مبدل حرارتی شل اند تیوب چیست و چه کاربردی دارد؟

مبدل‌های حرارتی نقشی بسیار مهم و حیاتی را در صنایع مختلف بازی می‌کنند. این مبدل‌ها به تنهایی می‌توانند مصرف سوخت، میزان هزینه‌ها و حتی ردپای کربن را به شدت کاهش دهند و به همین دلایل است که آن‌ها به بخشی جدایی ناپذیر از هر کارخانه تولیدی تبدیل شده‌اند. طراحی پوسته و لوله یکی از رایج‌ترین انواع مبدل‌های مورد استفاده در انتقال حرارت است و معمولاً در مواردی استفاده می‌شود که یک فرآیند به مقادیر زیادی سیال برای گرم کردن یا خنک شدن نیاز دارد. استفاده و ساخت مبدل شل اند تیوب کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد و در دستگاه‌های صنعتی تبریدی، صنایع تولید برق و انواع دستگاه‌های تهویه مطبوع به‌کار گرفته می‌شود. برای آشنایی بیشتر این نوع مبدل در ادامه با تهویه آسمان همراه باشید.

مبدل شل اند تیوب چیست؟

مبدل حرارتی شل اند تیوب (Shell and tube) یا مبدل حرارتی لوله و پوسته، همان‌گونه که از نامش بر می‌آید، یک نوع مبدل حرارتی است که در ساختار آن از چندین لوله که در درون یک پوسته خارجی جای گرفته‌اند، استفاده شده است. این مبدل‌ها وظیفه انتقال گرما از یک مایع سیال به سیال دیگر را برعهده دارند.

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله دارای طراحی ساده، ویژگی‌های قوی و هزینه‌های خرید و نگهداری نسبتاً پایین هستند. آن‌ها همچنین دارای سرعت انتقال حرارت بسیار بالایی هستند اگرچه به فضای بیشتری نسبت به مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای با ظرفیت تبادل حرارتی مشابه نیاز دارند.

روش کار این مبدل حرارتی به شکلی است که جریال سیال گرم وارد لوله‌ها شده و پس از عبور از آن‌ها و در تماس با سیال سرد درون پوسته، گرمای خود را از دست داده و از سمت دیگر لوله‌ها خارج می‌شود. البته لازم به ذکر است که این چرخه قابل تبدیل و جایگزینی است و می‌توان جریان ورودی و خروجی سیال به آن را معکوس کرد.

اما چرا برای این نوع مبدل، نام شل اند تیوب یا پوسته و لوله را انتخاب کرده‌اند؟ این نوع از مبدل‌ها از دسته‌ای از لوله‌ها (تیوب) که درون یک پوسته (شل) سیلندری شکل جاسازی شده‌اند، تشکیل شده است و به همین دلیل از این نام برای این دسته از مبدل‌ها استفاده می‌کنند. یک سیال از داخل تیوب‌ها و سیال دیگر هم از اطراف تیوب‌ها (داخل پوسته) جریان پیدا کرده و بر اثر اختلاف دمای میان آن دو ، حرارت از یک سیال به سیال دیگر و از طریق دیواره تیوب‌ها منتقل می‌شود.

تغییرات زیادی می‌تواند در طراحی پوسته و لوله وجود داشته باشد. به‌طور معمول، انتهای هر لوله از طریق سوراخ‌هایی در صفحات لوله به پلنوم‌ها (که گاهی به آن جعبه آب گفته می‌شود) متصل می‌شوند. لوله‌ها ممکن است مستقیم یا خمیده به شکل U باشند که به آن‌ها لوله U می‌گویند.

تاریخچه مبدل حرارتی شل اند تیوب

مبدل‌های حرارتی می‌توانند بر راندمان کلی کارخانه‌ها تأثیر بگذارند و با رشد صنایع، نیاز به مبدل‌های حرارتی کارآمدتر و بهبودیافته‌تر در حال افزایش است. به این ترتیب، ضروری است که ما در مورد تاریخچه این دستگاه‌ها و چگونگی پیشرفت آن‌ها در طول سالیان متمادی، بیشتر بیاموزیم. تاریخچه ثبت شده مبدل های حرارتی را می‌توان در حدود دهه 1880 ردیابی کرد که کاربردهای اصلی آن‌ها در صنایع غذایی و نوشیدنی بود. اولین ثبت اختراع انجام شده، برای مبدل حرارتی صفحه‌ای در سال 1878 به آلبرشت دراک (Albrecht Dracke) آلمانی اعطا شد. با این حال، اولین نمونه‌های مدرن و تجاری مبدل‌های حرارتی در اوایل دهه 1900 مشاهده شد.

