مبدل حرارتی پوسته و لوله

Tube  مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل های حرارتی پوسته و لوله (shell & tube) معروفترین نوع مبدل حرارتی در صنایع و کارخانجات به خصوص صنعت پتروشیمی می باشند .این نوع مبدل ها قابل استفاده برای سطح تماس زیاد با فشار بالاتر از 30 بار و حرارت بیشتر از 260 درجه سانتیگراد می باشد. می توان گفت که ساختمان مبدل ها شامل تعدادی لوله است که در داخل یک استوانه قرار می گیرند و دو سیال مورد نظر که یکی سرد و دیگری گرم است، بدون اینکه بطور مستقیم با یکدیگر برخورد کنند از طریق دیواره فلزی لوله ها با یکدیگر تبادل حرارت خواهند کرد. به عبارت دیگر یکی از این دو سیال در لوله ها و دیگری در اطراف لوله ها ، درون پوسته جریان خواهد داشت. دو سیال می توانند در دو فاز و در جهات نا همسو حرکت کنند. یک مبدل حرارتی پوسته و لوله از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است : هدر جلویی : قسمت ورودی سیال به داخل تیوب های مبدل می باشد. هدر پشتی : قسمت خروجی سیال از مبدل برای مبدل های یک گذر و قسمت برگرداننده سیال به هدر جلویی برای مبدل های چند گذر می باشد. تیوب باندل : که شامل تیوب، نگهدارنده تیوب، بافل، tie rods و … می باشد. پوسته نگهدارنده تیوب باندل می باشد.

از مزایای این مبدل ها می توان به سطح تماس زیاد در حجم کم، طرح مکانیکی خوب و توزیع یکنواخت فشار و راحتی تمیز کردن تیوب ها اشاره کرد .

انواع مختلف طراحی مبدل های پوسته و لوله در استاندارد بین المللی TEMA (با در نظر گرفتن استاندارد ASME, Section VIII, Division 1 برای بویلر و مخازن تحت فشار) بیان شده است.

استاندارد بین المللی TEMA سه نوع استاندارد مکانیکی برای طراحی، ساخت و انتخاب متریال مبدل حرارتی پوسته و لوله به شرح زیر بیان کرده است :

کلاس R : این نوع طراحی مورد استفاده در فرآیندهای نفت و گاز می باشد.

کلاس C : این نوع طراحی برای فرآیندهای عمومی و تجاری مورد استفاده قرار می گیرد.

کلاس B : این نوع طراحی برای فرآیندهای شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع مختلف مبدل های پوسته و لوله

There are three types of shell and tube heat exchangers:

  • Fixed tube sheet exchangers
  • U-tube exchangers
  • Floating header exchangers

مبدل های حرارتی پوسته و لوله به سه دسته زیر تقسیم می شوند :

مبدل های با تیوب شیت ثابت (Fixed Tube Sheet Exchanger) :

مبدل با لوله های U شکل (U – Tube Exchanger) :

مبدل های یک سر شناور (Floating Head Heat Exchanger) :

Header and Shell Types:

انواع هدر و پوسته

  A-Type front header هدر جلویی از نوع A

  B-Type Front Header  هدر جلویی از نوع B

  C-Type front header هدر جلویی از نوع C

  D-Type front header هدر جلویی از نوع D

  N-Type front header هدر جلویی از نوع N

   Y-Type front header هدر جلویی از نوع Y

  E-Type shell پوسته از نوع E

  F-Type shell پوسته از نوع F

  G-Type shell پوسته از نوع G

  H-Type shell پوسته از نوع H

    J-Type shell پوسته از نوع J

  K-Type shell پوسته از نوع K

  X-Type shell پوسته از نوع X

  L-Type rear header هدر پشتی از نوع L

  M-Type rear header هدر پشتی از نوع M

  N-Type rear header هدر پشتی از نوع N

  P-Type rear header هدر پشتی از نوع P

  S-Type rear header هدر پشتی از نوع S

  T-Type rear header هدر پشتی از نوع T

  U-tube تیوب از نوع U

  W-Type rear header هدر پشتی از نوع W

Arrangement of tubes

نحوه جانمایی تیوب ها

انتخاب قطر تیوب با توجه به خاصیت رسوب زدایی سیال، فاصله مورد نیاز بین تیوب ها و هزینه انتخاب می شود. به طور معمول قطر خارجی تیوب ها بین 19.05 تا 25.4 میلی متر در نظر گرفته می شود، که در واحدهای کوچک، این قطر خارجی می تواند تا 6.35 میلی متر کوچک شود. حداکثر طول تیوب برای مبدل های حرارتی که قابلیت خارج کردن باندل را داشته باشند، محدود به 9 متر می شود. حداکثر طول تیوب برای مبدل های حرارتی تیوب باندل ثابت محدودیتی نداشته و معمولاً تا حداکثر 15 متر در نظر گرفته می شوند. تیوب ها می توانند به صورت مثلثی و یا مربعی در طول باندل چیده شوند. در مواقعی که نیاز به تمیزکاری مکانیکی وجود داشته باشد، تیوب ها به صورت مربعی چیده می شوند. نحوه چیدمان تیوب به صورت مثلثی امکان قرار گیری تعدا بیشتری تیوب در فضای موجود در طول باندل را فراهم می کند. گام تیوب کمترین فاصله مرکز تا مرکز بین تیوب ها می باشد. فاصله بین تیوب ها که به وسیله نسبت گام تیوب بر قطر خارجی تیوب محاسبه می شود، به طور معمول 1.25 تا 1.33 میلی متر در نظر گرفته می شود. حداقل فاصله مجاز بین تیوب ها در حالتی که چیدمان تیوب به صورت مربعی در نظر گرفته شود، 6.35 میلی متر می باشد.

نحوه قرار گیری بافل ها

بافل ها به دو منظور در مبدل ها مورد استفاده قرار میگیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی . با نصب بافل ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریبا عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله ها می شود که این امر موجب افزایش انتقال انرژی حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان کار می گردد .

پلیت برخورد

این پلیت که بزرگتر از قطر سوراخ ورودی نازل می باشد، حدود 6 میلی متر ضخامت و به صورت مسطح یا خمیده می باشد. این پلیت جهت مانع شدن از ورود اجسام صلب یا قطرات مایع گرفتار شده در سمت پوسته، بعد از ورودی نازل و قبل از ورودی تیوب ها نصب می شود.

Tie rods و spacers جهت نگه داشتن باندل و بافل ها در موقعیت مناسب می باشد. Tie rods به صفحه نگه دارنده تیوب پیچ شده و تا آخرین بافل گسترده می شود. در فاصله بین بافل ها از تیوب یا پایپی با ضخامت بزرگتر از تیوب جهت حفظ فاصله مناسب بافل ها به نام spacer استفاده می شود.

طراحی حرارتی مبدل های حرارتی با استفاده از نرم افزارهای HTFS و یا HTRI انجام می شود. برای محاسبه ضریب انتقال حرارت و افت فشار مجاز، طراحی اولیه در نوع هدر جلویی و پشتی، نوع پوسته، نوع بافل، قطر خارجی تیوب و جانمایی تیوب در نظر گرفته می شود. برای محاسبه بیشترین انتقال حرارت در افت فشار مجاز، طول تیوب، ضخامت پوسته، گام بافل، تعداد پاس های تیوب تعیین می شود. طراحی مکانیکی پوسته و لوله که شامل ضخامت پوسته، ضخامت فلنج، ضخامت نازل و .. می باشد، توسط نرم افزار PV Elite انجام می گردد.

TOP