اواپراتور مبدل حرارتی پوسته ولوله

اواپراتور مبدل حرارتی پوسته ولوله

تعریف و تاریخچه اواپراتور مبدل حرارتی پوسته و لوله

اواپراتور پوسته و لوله یکی از محبوب‌ترین انواع مبدل حرارتی است. مبدل حرارتی وسیله‌ای است که به منظور انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر در سیستم‌های گرمایش و سرمایش مورد استفاده قرار می‌گیرد. اواپراتور پوسته و لوله از یک مخزن استوانه‌ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. سیال در داخل لوله‌ها حرکت می‌کند و سیال دیگر بر روی لوله‌ها و درون پوسته جریان دارد. به این ترتیب، حرارت بین دو سیال منتقل می‌شود. این نوع مبدل حرارتی کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی، نفتی، گازی، برقی، هوافضا، و غذایی دارد.

اجزا اصلی اواپراتور پوسته و لوله:

پوسته (shell):

 پوسته بخش بیرونی مبدل که سیال خارجی را در خود جای می‌دهد. پوسته معمولاً از فولاد یا آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی ساخته می‌شود. پوسته دارای یک دریچه ورودی و یک دریچه خروجی برای سیال خارجی است. همچنین دارای یک دریچه تخلیه برای خالی کردن پوسته از سیال است.

لوله‌ها (tubes):

 لوله بخش درونی مبدل که سیال درونی را در خود جای می‌دهد. لوله‌ها معمولاً از فولاد یا آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و خوردگی ساخته می‌شوند ودارای یک دریچه ورودی و یک دریچه خروجی برای سیال درونی هستند. همچنین دارای یک دریچه تخلیه برای خالی کردن لوله‌ها از سیال هستند. تعداد، قطر، طول، و شکل لوله‌ها بسته به نوع و طراحی مبدل متفاوت است.

لوله‌دار (tube sheet):

 تکه‌ای از فلز که لوله‌ها به آن متصل می‌شوند. لوله‌دار دو عملکرد اصلی دارد: اول اینکه جداسازی سیال درونی و خارجی را فراهم می‌کند و دوم اینکه حمایت از لوله‌ها را انجام میدهد.

انواع جریان‌های سیال درونی وخارجی در اواپراتور پوسته و لوله:

 هم‌جهت (parallel)

دراین جریان، دو سیال از یک طرف وارد مبدل می‌شوند و از طرف دیگر خارج می‌شوند. جریان هم‌جهت ساده‌تر و ارزان‌تر از نظر طراحی و نصب است.

مخالف‌جهت (counter)

دراین جریان دو سیال از طرف‌های مقابل وارد مبدل می‌شوند و از طرف‌های مقابل خارج می‌شوند. جریان مخالف‌جهت باعث می‌شود که تفاوت دمای بین دو سیال در هر نقطه از مبدل بیشتر باشد و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری صورت بگیرد.

برای بهبود عملکرد مبدل، می‌توان از ترکیبی از جریان هم‌جهت و مخالف‌جهت استفاده کرد. این ترکیب به جریان متقاطع (cross) یا چندگذر (multi-pass) معروف است.

مزایا و معایب اواپراتور پوسته و لوله:

برخی از مزایای این نوع مبدل حرارتی عبارتند از:

قابلیت تحمل فشار و دمای بالا

قابلیت استفاده از سیال‌های مختلف با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت

قابلیت تعمیر و نگهداری آسان

قابلیت تنظیم طول و تعداد لوله‌ها برای افزایش انتقال حرارت

قابلیت انتخاب مواد مقاوم در برابر خوردگی و انبساط حرارتی برای لوله‌ها و پوسته

برخی از معایب این نوع مبدل حرارتی عبارتند از:

نیاز به فضای بیشتر نسبت به مبدل‌های حرارتی دیگر

نیاز به هزینه‌های بیشتر نسبت به مبدل‌های حرارتی دیگر

نیاز به تمیز کردن دوره‌ای لوله‌ها و پوسته از رسوبات و آلودگی‌ها

نیاز به اتصالات محکم و مهر و موم برای جلوگیری از نشتی سیال‌ها

نیاز به توجه به تنش‌های حرارتی و مکانیکی بر روی لوله‌دار و پوسته

کاربردهای اواپراتور پوسته و لوله

اواپراتور پوسته و لوله کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارد.

