مبدلهای حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchangers) نوعی مبدل حرارتی هستند که در آن دو سیال با دماهای متفاوت از طریق لولهها و پوستهای که آنها را در بر میگیرد با یکدیگر تبادل حرارت میکنند. یکی از سیالات از داخل لولهها عبور میکند و دیگری از خارج لولهها اما درون پوسته جریان دارد. انتقال حرارت از طریق دیوارههای لولهها صورت میگیرد. مجموعهای از لولهها را بسته لولهای (tube bundle) مینامند و
میتوانند از انواع مختلفی باشند: صاف، شیاردار، خمیده و غیره.
مبدلهای حرارتی پوسته و لوله بیشترین کاربرد را در صنایع شیمیایی و پالایشگاههای نفت دارند و برای شرایط فشار و دمای بالا مناسب هستند
این نوع مبدلهای حرارتی از طراحی ساده و نیاز به نگهداری کمی برخوردارند.
مبدلهای حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchangers) از جمله مبدلهای حرارتی رایج در صنایع مختلف هستند که با انتقال حرارت بین دو سیال با دماهای متفاوت، عملیات تبرید، گرمایش، تبخیر و مایعکنندگی را انجام میدهند. کارایی و عمر این نوع مبدلها به عوامل مختلفی بستگی دارد که در ادامه به برخی از آنها اشاره میکنیم.
طراحی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله بر اساس استانداردهای موسسه مهندسان مکانیک آمریکا (استاندارد ASME) و موسسه مهندسان شیمی (AIChE) انجام میشود. این طراحی شامل انتخاب نوع و تعداد لولهها، جنس و ضخامت مواد، شکل و ابعاد پوسته، نوع و تعداد پرهها، نوع و مکان اتصالات و محاسبه پارامترهای حرارتی و هیدرولیکی است. طراحی مناسب مبدلهای حرارتی میتواند کارایی حرارتی و هیدرولیکی آنها را افزایش دهد و عمر آنها را طولانیتر کند.
نگهداری و تعمیر مبدلهای حرارتی پوسته و لوله برای حفظ کارایی و عمر آنها اهمیت زیادی دارد. این عملیات شامل شستشو، بازرسی، تعویض قطعات فرسوده و ترمیم خرابیها است. شستشوی مبدلهای حرارتی میتواند رسوبات، آلایندهها و خوردگیهایی که در سطوح انتقال حرارت تشکیل میشوند و مقاومت حرارتی را افزایش میدهند را برطرف کند. بازرسی مبدلهای حرارتی میتواند نشتیها، ترکها، تغییر شکلها و خوردگیهایی که در لولهها، پوسته، پرهها و اتصالات وجود دارند را شناسایی کند. تعویض قطعات فرسوده و ترمیم خرابیها میتواند عملکرد مبدلهای حرارتی را بهبود بخشد و از افزایش هزینههای تعمیراتی و توقف تولید جلوگیری کند.
کنترل عوامل محیطی مانند دما، فشار، جریان، pH و خلوص سیالات ورودی و خروجی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله نیز برای حفظ کارایی و عمر آنها ضروری است. این عوامل میتوانند تأثیر مستقیم یا غیرمستقیم بر انتقال حرارت، خوردگی، رسوب، نشتی و تغییر شکل مبدلهای حرارتی داشته باشند. برای مثال، افزایش دما میتواند باعث افزایش انتقال حرارت شود، اما همچنین میتواند خوردگی را تسریع کند. کاهش فشار میتواند باعث کاهش مقاومت هیدرولیکی شود، اما همچنین میتواند نشتی را افزایش دهد. افزایش جریان میتواند باعث افزایش انتقال حرارت شود، اما همچنین میتواند تغییر شکل را تشدید کند. کنترل pH و خلوص سیالات میتواند باعث کاهش خوردگی و رسوب شود.
روشهای پیشگیری از خرابی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله را میتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد: روشهای طراحی و روشهای عملیاتی. روشهای طراحی شامل انتخاب مناسب مواد، ابعاد، شکل، و ترتیب قرارگیری اجزای مبدلها میباشد. روشهای عملیاتی شامل کنترل شرایط عملکرد، تمیز کردن منظم، بازرسی و آزمون، و تعویض و تعمیر قطعات میباشد. در ادامه، به توضیح برخی از این روشها میپردازیم.
برای پیشگیری از خرابی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، لازم است شرایط عملکرد مبدلها را در حدود مقادیر طراحی نگه داشت. این شرایط شامل: دما، فشار، جریان، و ترکیب سیالات میباشد. از افزایش یا کاهش بیش از حد این پارامترها میتواند باعث ایجاد تنش حرارتی، لرزش، نشت، و خوردگی در مبدلها شود. برای کنترل شرایط عملکرد، میتوان از ابزارهای اندازهگیری و کنترل مانند: سنسورها، ترموکوپلها، فشارسنجها، شیرهای کنترلی، و رگولاتورها استفاده کرد.
