[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی پوسته و لوله - shell and tube exchanger

[P O U R I A]

بیش‌تر مبدل‌های حرارتی بدون آتش (unfired heat exchangers) که با مایعاتی کار می‌کنند که تغییر فاز ندارند، از نوع پوسته و تیوبی یا شل و تیوب (shell-and-tube) بافل‌دار (baffled ) هستند که در آن یک جریان درون تیوب‌های صاف یا مدل سنجاق‌سری (hairpin) حرکت می‌کند و جریان دیگر بین و یا در اطراف این تیوب‌ها و درون پوسته‌ای در جریان است و به وسیله بافل‌ها در یک مسیر مشخص هدایت می‌شود.
این بافل‌ها برای جدا نگه داشتن تیوب‌ها به صورتی به کار می‌روند که سیال سمت پوسته در بین آن‌ها حرکت کند و تا حدی مسیر حرکت سیال را کنترل می‌کنند.

طرح‌های مختلفی برای مبدل‌های شل و تیوب مورد استفاده قرار گرفته‌اند و انتخاب آن‌ها بستگی به اهمیت نسبی سیالات و کاربرد مد نظر به صورت زیر می‌باشد:

• هزینه اولیه یا هزینه ساخت
• هزینه بهره‌برداری مخصوصا هزینه پمپاژ
• قابلیت تمیز‌کاری
• تمایل به خوردگی
• اختلاف فشاری که به دستگاه وارد می‌شود
• خطرات مربوط به نشتی
• بازه دمایی و در معرض تنش‌های گرمایی بودن
• تمایل به لرزش در تیوب‌ها و خستگی (fatigue) ناشی از آن

تفاوت در طراحی‌های مختلف مبدل‌های پوسته و تیوب ناشی از دلایل زیر است:

• سیال سمت تیوب محدود به یک، دو یا چند بار عبور از شل باشد. زمانی که تعداد پاس‌ها بیش از یکی باشد، سیال سمت تیوب می‌تواند با شکلی شبیه سنجاق سر از تیوب‌ها بگذرد و یا در هر انتهای شل وارد هدرهایی (headers) شود که سیال را از یک مجموعه تیوب دریافت و به مجموعه دیگر تحویل می‌دهد.
• سیالاتی که وارد هدرها می‌شوند ممکن است به وسیله تیوب پلیت‌هایی (tube plates) ثابت شده باشد که با روش‌های مختلفی محتوای آن را از پوسته جدا می‌کنند که این روش‌ها شامل جوش‌کاری به پوسته و یا اتصال با امکان لغزش نسبت به پوسته در اثر انبساط گرمایی می‌شوند.
• پوسته می‌تواند دارای دریچه‌های قابل بازشدن باشد تا امکان بازرسی و تمیز‌کاری داخل و خارج تیوب‌ها فراهم شود.
• بافل‌ها می‌توانند دارای شکل‌های مختلفی باشند و تعداد آن‌ها کم یا زیاد باشد.

تمام مبدل‌های حرارتی بدون تغییر فاز از نوع پوسته و تیوبی نیستند. یک مدل جایگزین شامل استفاده از صفحات تخت است که دو سیال را از هم جدا نگه می‌دارند و از میان آن‌ها انتقال حرارت انجام می‌شود. مبدل‌های حرارتی پلیتی (plate heat exchangers) زمانی به کار می‌روند که اختلاف فشار بین دو جریان زیاد نباشد و قابلیت تمیز‌کاری مهم باشد.