برخی از کاربردهای این نوع مبدل حرارتی :

خنک کردن یا گرم کردن سیال‌های مختلف در صنایع شیمیایی، نفتی، گازی، برقی، هوافضا، و غذایی

تولید بخار یا آب گرم در کشتی‌ها، کارخانه‌ها، و مراکز تولید انرژی

تصفیه آب در تصفیه‌خانه‌ها، محیط‌زیست، و صنایع آب‌میوه

تبادل حرارت بین دو فاز مختلف مانند گاز-مایع، مایع-مایع، یا جامد-مایع

استفاده به عنوان اواپراتور تبخیر، تقطیر، کندانس، یا بازیافت در فرآیندهای جداسازی و تصفیه

انواع و طبقه بندی اواپراتور های پوسته و لوله:

اواپراتور یکی از اجزای اصلی و مهم سیستم‌های تبریدی و صنعتی است که وظیفه تبادل حرارت بین دو سیال را بر عهده دارد. اواپراتور باعث می‌شود سیال مبرد (refrigerant) که از کمپرسور (compressor) به صورت گاز فشرده خارج می‌شود، با گرفتن حرارت از سیال گرم (مانند هوا، آب، محلول‌های صنعتی و غیره) تبخیر شده و به صورت گاز خنک به مبدل حرارتی (condenser) منتقل می‌شود. این فرآیند باعث خنک شدن سیال گرم و ایجاد شرایط مطلوب برای کاربرد مورد نظر می‌شود. برای مثال در یک یخچال، اواپراتور با گرفتن حرارت از هوای داخل یخچال، باعث سرد شدن آن و نگهداری مواد غذایی می‌شود.

انتخاب نوع مناسب اواپراتور برای هر کاربرد خاص، بسیار مهم و تاثیرگذار است. چرا که از عملکرد اواپراتور بستگی دارد که چقدر انرژی مصرف شده و چقدر بازدهی حاصل شود. همچنین از نوع اواپراتور بستگی دارد که چه مقدار فضا، هزینه، نگهداری و تعمیرات مورد نیاز باشد. بنابراین باید با توجه به شرایط محیطی، نوع سیالات، دما، فشار، جریان، ظرفیت، ایمنی و غیره، نوع مناسب اواپراتور را انتخاب کرد.

اواپراتور‌ها بر اساس ساختار و شکل ظاهری خود به انواع مختلفی تقسیم بندی می‌شوند. از جمله این انواع می‌توان به اواپراتور صفحه‌ای (plate evaporator)، اواپراتور لوله‌ای (tube evaporator)، اواپراتور پوسته و لوله (shell and tube evaporator)، اواپراتور فن دار (finned evaporator) و غیره اشاره کرد.

انواع اواپراتور‌های پوسته و لوله

اواپراتور پوسته و لوله تر (Shell and Tube Flooded Evaporator):

در این نوع اواپراتور، مبرد درون پوسته و سیال گرم درون کویل‌ها جاری است. مبرد به صورت مایع در پوسته قرار دارد و با تماس با کویل‌ها، حرارت را از سیال گرم می‌گیرد و تبخیر می‌شود. این نوع اواپراتور دارای بازدهی بالا و ظرفیت بزرگ است و معمولا در صنایعی که نیاز به سرمایش فرآیندی دارند، استفاده می‌شود.

اواپراتور پوسته و لوله خشک (Shell and Tube Dry Evaporator):

 در این نوع اواپراتور، مبرد درون لوله‌ها و سیال گرم درون پوسته جاری است. مبرد با گذر از لوله‌ها، حرارت را از سیال گرم می‌گیرد و تبخیر می‌شود. این نوع اواپراتور دارای ساختار ساده و نگهداری آسان است و معمولا در سیستم‌های تهویه مطبوع و چیلرهای کوچک، استفاده می‌شود.

اواپراتور پوسته و لوله تراکمی (Shell and Tube Falling Film Evaporator):

در این نوع اواپراتور، مبرد درون لوله‌ها و سیال گرم درون پوسته جاری است. مبرد به صورت فیلم نازکی روی دیواره لوله‌ها پخش می‌شود و با تماس با سیال گرم، حرارت را می‌گیرد و تبخیر می‌شود. این نوع اواپراتور دارای انتقال حرارتی بالا و مصرف انرژی کم است و معمولا در صنایعی که نیاز به تبخیر مایعات دارند، استفاده می‌شود3.

کاربردهای اواپراتور پوسته و لوله:

اواپراتور‌های پوسته و لوله به دلیل داشتن ساختار مقاوم و قابلیت تنظیم آسان، در بسیاری از صنایع و کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از این کاربردها عبارتند از:

تهویه مطبوع:

 اواپراتور‌های پوسته و لوله خشک برای خنک کردن هوای ورودی به سیستم‌های تهویه مطبوع، کاربرد دارند. این اواپراتور‌ها با گرفتن حرارت از هوا، باعث کاهش دما و رطوبت آن می‌شوند و شرایط راحتی را برای مصرف کنندگان فراهم می‌کنند.

سرمایش فرآیندی:

 اواپراتور‌های پوسته و لوله تر و تراکمی برای سرمایش سیالاتی که در فرآیندهای صنعتی مورد نیاز هستند، کاربرد دارند. این اواپراتور‌ها با گرفتن حرارت از سیالات، باعث کاهش دما و افزایش کارایی فرآیندها می‌شوند.

تبخیر مایعات:

 اواپراتور‌های پوسته و لوله تراکمی برای تبخیر مایعاتی که در صنایع مختلف مانند غذایی، دارویی، شیمیایی و غیره مورد نیاز هستند، کاربرد دارند. این اواپراتور‌ها با گرفتن حرارت از مایعات، باعث تبخیر آنها و بدست آوردن بخار خالص می‌شوند.

