[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی دو لوله ای - double-pipe heat exchanger

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
یک مبدل حرارتی دابل پایپ (double-pipe heat exchanger) یا مبدل حرارتی دو لوله‌ای از لوله‌ای تشکیل شده که به صورت هم‌مرکز درون یک لوله با قطر بزرگ‌تر قرار گرفته است. مبدل‌های حرارتی دابل پایپ می‌توانند دارای چیدمان مختلفی همانند سری (series)، موازی (parallel) یا ترکیبی از آن دو باشند تا الزامات افت فشار و اختلاف دما را برآورده کنند.


کاربرد اصلی مبدل‌های حرارتی دابل پایپ، سرمایش یا گرمایش سیالات فرآیندی در جایی است که سطح انتقال حرارت کوچکی (5 تا 50 متر مربع) مورد نیاز باشد. این آرایش در زمانی که یکی یا هر دو سیال دارای فشار بالایی هستند بسیار مناسب است. اشکال اصلی این مبدل‌های حرارتی حجم و قیمت زیاد به ازای واحد سطح انتقال حرارت است. لوله داخلی می‌تواند تک لوله یا چند لوله باشد. اگر ضریب انتقال حرارت در فضای حلقه‌ای بین دو لوله ضعیف باشد، تیوب‌های داخلی با فین‌های محوری به کار می‌روند. مبدل‌های حرارتی دابل پایپ به صورت ماژولار ساخته می‌شوند و دارای شکل سنجاق سر هستند.

Double_Pipe_Heat_Exchanger4.jpg

ساده‌ترین شکل مبدل حرارتی دابل پایپ، تیوب U شکل جکت‌دار (jacketed U tube) است. مبدل‌های حرارتی دابل پایپ با فین‌های طولی در جریان جنگ جهانی دوم به صورت کامل توسعه پیدا کردند. در آن زمان از این مبدل‌ها برای گرمایش سوخت مایع در خطوط سوخت‌رسانی استفاده شد که باعث کاهش مصرف مواد اولیه که در آن زمان مصارف مهم‌تری داشتند شد. این کاربرد گسترده‌تر و شامل باندل‌های تیوب فین‌دار شد که ساختمانی مشابه لوله‌های دابل پایپ داشتند.

Double_Pipe_Heat_Exchanger3.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
زمانی که یکی یا چند شرط از شرایط زیر برقرار باشد، دابل پایپ به عنوان جایگزینی برای مبدل‌های حرارتی شل و تیوب به کار می‌رود:

double_pipe_heat_exchanger.jpg


  1. ضریب انتقال حرارت پایین در سمت شل؛ اگر نسبت ضریب انتقال حرارت (heat transfer coefficient) در سمت تیوب به سمت شل بیش‌تر از 2.1 باشد، می‌توان از تیوب‌های با سطح گسترده (extended-surface) استفاده کرد. مثال‌های معمول شامل گازها یا سیال‌های با ویسکوزیته بالا در سمت شل، به همراه آب، بخار و یا مایعات با ویسکوزیته کم در سمت تیوب می‌شود. هرچه این نسبت بالاتر باشد، گسترش سطح راندمان بالاتری خواهد داشت و در نتیجه می‌توان تعداد و ارتفاع فین‌ها را افزایش داد.
  2. نزدیکی دما (temperature approach) یا گذر دما (temperature cross)؛ دابل پایپ‌ها به دلیل هندسه، یک جریان واقعی متقابل ایجاد می‌کنند و می‌توان شرایط گذر دمایی را به سادگی کنترل کرد. از آن‌جایی که ساختمان آن‌ها به صورت ماژولار است، می‌توانند با پیچ به هم متصل شوند و با کم‌ترین لوله‌کشی بین آن‌ها و استفاده از فونداسیون مشترک، ترکیب‌های پیچیده سری/موازی پدید آورند.
  3. کاربردهای فشار بالا؛ برای یک کاربرد مشخص، مبدل‌های دابل‌پایپ از قطرهای کوچک‌تر پوسته نسبت به مبدل‌های شل و تیوب استفاده می‌کنند که شامل لوله‌های بدون درز 2 تا 8 اینچ می‌شود،‌ با این وجود لوله‌های خاص با قطر بالاتر نیز موجود است. به دلیل کم‌تر بودن قطر مبدل‌های دابل پایپ، ضخامت دیواره بسیار کم‌تری برای شل فشار بالا با مورد نیاز خواهد بود.
  4. کاربردهای کوچک؛ دابل پایپ‌ها اغلب برای کاربردهای کوچکی که نیاز به تیوب‌های فین‌دار ندارند همانند آب به آب مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این شرایط، ساختمان مشابهی مورد استفاده قرار می‌گیرد، با این تفاوت که لوله یا دسته لوله داخلی بدون فین هستند.

temperature_approach.jpg


double_pipe_heat_exchanger2.jpg

مشکل است که بتوان حداکثر ظرفیت یا بار حرارتی که می‌توان برای یک دابل پایپ در نظر داشت را مشخص کرد زیرا ترکیب‌های زیادی از ضرایب انتقال حرارت، متریال ساخت، بازه‌های فشاری و مانند آن وجود دارند ولی به صورت معمول برای مقادیری که بالاتر از 1000 کیلووات هستند، به شکل شل و تیوب اقتصادی‌تر هستند.

Double_Pipe_Heat_Exchanger5.jpg
 
بالا