 

[P O U R I A]

مبدل‌های حرارتی پوسته و تیوب در طول سالیان تبدیل به پرکاربرد‌ترین نوع مبدل حرارتی شده‌اند که این به دلیل بدنه محکم و بازه گسترده تغییرات در طراحی و شرایط کاری قابل تحمل آن‌ها می‌باشد، مخصوصا:

• نسبت سطح انتقال حرارت به حجم و وزن بالایی دارند.
• عدم تغییر فاز، تقطیر و جوشش در حالت‌های افقی و یا عمودی در هر دو سمت تیوب و پوسته قابل انجام است و بستگی به بهترین شرایط کاری دارد.
• فشار می‌تواند از خلاء تا مقادیر بسیار بالا تغییر کند. امکان طراحی برای فشارهای نسبی و اختلاف فشار بالا بین دو جریان سیال وجود دارد.
• افت فشار مجاز می‌تواند در بازه گسترده‌ای تغییر کند و می‌توان طراحی را برای هر سیال به صورت مستقل انجام داد زیرا انواع زیادی از آرایش جریان در پوسته و تیوب باندل (tube bundle) وجود دارد.
• تنش‌های حرارتی (thermal stresses) را می‌توان با قیمت کم کنترل کرد.
• بازه اندازه از بسیار کوچک تا بسیار بزرگ (5000 متر مربع) تغییر می‌کند.
• جداسازی مثبت سیالات امکان‌پذیر است.
• بازه گسترده‌ای از مواد را می‌توان مورد استفاده قرار داد تا تقاضای کاهش هزینه ساخت و نیز مقاومت در برابر خوردگی و ملزومات فشار و دمای بالا را برآورده کنند.
• استفاده از سطوح بهبود یافته متنوع در داخل و خارج امکان‌پذیر است که شامل تیوب‌های فین‌دار اولیه داخلی و خارجی، اینزرت‌های مختلف تیوب (tube inserts) و پرداخت‌های سطحی (surface finish)‌ خاص می‌شود.
• تمیزکاری آن‌ها ساده است و می‌توان تیوب باندل‌ها را برای تمیز‌کاری و یا تعمیرات خارج کرد.
• روش‌های طراحی قابل اعتماد و تجهیزات کارگاهی برای طراحی و ساخت موفق آن‌ها موجود است.
• انعطاف‌پذیری بالایی دارند و ملزومات تقریبا تمام سرویس‌ها را فراهم می‌کنند.

البته این میزان انعطاف‌پذیری در طراحی مبدل‌های حرارتی شل و تیوب نباید باعث شود که طراح در زمانی که شرایط کارکرد مناسب و امکان رسیدن به راه‌حل بهتری وجود داشته باشد به دنبال جایگزین‌های احتمالی مخصوصا مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (plate)، اسپیرال (spiral) یا کامپکت (compact) نگردد.


مبدل‌های حرارتی شل و تیوب پرکاربرد‌ترین نوع از مبدل‌های حرارتی هستند که در صنایع فرآیندی، در نیروگاه‌های حرارتی به عنوان کندانسور، در بویلرهای تحت فشار نیروگاهی، در هیترهای تغذیه آب و در بسیاری از کاربردهای انرژی‌های جایگزین همانند انرژی اقیانوسی و ژئوترمال (geothermal) کاربرد دارند. مبدل‌های حرارتی شل و تیوب همچنین در برخی از سیستم‌های تهویه مطبوع و تبرید کاربرد دارند.

 

[P O U R I A]

اجزای اصلی مبدل‌های حرارتی پوسته و تیوب

مبدل‌های حرارتی پوسته و تیوب از تیوب‌های گردی ساخته شده‌اند که درون یک پوسته استوانه‌ای به صورتی نصب می‌شوند که تیوب‌ها با پوسته موازی باشند. یک سیال درون تیوب‌ها در جریان است در حالی که سیال دیگر در عرض یا طول محور مبدل حرکت می‌کند.
اجزای اصلی این مبدل‌ها شامل تیوب‌ها یا تیوب‌باندل (tube bundle)، پوسته (shell)، سری جلویی (front-end head)، سری عقبی (rear-end head)، بافل‌ها (baffles) و تیوب‌شیت‌ها (tube sheets) هستند.


انواع پوسته

انواع مختلف سری جلویی، سری عقبی و پوسته به وسیله TEMA یا اتحادیه سازندگان مبدل‌های تیوبی (Tubular Exchanger Manufacturers Association) استاندارد شده است که به وسیله کاراکترهای حرفی شناسایی می‌شوند.