نیم قرن بعد نوبت به مبدل‌های حرارتی شل اند تیوب رسید. شرکت Babcock and Wilcox با مخترع خود با نام یوهانس اچ آمون (Johannes H Ammon) در 17 مارس 1955 حق اختراع را برای مبدل حرارتی پوسته و لوله ثبت کرد. این اختراع تقریباً یک دهه بعد در 2 فوریه 1965 اعطا شد و در 2 فوریه 1982 نیز منقضی شد.

انواع مبدل شل اند تیوب

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله یکی از محبوب‌ترین انواع مبدل‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری طراحی برای ایجاد طیف وسیعی از فشارها و دماها هستند. دو دسته اصلی مبدل‌های شل اند تیوب وجود دارد:

1. آنهایی که در صنعت پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند و معمولاً تحت پوشش استانداردهای TEMA، انجمن تولیدکنندگان مبدل لوله‌ای قرار می‌گیرند.
2. آنهایی که در صنعت برق استفاده می‌شوند مانند کندانسور نیروگاهی.

مبدل‌های حرارتی در اشکال و اندازه‌های مختلف موجود هستند. برای آسان‌تر کردن طبقه‌بندی مبدل‌های حرارتی، آن‌ها اغلب بر اساس طراحی و ویژگی‌های عملیاتی به گروه‌هایی تقسیم می‌شوند. یکی از این ویژگی‌ها نوع جریان است. سه نوع جریان اصلی وجود دارد که عبارتند از:

1. جریان موازی یا parallel
2. جریان متضاد یا counter
3. جریان متقاطع یا cross

با توجه به ملاحظات طراحی و کاربرد مبدل‌های حرارتی، به ندرت پیش می‌آید که مبدل حرارتی تنها یکی از این انواع جریان باشد، معمولاً آن‌ها ترکیبی از چندین نوع جریان هستند.

جریان موازی زمانی اتفاق می‌افتد که هر دو محیط سمت پوسته و سمت لوله از همان انتهای مبدل حرارتی وارد مبدل حرارتی شده و به سمت مخالف مبدل جریان می‌یابند. تغییر دما (دلتا T/ΔT) در دو محیط برای هر دو برابر است، یعنی هر دو به میزان معینی افزایش یا کاهش می‌یابند. توجه داشته باشید که دمای خروجی برای هر دو محیط تمایل به همگرایی دارد و سرد کردن زیر این نقطه ممکن نیست حتی اگر دمای ورودی سیال سردتر از دمای همگرایی کمتر باشد.

مبدل‌های حرارتی متضاد (همچنین به عنوان جریان مخالف شناخته می‌شوند) دارای دو محیط جریان هستند که در جهت مخالف (با فاصله 180 درجه) از یکدیگر جریان دارند. هر محیط جاری در دو طرف مقابل وارد مبدل حرارتی می‌شود و در انتهای مخالف تخلیه می‌شود. از آنجایی که محیط خنک‌تر از مبدل حرارتی جریان مخالف در انتهایی که محیط داغ وارد مبدل حرارتی می‌شود، خارج می‌شود، سیال خنک‌تر به دمای ورودی سیال داغ نزدیک می‌شود. این باعث می شود پتانسیل دلتا T بسیار بیشتر از یک مبدل حرارتی جریان موازی باشد. مبدل‌های حرارتی متضاد، کارآمدترین نوع مبدل حرارتی هستند.

مبدل‌های حرارتی با جریان متقاطع دارای یک جریان هستند که عمود بر دیگری (در 90 درجه) جریان دارد. مبدل‌های حرارتی جریان متقاطع معمولاً در کاربردهایی یافت می‌شوند که یکی از سیالات تغییر حالت می‌دهد (جریان 2 فاز). به عنوان مثال، کندانسور سیستم بخار، که در آن بخار خروجی از توربین وارد پوسته کندانسور می‌شود و آب خنکی که در لوله‌ها جریان دارد، گرمای بخار را جذب کرده و آن را تبدیل به آب متراکم می‌کند. حجم زیادی از بخار ممکن است با استفاده از این نوع جریان مبدل حرارتی متراکم شود.

مبدل حرارتی شل اند تیوب تک و چند پاس

یک راه مقرون به صرفه و کارآمد برای افزایش کارایی مبدل‌های حرارتی این است که سیال‌های جاری را چندین بار در تماس با یکدیگر قرار دهید. هر بار که یک سیال از روی دیگری عبور می‌کند، گرما مبادله می‌شود. هنگامی که یک سیال جاری تنها یک بار از روی دیگری عبور می‌کند، به آن مبدل حرارتی “تک پاس” می‌گویند. منظور از تعداد پاس، تعداد رفت و برگشت‌های سیال جاری در لوله‌ها است.

هنگامی که یک سیال جاری بیش از یک بار از روی دیگری عبور می‌‎کند، به آن مبدل حرارتی “چند پاس” می‌گویند.

