مبدل حرارتی پوسته و لوله (shell and tube heat exchanger) یکی از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی در صنعت است که برای انتقال حرارت بین دو سیال با دماهای مختلف استفاده می شود. این مبدل ها از یک پوسته سیلندری شکل (shell) و یک دسته از لوله ها (tubes) که درون پوسته قرار دارند، تشکیل شده اند. یک سیال از داخل لوله ها عبور می کند و دیگری از بیرون لوله ها و درون پوسته جریان دارد. حرارت از سیال گرم تر به سیال سرد تر منتقل می شود.
برای ساخت یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، ابتدا باید تعداد، اندازه، جنس و طرح لوله ها را مشخص کرد. سپس باید لوله ها را به یک صفحه فلزی به نام لوله پلیت (tube sheet) متصل کرد. لوله پلیت یک صفحه مستطیلی یا دایره ای است که دارای سوراخ هایی است که لوله ها از آنها عبور می کنند. لوله ها می توانند به لوله پلیت جوش داده شوند یا با استفاده از روش های مکانیکی مانند اکسپندر (expander) یا رولر (roller) به آن متصل شوند.
بعد از اتصال لوله ها به لوله پلیت، باید یک قاب فلزی به نام هد (head) را به دو طرف لوله پلیت نصب کرد. هد ها مسیر جریان سیال داخل لوله ها را تعیین می کنند و می توانند از انواع مختلفی باشند. برای مثال، هد مستقیم (straight head)، هد انحنایی (return head)، هد متغیر (floating head) و هد U (U-tube head) از جمله انواع رایج هد ها هستند. هد ها همچنین دارای اتصالاتی هستند که سیال را به داخل و خارج لوله ها هدایت می کنند.
در مرحله بعد، باید پوسته را به یکی از هد ها متصل کرد. پوسته می تواند از جنس فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی، آلومینیوم یا سایر آلیاژها باشد. پوسته همچنین دارای اتصالاتی است که سیال را به داخل و خارج پوسته هدایت می کنند. پوسته معمولا دارای یک دریچه تخلیه (drain valve) و یک دریچه تهویه (vent valve) است که برای خالی کردن و پر کردن پوسته از سیال استفاده می شوند.
در مرحله آخر، باید تعدادی از ورق های فلزی به نام بافل (baffle) را درون پوسته قرار داد. بافل ها وظیفه دارند که جریان سیال بیرون لوله ها را به صورت متقاطع (cross flow) یا موازی (parallel flow) هدایت کنند و همچنین افزایش دهند تماس سطحی بین سیال و لوله ها. بافل ها می توانند از انواع مختلفی باشند، اما معمولا از نوع برش داده شده (segmental baffle) استفاده می شود. برش داده شده برشی از یک دایره است که به صورت متناوب درون پوسته قرار می گیرد. برش داده شده می تواند از زاویه های مختلفی باشد، اما معمولا 25 درجه یا 45 درجه است.
عملکرد یک مبدل حرارتی پوسته و لوله به چندین عامل بستگی دارد. برخی از این عوامل عبارتند از:
جهت جریان سیالات میتواند همسو (parallel) یا متقاطع (counter) باشد. در جریان همسو، سیالات از یک طرف وارد و از یک طرف خارج میشوند و دمای آنها در هر نقطه یکسان است. در جریان متقاطع، سیالات از دو طرف مخالف وارد و از دو طرف مخالف خارج میشوند و دمای آنها در هر نقطه متفاوت است. جریان متقاطع باعث میشود که اختلاف دمای بیشتری بین سیالات ایجاد شود و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری صورت بگیرد.
تعداد گذرها نشاندهنده تعداد باری است که سیال از داخل لولهها عبور میکند. برای افزایش تعداد گذرها، میتوان از پرههای عرضی استفاده کرد که سیال را در جهات مختلف هدایت میکنند. افزایش تعداد گذرها باعث میشود که مسیر جریان سیال طولانیتر شود و در نتیجه انتقال حرارت بیشتری صورت بگیرد.
ضریب انتقال حرارت نشاندهنده میزان حرارتی است که از یک سطح به سطح دیگر منتقل میشود. ضریب انتقال حرارت به عوامل مختلفی بستگی دارد مانند خواص حرارتی و جریانی سیالات، جنس و ضخامت دیوارههای لولهها، شکل و چیدمان لولهها، وجود رسوبات یا رسوبزدایی و غیره. افزایش ضریب انتقال حرارت باعث میشود که انتقال حرارت کارآمدتر شود.
ضریب افت فشار نشاندهنده میزان کاهش فشار سیال در طول مبدل حرارتی است. ضریب افت فشار به عوامل مختلفی بستگی دارد مانند سرعت و دبی جریان سیالات، شعاع و طول لولهها، تعداد و شکل پرهها، وجود موانع یا انحناها و غیره. افت فشار باعث میشود که نیاز به انرژی بیشتری برای جریان سیالات باشد و در نتیجه هزینههای بیشتری را در بردارد.
برای بررسی قیمت مبدل حرارتی پوسته و لوله، باید به چند عامل توجه کنید. این عوامل عبارتند از:
اندازه مبدل حرارتی تاثیر مستقیمی بر روی قیمت آن دارد. معمولا هر چه اندازه مبدل بزرگتر باشد، قیمت آن هم بیشتر می شود. اندازه مبدل را می توان با ابعاد پوسته و تعداد و طول لوله ها مشخص کرد.