شکل زیر، پر کاربرد‌ترین انواع پوسته‌های مورد استفاده در کندانسورها را نشان می‌دهد که در آن V نشان دهنده محل ونت (vent) است.



پوسته E یا E shell پرکاربرد‌ترین نوع پوسته است زیرا ارزان و ساده می‌باشد. در این پوسته، سیال پوسته از یک انتهای پوسته وارد و از انتهای دیگر آن خارج می‌شود، به این معنی که در سمت پوسته یک پاس (pass) وجود دارد. تیوب‌ها می‌توانند یک یا چند پاسه باشند که به وسیله بافل‌های متقاطع ساپورت می‌شوند. این نوع پوسته در انواع پوسته یک پاسه دارای بیش‌ترین کاربرد است. در این نوع پوسته با یک پاس تیوب، می‌توان چند جریان متقاطع به دست آورد.
برای افزایش اختلاف دمای موثر و در نتیجه کارایی مبدل حرارتی، یکآرایش جریان متقابل خالص با مبدل حرارتی دو پاسه مطلوب است. برای این کار از یک شل F یا F shell با بافل‌های طولی استفاده می‌شود که نتیجه آن دو پاس تیوب می‌شود. این آرایش در زمانی که یونیت‌های سری مورد نیاز باشند مناسب است که در آن هر پاس پوسته نشان‌دهنده یک یونیت می‌باشد. افت فشار در آن بسیار بیش‌تر از افت فشار در یک پوسته E مشابه است.
شل‌های مهم دیگر شامل شل J و شل X می‌شود. در پوسته J یا J shell با جریان تقسیم شده، ورودی سیال در مرکز قرار دارد و به دو بخش تقسیم می‌شود. یک نازل در میانه تیوب‌ها و دو نازل در انتهای آن‌ها قرار دارند. این پوسته‌ها برای کاربردهای با افت فشار کم همانند کندانسورهای خلاء به کار می‌روند زیرا افت فشار پوسته J نسبت به یک پوسته E معادل آن، 1/8 می‌باشد. زمانی که این پوسته برای یک سیال کندانس‌شونده در سمت پوسته به کار می‌رود، دارای دو ورودی برای فاز بخار و یک خروجی مرکزی برای کندانس می‌باشد.
پوسته X دارای یک ورودی و خروجی سیال در مرکز است و معمولا دارای یک گنبد توزیع‌کننده (distributor dome) می‌باشد. دو سیال در تمام طول تیوب‌ها حضور دارند و دارای آرایش جریان متقاطع هستند. در این نوع پوسته تیوب، از بافل استفاده نمی‌شود؛ در نتیجه افت فشار به شدت کم است. این پوسته برای کندانسورهای خلاء (vacuum condensers) و گازهای کم‌فشار به کار می‌رود.
پوسته‌های با جریان دو تکه (split flow) همانند پوسته G یا G shell و پوسته H یا H shell در کاربردهای خاص به کار می‌روند. پوسته‌های G با جریان دو تکه دارای بافل‌های افقی هستند که دو انتها را پوشش نمی‌دهند؛ نازل‌های پوسته 180 درجه از میانه تیوب‌ها فاصله دارند. پوسته G دارای افت فشار معادل پوسته E است ولی با سطح و نرخ جریان یکسان، فاکتور LMTD و در نتیجه کارایی مبدل بالاتر است. پوسته G برای جریان‌های یک پاسه به کار می‌رود ولی در اغلب موارد به عنوان ری‌بویلر ترموسیفونی (thermosiphon reboiler) کاربرد دارد. در این حالت، بافل طولی برای فلش کردن (flashing) اجزای سبک‌تر سیال درون شل و افزایش اختلاط به کار می‌رود.
پوسته H با جریان دو تکه، مشابه پوسته G است ولی دارای دو نازل خروجی و دو بافل افقی می‌باشد.
پوسته K یک ری‌بویلر کتری شکل (kettle reboiler) با تیوب‌باندل در پایین پوسته است که حدود 60 درصد قطر پوسته را پوشش می‌دهد. مایع تیوب‌باندل را پوشش می‌دهد و بخار فضای بالایی بدون تیوب را فرا می‌گیرد. این پوسته در زمانی به کار می‌رود که نیاز به تبخیر تنها بخشی از جریان داریم که در برج‌های تقطیر معمول است. مایع تغذیه از نازلی که نزدیک تیوب‌شیت قرار دارد وارد و بخار تقریبا خشک از نازل بالایی خارج و مایع تبخیر نشده از سرریز (weir) انتهایی و به وسیله یک نازل عمود خارج می‌گردد. تیوب‌باندل معمولا دارای آرایش U شکل است.