مبدل حرارتی شل اند تیوب چند پاس در لوله‌ها

معمولاً مبدل حرارتی چند گذری با استفاده از یک یا چند مجموعه خمش “U” در لوله‌ها جریان را در لوله‌ها معکوس می‌کند. خم‌های “U” به سیال اجازه می‌دهد تا در طول مبدل حرارتی به جلو و عقب جریان یابد. این نوع مبدل حرارتی به مبدل حرارتی پوسته و لوله U-tube معروف است. همچنین می‌توان جریان را از طریق لوله‌ها با استفاده از سمت پایین یا بالای دسته لوله برای یک عبور و از سمت مخالف برای عبور بعدی معکوس کرد. بنابراین هر نیمه از یک دسته لوله معادل یک پاس است.

مبدل حرارتی شل اند تیوب چند پاس در پوسته

روش دوم برای دستیابی به گذرهای متعدد، قرار دادن بافل در سمت پوسته مبدل حرارتی است. اینها سیال سمت پوسته را به جلو و عقب در سراسر لوله‌ها هدایت می‌کنند تا به اثر چند پاسی دست یابند.

اجزای مبدل شل اند تیوب

مبدل پوسته و لوله از چندین جزء تشکیل شده است که عبارتند از:

1. پوسته

لوله‌ها، بافل‌ها و میله‌های اتصال همگی در داخل پوسته قرار دارند. این ساختار پوسته و لوله است که نام این نوع مبدل حرارتی را تشکیل می‌دهد.

2. لوله‌ها

یکی از سیال‌ها مستقیماً از طریق لوله‌ها جریان می‌یابد در حالی که دیگری به صورت متلاطم در خارج از آن جریان دارد. گرما بین دو محیط به دلیل مجاورت مبادله می‌شود.

3. بافل

درون پوسته صفحاتی به نام بافل (baffle) به عنوان صفحات هدایت کننده جریان سیال، قرار می‌گیرد تا در سیال جاری درون پوسته، جریان مغشوش به وجود آید و راندمان انتقال حرارت را به حداکثر خود برساند.

4. محفظه پوسته

محفظه پوسته به عنوان یک قطعه ساختاری قوی عمل می‌کند که قطعات دیگر را می‌توان به آن متصل کرد.

5. واشر

یک واشر بین دو سطح فلزی قرار می‌گیرد. واشر معمولاً از کاغذ یا لاستیک ساخته شده و بین فلزات فشرده می‌شود تا مهر و موم ایجاد کند. آب‌بندی با استفاده از واشر از نشتی جلوگیری می‌کند.

6. پیچ و مهره

مهره‌ها و پیچ‌ها برای محکم کردن قطعات مبدل حرارتی استفاده می‌شود. پیچ‌های انتخابی باید دارای استحکام کششی مناسب و ویژگی‌های مقاومت در برابر خوردگی باشند.

7. میله‌های اتصال

میله‌های اتصال به عنوان راهنما برای بافل‌ها استفاده می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که هیچ حرکت چرخشی یا محوری در بافل‌ها رخ نمی‌دهد.

مزایا و معایب مبدل های حرارتی پوسته و لوله

مزایا

• ارزان‌تر در مقایسه با مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای.
• طراحی نسبتاً ساده و نگهداری آسان.
• مناسب برای فشارها و دماهای بالاتر نسبت به مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای.
• افت فشار (مثل P/ΔP) کمتر از یک مبدل حرارتی صفحه‌ای است.
• پیدا کردن و جداسازی لوله‌های نشتی آسان است.
• لوله‌ها می‌توانند “دو جداره” باشند تا احتمال نشت مایع سمت پوسته به سیال سمت لوله کاهش یابد (یا برعکس).
• به راحتی مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای، رسوب نمی‌کند.

معایب

• کارایی کمتر از مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای.
• برای باز کردن و برداشتن لوله‌ها به فضای بیشتری نیاز است.
• ظرفیت خنک کننده را نمی‌توان افزایش داد، اما در یک مبدل حرارتی صفحه‌ای می‌تواند افزایش یابد.

کاربرد مبدل حرارتی شل اند تیوب در آکومولاتور

آکومولاتور، قطعه‌ای است که از ورود مایع به کمپرسور جلوگیری به عمل می‌آورد. در سیستم‌هایی که براساس سیکل تبرید کار می‌کنند مانند چیلر، از ترکیب آکومولاتور و مبدل حرارتی، برای بالا بردن راندمان سیکل تبرید استفاده می‌شود. این قطعۀ استوانه‌ای شکل نه‌تنها این اطمینان را حاصل می‌کند که هیچ مایع مبردی وارد کمپرسور نمی‌شود، بلکه باعث کاهش دمای مایع خروجی از کندانسور نیز می‌شود. یکی از کاربردهای مبدل حرارتی شل اند تیوب در آکومولاتور برای انجام این وظیفه است.

پرسش و پاسخ