انتقال حرارت مبدل حرارتی پوسته و لوله

طراحی و انتقال حرارت مبدل حرارتی پوسته و لوله

در صنعت انتقال حرارت،مبدل حرارتی پوسته و لوله از جمله پرکاربرد ترین مباحث است. این مبدلها در فرایند های شیمیایی و در اکثر بخش های صنعتی مورد توجه قرار گرفته اند و مدل های زیادی از این آنها ارائه شده است که اغلب آن ها به دلایل مختلف از جمله پیچیدگی زیاد، استفاده بیش از حد از روابط و …کمتر مورد توجه و استفاده قرار گرفته اند.
انجام طراحی مکانیکی به عنوان تضمین کننده حفظ شرایط در موقعیت پایدار، حین حمل و نقل، راه اندازی و خاموش کردن موقت یا در دراز مدت که سیستم تحت شرایط نیمه بار در طول مدت کار می کند، لازم و ضروری است.

از دیگر موارد مهم که می بایست مورد توجه قرار گیرد، طراحی ساختاری مبدل حرارتی است که جهت طراحی،عواملی چون دما و فشار خورندگی یا واکنش شیمیایی سیالات با مواد سازنده بسیار مهم بوده و باید مدنظر قرار گیرد. همچنین نیاز به انجام بررسی های لازم در جهت کاهش لرزش های سیال به حداقل ممکن است؛ چرا که این لرزش ها سبب بروز پدیده هایی نظیر خستگی، خوردگی و موارد مشابه می گردد.

لازم است بدانید که مبدل مرکب از المان های تبادل حرارتی (هسته ای که انتقال حرارت در آن صورت می گیرد) و المان های توزیع کننده سیال (از جمله هدرها، شیرها، مخزن ها، نازل های ورودی و خروجی، لوله ها، آب بند ها) است.

طراحی و انتقال حرارت مبدل حرارتی پوسته و لوله

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله

در این بخش به بررسی انواع مبدل های حرارتی بر مبنای ساختار طراحی آنها پرداخته شده است و می توان گفت، غالبا به این صورت دسته بندی می شوند. اما لازم است بدانید که این مبدلها را می توان از جنبه دیگر نیز دسته بندی نمود. در واقع آنها به لحاظ فشار کاری سیال در سه گروه فشار پایین، فشار متوسط و فشار بالا نیز قرار می گیرند.

  • مبدل حرارتی لوله ای دوبل

ساده ترین نوع که در صنعت استفاده می شوند، این مدلها هستند که به مبدلهای لوله ای نیز معروف هستند. از یک سو، ارزان بودن این مبدلها، چه در طراحی و چه از نظر تعمیر و نگهداری، آن ها را به انتخاب مناسبی برای صنایع کوچک تبدیل کرده است. از سوی دیگر، راندمان پایین آن ها و همچنین اشغال فضای زیاد در مقیاس های بزرگ، سبب شده است که در صنایع مدرن امروزی کمتر استفاده شوند و مبدلهایی با راندمان بیشتر نظیر مبدلهای پوسته و لوله و مبدلهای صفحه ای به کار گرفته شوند. ساختار یک مبدل حرارتی لوله ای، در ساده ترین شکل خود شامل دو لوله با قطر متفاوت می باشد که لوله کوچکتر به صورت هم مرکز درون لوله دیگر قرار می گیرد. چنانکه یکی از سیال ها درون لوله کوچکتر و سیال دیگر در فضای حلقوی بین دو لوله جریان می یابد. در واقع، این دیواره لوله داخلی است که سطح انتقال حرارت را تشکیل می دهد و اغلب جهت دستیابی به سطح بیشتر، فین گذاری می شود. در طراحی این مدل ها، یکی از فاکتورهای مهم، نوع الگوی جریان در مبدل می باشد. یک مبدل حرارتی لوله ای، معمولاً می تواند برای هر دو الگوی جریان مخالف و جریان موازی طراحی شود، اما الگوی جریان متعامد در چنین مبدلی کارایی ندارد. یکی از مزایای مبدلهای حرارتی لوله ای، عملکرد درست آن ها تحت شرایط الگوی جریان مخالف می باشد؛ الگویی که بیشترین راندمان را داشته و بالاترین ضریب انتقال حرارت را در طراحی مبدلهای لوله ای به دنبال دارد. مبدلهای لوله ای برای کاربردهایی مناسب هستند که یا نرخ جریان سیال های عبوری کم و تغییرات دمایی زیادی مد نظر می باشد، یا انتقال حرارت کمی برای نرخ جریان زیادی مورد نیاز است. البته این در حالی است که با توجه به ابعاد مبدل های لوله ای، استفاده از آن ها در شرایط برخورداری از فضای کافی، منطقی خواهد بود. می توان جهت ایجاد ظرفیت های بیشتر، چندین واحد مبدل لوله ای را به صورت سری یا موازی با یکدیگر، به شکل عمودی نصب نمود. مبدلهای حرارتی لوله ای در صنایع غذایی و همچنین تهویه مطبوع (به عنوان بویلر، اواپراتور و یا کندانسور) بیشترین کاربرد را دارند.

  • مبدلهای حرارتی با جریان همسو

در این نوع مبدلها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر، و جهت جریان سیال گرم و سرد آن ها موافق یکدیگر می باشند. یعنی دو جریان سیال، از یک انتها به مبدل وارد می شوند و هر دو در یک جهت جریان می یابند و از انتهای دیگر خارج می شوند. نکته ی قابل توجه این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم به کارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می باشد.

  • مبدلهای حرارتی با جریان غیر همسو

در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشند، مبدل را جریان غیر همسو می نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدلها امکان بیشتر بودن دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این نوع در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدلهای همسو برخوردار است.

  • مبدلهای حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

در این نوع مبدلها جهت جریان های سرد و گرم عمود بر هم می باشند. به عنوان متداول ترین نمونه می توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم، بسته به طراحی، جریان مخلوط یا غیر مخلوط نامیده می شود. سیال داخل لوله ها به علت عدم حرکت در راستای عرضی غیر مخلوط است. سیال بیرونی برای لوله های بی پره مخلوط است؛ چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد. اما برای لوله های پره دار غیر مخلوط است؛ زیرا وجود پره ها مانع از جریان آن در جهت عمود بر جهت اصلی جریان می شود.