 

[P O U R I A]

انواع تیوب‌باندل

پر کاربردترین انواع تیوب‌باندل در شکل‌های زیر نشان داده شده‌اند. اهداف اصلی طراحی این است که انبساط گرمایی، راحتی تمیز‌کاری و ارزان‌ترین ساخت را فراهم کنند.

یک نوع از طراحی که امکان انبساط مستقل را برای تیوب‌ها و پوسته فراهم می‌کند، آرایش تیوب U یا U-tube configuration است. به همین دلیل انبساط گرمایی نامحدود می‌شود. تیوب U دارای ارزان‌ترین ساختمان می‌باشد زیرا تنها به یک تیوب‌شیت نیاز است. به دلیل خمیدگی U شکل، سمت تیوب را نمی‌توان به روش‌های مکانیکی تمیز کرد. تنها می‌توان از تعداد پاس‌های زوج استفاده کرد. به غیر از ردیف‌های خارجی، نمی‌توان یک تیوب را به تنهایی تعویض کرد.



یک آرایش تیوب‌شیت ثابت در شکل زیر نشان داده شده است. پوسته به تیوب‌شیت‌ها جوش داده شده و دسترسی به خارج تیوب‌باندل برای تمیز‌کاری موجود نمی‌باشد. انبساط گرمایی در این گزینه ارزان محدود است که تا حدی می‌توان آن را با خرطومی‌های انبساطی (expansion bellows) بهبود داد. می‌توان یک تیوب را به تنهایی تعویض کرد. تمیز‌کاری تیوب‌ها به روش مکانیکی آسان است.


طرح‌های زیادی وجود دارند که امکان شناور شدن تیوب‌شیت را فراهم می‌کنند که باعث حرکت آن با انبساط گرمایی می‌شود. یک نوع کلاسیک از طرح سری شناور کششی در شکل زیر نشان داده شده است. می‌توان باندل را با حداقل اوراق کردن خارج کرد که این برای یونیت‌های با رسوب زیاد بسیار مهم است.

 

[P O U R I A]

تیوب‌ها و پاس‌های تیوب


تنها پوسته E با یک پاس تیوب و پوسته F با دو پاس تیوب باعث جریان متقابل واقعی می‌شوند. تمام پاس‌های تیوب دیگر نیازمند تصحیح پروفایل دمایی (temperature profile correction)‌ هستند و یا در برخی از حالت‌ها به دلیل تداخل دمایی، نمی‌توانند دمای مطلوب را تحویل دهند. در این صورت باید یونیت‌ها را به صورت سری قرار داد.

معمولا برای افزایش سرعت سیال و ضریب انتقال حرارت با افت فشار محدود، باید از تعداد زیادی پاس تیوب استفاده کرد و رسوب‌گیری را کاهش داد. اگر به دلایل معماری مجبور باشیم که سیال سمت تیوب را در یک سمت وارد و خارج کنیم، تعداد فرد پاس‌های تیوب اجباری است. ضخامت دیواره تیوب‌های مبدل حرارتی بر مبنای BWG تیوب‌ها استاندارد شده است.