یکی از مهمترین روشهای پیشگیری از خرابی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، تمیز کردن منظم سطوح انتقال حرارت میباشد. با گذشت زمان، ممکن است رسوبات، آلایندهها، و مواد زائد در سطوح انتقال حرارت تجمع کرده و باعث کاهش رسانایی حرارتی، افزایش افت فشار، و ایجاد خوردگی شوند. برای تمیز کردن مبدلها، میتوان از روشهای مختلفی مانند: شستشوی مکانیکی، شستشوی شیمیایی، شستشوی با فشار بالا، و شستشوی با امواج فراصوت استفاده کرد. فرکانس تمیز کردن مبدلها باید بر اساس نوع و خصوصیات سیالات، شرایط عملیاتی، و استانداردهای مربوطه تعیین شود.
برای رفع خرابی مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، لازم است به صورت دورهای بازرسی و آزمون مبدلها را انجام داد. بازرسی و آزمون مبدلها میتواند به شناسایی و رفع عیوب، ارزیابی کارایی، و افزایش عمر مفید مبدلها کمک کند. برای بازرسی و آزمون مبدلها، میتوان از روشهای مختلفی مانند: آزمون فشار، آزمون نشت، آزمون رادیوگرافی، آزمون جریان القایی، آزمون اولتراسونیک، و آزمون رنگپاشی استفاده کرد. روش انتخاب شده باید بر اساس نوع و میزان خرابی، هزینه و زمان، و استانداردهای مربوطه انتخاب شود.
در صورتی که بازرسی و آزمون مبدلهای حرارتی پوسته و لوله نشان دهد که قطعاتی از مبدلها آسیب دیده یا عملکرد نامناسب دارند، لازم است آن قطعات را تعویض یا تعمیر کرد. این قطعات میتوانند شامل: لولهها، بافلها، مجراها، تیوب شیتها، و پوسته باشند. برای تعویض و تعمیر قطعات، میتوان از روشهای مختلفی مانند: جوشکاری، برشکاری، مهرهزنی، و نصب مکانیکی استفاده کرد. روش انتخاب شده باید بر اساس نوع و میزان آسیب، مواد و ابعاد قطعات، و استانداردهای مربوطه انتخاب شود.
اورهال (Overhaul) به معنای بازسازی، تعمیر و نگهداری مبدل حرارتی پوسته و لوله است که به منظور افزایش عمر مفید، بهبود کارایی و کاهش هزینههای عملیاتی انجام میشود. اورهال شامل فعالیتهایی مانند باز و بست کردن مبدل، شستشو و پاکسازی لولهها و پوسته، بازرسی و آزمونهای غیرمخرب، تعویض قطعات فرسوده و آسیبدیده و تنظیم مجدد مبدل میشود. اورهال مبدل حرارتی پوسته و لوله باید با رعایت استانداردهای مربوطه مانند TEMA1 و ASME2 انجام شود.
اورهال مبدل حرارتی پوسته و لوله دارای اهداف متعددی است که عبارتند از:
حفظ و افزایش کارایی حرارتی مبدل
کاهش مصرف انرژی و هزینههای عملیاتی
جلوگیری از خرابی و توقف ناگهانی مبدل
کاهش احتمال رسوب، آلودگی و خوردگی در لولهها و پوسته
افزایش عمر مفید و امنیت مبدل
رعایت مقررات محیط زیستی و بهداشتی
اورهال مبدل حرارتی پوسته و لوله از چند مرحله اصلی تشکیل شده است که به شرح زیر است:
مرحله اول: تهیه و بررسی مستندات مبدل
مرحله دوم: خالی کردن و تخلیه سیالات از مبدل
مرحله سوم: باز کردن قطعات مبدل و جدا کردن بخشهای مختلف آن
مرحله چهارم: شستشو و پاکسازی لولهها و پوسته با روشهای مختلف
مرحله پنجم: بازرسی و آزمونهای غیرمخرب برای بررسی وضعیت لولهها، پوسته، درزها و قطعات دیگر
مرحله ششم: تعویض قطعات فرسوده و آسیبدیده با قطعات جدید
مرحله هفتم: تنظیم مجدد مبدل و بستن آن
مرحله هشتم: آزمون فشار و بررسی نشتی مبدل
مرحله نهم: راهاندازی مجدد مبدل و انجام تنظیمات لازم
اگر قصد اورهال مبدل حرارتی پوسته و لوله را دارید، با کارشناسان یارا مبدل در ارتباط باشید.