اجزا و ساختار اواپراتور پوسته و لوله:

اواپراتور پوسته لوله (Shell and Tube Evaporator) یکی از انواع اواپراتورها است که در صنایع مختلف برای تبخیر مایعات و تولید بخار خالص مورد استفاده قرار می‌گیرد. این اواپراتور از یک پوسته و تعدادی لوله تشکیل شده است که درون آنها دو سیال با دماهای مختلف جریان دارند. یکی از سیالات (معمولا مبرد) از درون لوله‌ها عبور کرده و با گرفتن حرارت از سیال دیگر (معمولا آب) تبخیر می‌شود. سیال دیگر از پیرامون لوله‌ها (درون پوسته) جریان دارد و با دادن حرارت به سیال اول، خنک می‌شود. این اواپراتورها در سیستم‌های تبرید، چیلرها، صنایع مواد غذایی، شیمیایی، دارویی و غیره کاربرد دارند.

اجزا اصلی اواپراتور پوسته و لوله :

پوسته (Shell):

 قسمت بیرونی اواپراتور که معمولا از جنس فولاد ضد زنگ یا آلومینیوم ساخته شده است. پوسته نقش محفظه‌ای را برای جریان سیال پیرامون لوله‌ها دارد و همچنین مانع از نشتی و تماس سیالات با محیط خارجی می‌شود.

لوله‌ها (Tubes):

 قسمت درونی اواپراتور که معمولا از جنس مس، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم یا آلیاژهای خاص ساخته شده‌اند. لوله‌ها نقش مسیری را برای جریان سیال درونی (مبرد) دارند و همچنین سطح تبادل حرارتی را افزایش می‌دهند. تعداد، قطر، طول و شکل لوله‌ها بسته به نوع و طراحی اواپراتور متفاوت است.

هدرها (Headers):

 قسمت‌هایی از اواپراتور که در دو طرف لوله‌ها قرار دارند و نقش ورودی و خروجی سیال درونی را دارند. هدرها معمولا از جنس فولاد ضد زنگ یا آلومینیوم ساخته شده‌اند و با استفاده از جوشکاری یا پیچ و مهره به پوسته و لوله‌ها متصل می‌شوند. هدرها می‌توانند از نوع ساده، دیواره‌ای، متقاطع یا متعامد باشند.

پره‌ها (Fins):

 قسمت‌هایی از اواپراتور که بر روی لوله‌ها نصب می‌شوند و نقش افزایش سطح تبادل حرارتی و بهبود عملکرد اواپراتور را دارند. پره‌ها معمولا از جنس مس، آلومینیوم یا فولاد ضد زنگ ساخته شده‌اند و با استفاده از جوشکاری، فشار یا لحیم کاری به لوله‌ها متصل می‌شوند. شکل، اندازه و فاصله پره‌ها بسته به نوع و طراحی اواپراتور متفاوت است.

بافل‌ها (Baffles):

 قسمت‌هایی از اواپراتور که درون پوسته قرار دارند و نقش هدایت کننده جریان سیال پیرامون لوله‌ها را دارند. بافل‌ها باعث می‌شوند که سیال پیرامون لوله‌ها به صورت متقاطع یا متعامد جریان داشته باشد و انتقال حرارت را بهبود بخشند. بافل‌ها معمولا از جنس فولاد ضد زنگ یا آلومینیوم ساخته شده‌اند .

طراحی و عملکرد:

طراحی و عملکرد اواپراتور پوسته لوله بستگی به نوع و شرایط سیالات، میزان انتقال حرارت مورد نیاز، فضای موجود و هزینه‌های سرمایه‌گذاری و نگهداری دارد. برای طراحی یک اواپراتور پوسته لوله، باید پارامترهایی مانند تعداد، قطر، طول، جنس و چیدمان لوله‌ها، نوع و فاصله بافل‌ها، نوع و جنس هدرها، نوع و جنس پره‌ها، نوع و جنس پوسته و نحوه اتصال قطعات را مشخص کرد. برای این منظور، معمولا از روابط ریاضی، نمودارها، جداول و نرم‌افزارهای مخصوص استفاده می‌شود.

عملکرد اواپراتور پوسته لوله بر اساس اصل تبادل حرارت بین دو سیال با دماهای مختلف است. سیالی که دمای بالاتری دارد (معمولا آب) از پیرامون لوله‌ها جریان دارد و گرمای خود را به سیالی که دمای پایین‌تری دارد (معمولا مبرد) انتقال می‌دهد. سیال گرم با دادن حرارت، خنک می‌شود و سیال سرد با گرفتن حرارت، تبخیر می‌شود. این انتقال حرارت بستگی به عواملی مانند ضریب انتقال حرارت، سطح تبادل حرارتی، تفاوت دمای میانگین لگاریتمی، جریان و خواص سیالات و مقاومت‌های حرارتی دارد.

اگر قصد خرید یا تعمیر اواپراتور مبدل حرارتی پوسته لوله را دارید ،با کارشناسان یارا مبدل در ارتباط باشید.

ارسال نظر

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.