قطرهای کوچک‌تر تیوب‌ها از نظر بالاتر رفتن دانسیته سطح به حجم ترجیح داده می‌شوند ولی از نظر تمیز‌کاری تیوب‌ها محدود به 20 میلی‌متر یا 3/4 اینج هستند. اغلب برای بویلرها، تیوب با قطرهای بزرگ‌تر مورد نیاز هستند.

تیوب‌ها ممکن است صاف باشند و یا بر روی سطح خارجی دارای فین‌های کوچکی باشند. تیوب‌های کم فین زمانی به کار می‌رند که سیال خارج تیوب‌ها دارای ضریب انتقال حرارت بسیار پایین‌تری نسبت به سیال داخل تیوب‌ها باشد.

طول تیوب‌ها بر روی هزینه و کارکرد مبدل‌های حرارتی تاثیر دارد. اصولا هرچه طول تیوب بیش‌تر باشد (با سطح مجموع مشخص)، نیاز به تیوب‌های کم‌تری خواهد بود، سوراخ‌های کم‌تری ایجاد می‌شوند، قطر شل کاهش می‌یابد و در نتیجه هزینه کم می‌شود. البته برای این قاعده عمومی، محدودیت‌های زیادی وجود دارد که با نسبت قطر شل به طول تیوب نشان داده می‌شود که باید در محدوده حدود 1/5 تا 1/15 باشد. گاهی بیش‌ترین طول تیوب به وسیله جانمایی معماری و در نهایت حمل و نقل تا 30 متر دیکته می‌شود.

 

[P O U R I A]

جانمایی تیوب

جانمایی تیوب همان‌گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، شامل زاویه بین تیوب‌ها می‌شود. جانمایی با زاویه 30 درجه منجر به بیش‌ترین دانسیته تیوب می‌شود و در نتیجه مورد استفاده قرار می‌گیرد مگر این که ملزومات دیگری دیکته شوند. به عنوان مثال برای تمیز‌کاری خارجی نیاز به فضای خالی 7 میلی‌تری است و باید از جانمایی 90 درجه‌ای یا 45 درجه‌ای استفاده کرد. گام تیوب (tube pitch) معمولا به صورتی انتخاب می‌شود که نسبت گام (حاصل تقسیم گام به قطر خارجی تیوب) بین 1.25 تا 1.5 باشد. اگر تیوب‌ها زیاد به هم نزدیک باشند، تیوب‌شیت از نظر استحکامی ضعیف می‌شود. جانمایی و محل تیوب‌ها استاندارد‌سازی شده است. تعداد تیوب‌هایی که می‌تواند در یک شل قرار بگیرد بستگی به جانمایی تیوب، قطر خارجی تیوب، سایز گام، تعداد پاس‌ها و قطر شل دارد.



نوع و هندسه بافل

بافل‌ها دارای دو وظیفه هستند: ساپورت کردن تیوب‌ها برای ایجاد صلبیت سازه‌ای و جلوگیری از لرزش و خم شدن و دوم منحرف کردن جریان برای گذر از باندل برای به دست آوردن ضریب انتقال حرارت بالاتر. بافل‌ها به دو دسته متقاطع و طولی تقسیم می‌شوند؛ به عنوان مثال پوسته F دارای بافل‌های طولی است. بافل‌های متقاطع به صورت بافل‌های صفحه‌ای (plate baffles) و میله‌ای (rod baffles) دسته‌بندی می‌شوند. پر کاربردترین انواع بافل در شکل زیر نشان داده شده‌اند.



بافل‌های تکه‌ای تکی و یا دو تایی (single and double segmental baffles) کاربرد بسیاری دارند. این بافل‌ها با کارایی بالایی جریان را برای گذر از تیوب‌ها منحرف می‌کنند. البته فضاسازی بافل‌ها باید با دقت زیادی انجام شود. فضای بهینه بین بافل‌ها چیزی بین 0.4 تا 0.6 قطر شل است و بافل با برش 25 تا 35 درصدی توصیه شده است. بافل‌های تکه‌ای سه‌تایی (triple segmental baffles) و بافل‌های no-tubes-in-window segmental در کاربرد‌های با افت فشار کم مورد استفاده قرار می‌گیرند و دارای ارزش تکه‌ای (segmental value) حدود 0.5 تا 0.3 هستند. ساختمان no-tubes-in-window تیوب‌هایی را که به صورت یکی در میان به وسیله بافل‌ها ساپورت می‌شوند را حذف و در نتیجه لرزش تیوب‌ها را حداقل می‌کنند.


