازات و كاربردها :
یكی از امتیازات مهم و اساسی مبدل های حرارتی صفحه و قاب این است كه سطح انتقال حرارت مبدل به آسانی از هم جدا می شوند. بعد از برداشتن مهره ها و میله های نگه دارنده و جداسازی صفحه متحرك انتهایی صفحات با لغزیدن روی صفحه باریكی برای معاینه از هم جدا می شوند. این امتیاز كه صفحات به آسانی تمیز شوند و یا تعویض گردند باعث شده كاربرد این مبدل ها در صنایع غذایی و لبنیات توسعه یابد . اما از دیگر امتیازات مهمی كه این مبدل ها نسبت به مبدل های پوسته و لوله دارند این است كه در مقایسه با مبدل های پوسته و لوله بار حرارتی معینی حدوداً بین یك سوم تا یك چهارم انتقال حرارت لازم دارند. علتش را می توان به صورت زیر خلاصه نمود. توربولانس زیاد به علت حركت سیال در مجاری باریك و ناهموار سبب افزایش ضریب انتقال حرارت می گردد. فاصله نزدیك به هم صفحات مانند این است كه از لوله های با قطر كوچك استفاده شده است كه این ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد. توربولانس زیاد سبب تقلیل سرعت كثیف شدن می شود . كاهش سطح انتقال حرارت باعث كاهش حجم و وزن می شود.

  
شكل 34 - نمای داخلی مبدل صفحه ای

 معایب :
با وجود تمام محاسن ذكر شده یك عیب مهم در مورد این مبدل ها وجود دارد و آن این است كه سطوحی كه باید توسط واشر آب بندی شود زیاد است. اغلب از مواد لاستیكی برای این كار استفاده می شود اما ماكزیمم فشار و درجه حرارت كاربردی نباید از 2.7 Mpas و 400 k  تجاوز نماید . از واشرهای فیبری و پمبه نسوز كمپرس شده نیز می توان استفاده نمود كه برای آن حداكثر درجه حرارت 600 k  و 1.8 Mpas می باشد . یكی از مشكلاتی كه معمولاً در هنگام كار این مبدل ها بوجود می آورند عدم آببندی كامل و صحیح واشر ها است .
اولاً به خاطر اینكه عمر مفید گازكت ها كم است و ثانیاً نباید دوباره مورد استفاده قرار گیرند كه معمولاً به این نكته توجه نمی شود.




مبدل لوله ای

این گونه از مبدل ها از دو لوله هم محور تشكیل شده اند. یكی از سیال ها در داخل لوله میانی و در امتداد طول آن جریان می یابد و سیال دیگر در داخل حلقه بین دو لوله جریان خواهد یافت. سایر اجزاء ساختمانی این مبدل ها عبارتند از :
- زانوی برگشت
- سر برگشت
- اتصالات T

برای ورودی و خروجی سیال ها هنگامی كه اختلاف انبساط حرارتی بین لوله خارجی و داخلی وجود دارد در كاربرد نوع اتصالات می باید دقت كافی شود تا تنش حرارتی مینیمم گردد.

مبدل های لوله ای را می توان بر اساس شكل تقسیم بندی نمود:

1 - مبدل های لوله ای U شكل ( شكل 5)

 
شكل 5 -  مبدل های لوله ای U شكل

2 - مبدل های دو لوله ای ساده (شكل 6)

 
شكل 6 - مبدلهای دو لوله ای ساده

3 - مبدل های دو لوله ای كویل دار (شكل 7)

 
شكل 7 -  مبدل های دو لوله ای كویل دار

موارد كاربرد و مزایای مبدل های لوله ای
هنگامی كه ضریب انتقال حرارت سیال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از 2:1 باشد، مثلاً داخل لوله مایعات كم لزج مثل آب با ضریب انتقال حرارت بالا باشد و خارج آن از مایعات لزج استفاده شود معمولاً بجای استفاده از مبدل های پوسته و لوله از مبدل های لوله ای استفاده می شود. البته در این موارد از پره با طول بلند كه باعث افزایش سطح می شود، در خارج لوله استفاده می شود. همچنین اگر سرویس های فشار بالا مورد نیاز باشد ، مبدل های لوله ای ترجیحاً استفاده می شود. در سرویس های كوچك نیز از این مبدل ها استفاده می شود.
استفاده و كاربرد زیادی كه مبدل های لوله ای دارند به خاطر مزایای زیر می باشد:
این سیستم ها دارای انعطاف پذیری زیادی هستند. در طول های مختلف و از انواع لوله های مختلف و از مواد مختلف ساخته می شوند و خیلی سریع از سوار كردن قطعات استاندارد پیش ساخته آماده می گردند . با انتخاب صحیح اتصالات به آسانی می توان قطعات آن را پیاده نمود تا درون و بیرون لوله ها تمیز شوند. محاسبات طراحی آنها به صورت دقیق و خوبی تدوین شده است. توزیع و پخش سیال را می توان در واحدهای مختلف كنترل نمود. این كار با انتخاب پمپ های جداگانه برای هر سری مبدل امكان پذیر است.

معایب مبدل های لوله ای
از معایب عمده این مبدل ها می توان موارد زیر را نام برد:
1 - برای بار حرارتی بزرگ، سیستم مبدل های دولوله ای حجم زیادی را اشغال می كنند.
2 - قیمت آنها برای واحد سطح انتقال حرارت نسبتاً زیاد است.












نوع مطلب :
برچسب ها :


درباره وبلاگ

روزی در آخر ساعت درس یك دانشجوی دوره دكترای نروژی ، سوالی مطرح كرد: استاد،شما كه از جهان سوم می آیید،جهان سوم كجاست ؟؟ فقط چند دقیقه به آخر كلاس مانده بود.من در جواب مطلبی را فی البداهه گفتم كه روز به روز بیشتر به آن اعتقاد پیدا می كنم.به آن دانشجو گفتم: جهان سوم جایی است كه هر كس بخواهد مملكتش را آباد كند،خانه اش خراب می شود و هر كس كه بخواهد خانه اش آباد باشد باید در تخریب مملكتش بكوشد.

پروفسورحسابی
مدیر وبلاگ : ابراهیم سیفی

آرشیو وبلاگ
نویسندگان
Online User
آمار وبلاگ
کل بازدید :
بازدید امروز :
بازدید دیروز :
بازدید این ماه :
بازدید ماه قبل :
تعداد نویسندگان :
تعداد کل پست ها :
آخرین بازدید :
آخرین بروز رسانی :