جنس مبدل حرارتی نیز تاثیر مهمی بر روی قیمت آن دارد. معمولا هر چه جنس مبدل با کیفیت تر و مقاوم تر باشد، قیمت آن هم بالاتر می رود. جنس مبدل را می توان با نوع فلز یا آلیاژی که از آن برای ساخت پوسته، لوله ها، لوله پلیت، هد و بافل استفاده شده است، مشخص کرد.
طراحی مبدل حرارتی نیز تاثیر قابل توجهی بر روی قیمت آن دارد. معمولا هر چه طراحی مبدل پیچیده تر و خاص تر باشد، قیمت آن هم گران تر می شود. طراحی مبدل را می توان با نوع هد، نوع بافل، نوع اتصال لوله ها به لوله پلیت، نوع جریان سیال ها و زاویه برش داده شده مشخص کرد.
کیفیت مبدل حرارتی نیز تاثیر زیادی بر روی قیمت آن دارد. معمولا هر چه کیفیت مبدل بالاتر باشد، قیمت آن هم بیشتر می شود. کیفیت مبدل را می توان با استانداردهای فنی و ایمنی که برای ساخت آن رعایت شده است، مشخص کرد.
تعداد مبدل حرارتی نیز تاثیر مستقیمی بر روی قیمت آن دارد. معمولا هر چه تعداد مبدل بیشتر باشد، قیمت واحد آن کمتر می شود. این به این دلیل است که با افزایش تعداد مبدل، هزینه های تولید و حمل و نقل کاهش می یابند.
اصول کار مبدل حرارتی پوسته و لوله بر اساس قوانین ترمودینامیک (thermodynamics) قابل توصیف است. قانون اول ترمودینامیک بیان می کند که انرژی نه ایجاد می شود و نه نابود می شود، بلکه فقط تبدیل می شود. قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که انتروپی (entropy) یا درهم ریختگی یک سیستم بسته همیشه افزایش می یابد یا ثابت می ماند.
بر اساس قانون اول ترمودینامیک، می توان گفت که حرارتی که از سیال گرم تر به سیال سرد تر منتقل می شود، برابر است با تفاوت انرژی داخلی (internal energy) یا انتالپی (enthalpy) سیال ها در ورودی و خروجی مبدل است. این رابطه را می توان به صورت زیر نوشت:
Q=m˙h(hh,out−hh,in)=m˙c(hc,out−hc,in)
که در آن Q حرارت منتقل شده، m˙ جرم واحد زمان، h انتالپی و hin و hout انتالپی در ورودی و خروجی هستند. برای سیال های مایع، می توان انتالپی را با ضرب حرارت اختصاصی (specific heat) و دما (temperature) بدست آورد. برای سیال های گازی، باید از جداول ترمودینامیکی یا روابط تقریبی استفاده کرد.
بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، می توان گفت که انتروپی سیال ها در ورودی و خروجی مبدل باید برآورده شود. این رابطه را می توان به صورت زیر نوشت:
m˙h(sh,out−sh,in)=m˙c(sc,out−sc,in)+S˙gen
که در آن s انتروپی و S˙gen انتروپی تولید شده در مبدل است. انتروپی تولید شده نشان دهنده از دست رفتن انرژی قابل استفاده در مبدل است که به علت اختلاف دما و جریان سیال ها ایجاد می شود. انتروپی تولید شده همیشه مثبت یا صفر است و هر چه کمتر باشد، به معنی بازده بالاتر مبدل است.
برای ساخت یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، باید از اجزای اصلی زیر استفاده کرد:
این بخش جایی است که سیال وارد یا خارج از طرف لولهها میشود. معمولا دو سر وجود دارد: سر ثابت (stationary head) و سر شناور (floating head). سر ثابت به پوسته متصل است و سر شناور قابلیت حرکت دارد تا از تنشهای ناشی از گرماشویی جلوگیری کند.
پوسته یک محفظه سیلندری شکل است که درون آن لوله ها قرار می گیرند. پوسته می تواند از جنس فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی، آلومینیوم یا سایر آلیاژها باشد. پوسته دارای اتصالاتی است که سیال را به داخل و خارج پوسته هدایت می کنند. پوسته معمولا دارای یک دریچه تخلیه (drain valve) و یک دریچه تهویه (vent valve) است که برای خالی کردن و پر کردن پوسته از سیال استفاده می شوند.
لوله ها اجزایی هستند که سیال از داخل آنها عبور می کند. لوله ها می توانند از جنس مس، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم یا سایر آلیاژها باشند. لوله ها می توانند از انواع مختلفی باشند، مانند لوله های صاف (plain tubes)، لوله های فین دار (finned tubes)، لوله های U شکل (U-tubes) و لوله های مارپیچی (helical tubes).
لوله پولیت (Baffle) یک قطعه فلزی است که در داخل پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله قرار میگیرد. این قطعه باعث میشود که جریان سیال در پوسته به صورت متقاطع باشد و از تماس مستقیم سیال با پوسته جلوگیری کند. همچنین لوله پولیت با افزایش سرعت سیال در پوسته، انتقال حرارت را بهبود میبخشد و از لرزش لولهها جلوگیری میکند.
لوله پولیت معمولاً به صورت دایرهای، مستطیلی، هلالی یا متعرج شکل است و با فاصلههای مختلف در پوسته قرار میگیرد. نوع و تعداد لوله پولیت بستگی به طراحی مبدل حرارتی دارد.
این بخش شامل قطعاتی است که برای نگهداری و حمایت از مبدل حرارتی استفاده میشوند. مثلا میتوان از براکتها (brackets)، پایههای ایستاده (skirt supports) یا پایههای افقی (saddle supports) استفاده کرد.
اگر قصد خرید یا تعمیر مبدل حرارتی دارید، با کارشناسان یارا مبدل در ارتباط باشید.