بافل‌های دیسکی و رینگی (disc-and-ring) یا دوناتی (doughnut) از رینگ‌های خارجی و دیسک‌های داخلی به صورت یکی در میان تشکیل شده‌اند که جریان را به صورت شعاعی از میان میدان تیوب عبور می‌دهند و در نتیجه از جریان بای‌پس احتمالی از تیوب به پوسته جلوگیری می‌شود؛ نشانه‌هایی وجود دارد که این نوع از بافل در برابر انتقال حرارت جابه‌جایی، افت فشار موثری دارد. در حال حاضر این بافل‌ها در ایالات متحده کاربرد کمی دارند ولی در اروپا پرکاربرد هستند. نوع دیگری از بافل‌های پلیتی، بافل‌های اوریفیسی (orifice baffle) هستند که در آن‌ها سیال سمت پوسته از فضای خالی بین قطر خارجی تیوب و سوراخ بافل عبور می‌کند.


بافل‌های میله‌ای یا شبکه‌ای (grid baffles) به وسیله یک شبکه از ساپورت‌های میله‌ای یا تسمه‌ای شکل داده می‌شوند. جریان الزاما طولی است که باعث افت فشار ناچیزی می‌شود. به دلیل فضاسازی نزدیک بافل‌ها، خطر لرزش احتمالی تیوب‌ها حذف می‌وشد. این ساختمان را می‌توان در کندانسورهای عمودی یا ری‌بویلرها به خوبی مورد استفاده قرار داد.

 

[P O U R I A]

تخصیص جریان‌ها

یک تصمیم مهم باید گرفته شود که کدام‌یک از سیالات از تیوب‌ها و کدام از شل عبور کند. به صورت کلی، ملاحظات زیر مد نظر قرار می‌گیرند:
سیالی که بیش‌تر در معرض رسوب‌گذاری قرار دارد از درون تیوب‌ها عبور می‌کند زیرا تمیز‌کاری سمت تیوب ساده‌تر است، مخصوصا اگر تمیز‌کاری مکانیکی مورد نیاز باشد.
سیال پر فشارتر از درون تیوب‌ها عبور می‌کند؛ به دلیل قطر کم‌تر، تیوب‌های با ضخامت نرمال برای مقاومت در برابر فشارهای بالا موجود هستند و تنها نیاز به طراحی کانال‌های سمت تیوب و اتصالات دیگر برای مقاومت در برابر فشار بالا می‌باشد.

​

سیال خورنده باید از تیوب عبور کند، در غیر این صورت پوسته و تیوب هر دو دچار خوردگی می‌شوند. آلیاژ‌های خاصی برای مقاومت در برابر خوردگی وجود دارند که بسیار ارزان‌تر است که تیوب‌های با آلیاژ خاص فراهم کنیم تا این که تیوب و پوسته هر دو از آلیاژ‌های خاص باشند.
جریان دارای ضریب انتقال حرارت پایین‌تر از سمت پوسته می‌گذرد زیرا طراحی تیوب‌های با فین خارجی ساده‌تر است. معمولا بهتر است که جریان دارای نرخ جریان کم‌تر را در سمت پوسته قرار دهیم. در سمت شل، می‌توان با عددهای رینولدز (Reynolds number)‌ پایین‌تر به جریان توربولانس رسید.
مشکل زمانی رخ می‌دهد که ملزومات بالا با هم در تناقض باشند. در این‌جا طراح باید محاسبات اقتصادی و تجاری خود را به صورتی انجام دهد که بهترین انتخاب اقتصادی را بیابد.