در علم انتقال حرارت و صنایع مختلف، مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchangers) یا مبدل هوا خنک به عنوان یکی از تجهیزات بسیار حیاتی و کاربردی مورد توجه قرار می‌گیرند. این نوع مبدل‌ها به دلیل ساختار و قابلیت‌های منحصر به فرد خود، در انتقال حرارت بین دو یا چند سیال کاربرد فراوانی دارند. در این مقاله، به بررسی عملکرد، اجزای سازنده و کاربردهای مختلف مبدل حرارتی پوسته و لوله خواهیم پرداخت.
مطالعه بیشتر| فین تیوب
مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟
مبدل حرارتی شل و لوله یا Shell and Tube، اولین‌بار در دهة ۱۹۷۰ میلادی توسط مهندسان چارلز بوردمن و جان گرمر برای استفاده در صنایع هسته‌ای طراحی و ساخته شد. این مبدل‌های حرارتی به منظور تبادل حرارت بین سدیم به عنوان یک سیال خنک‌کننده برای پلوتونیوم در رآکتور فلزات مایع استفاده می‌شدند. این تجهیزات به دلیل کاربرد در صنعت هسته‌ای و نیاز به انتقال حرارت در شرایط سخت، اهمیت بالایی داشتند و از طراحی‌های پیشرفته‌ای برخوردار بودند.
در این مبدل‌ها، یکی از سیال‌ها از داخل لوله‌ها عبور می‌کند در حالی که سیال دیگر درون پوسته اطراف لوله‌ها جریان دارد. انتقال حرارت در این مبدل‌ها از طریق دیواره لوله‌ها صورت می‌گیرد که این فرایند می‌تواند برای خنک کردن یا گرم کردن سیال‌ها استفاده شود.
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله به دلیل انعطاف‌پذیری، کارایی بالا و توانایی کاربرد در شرایط مختلف، در صنایع مختلفی از جمله صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، برق، شیمیایی و غیره به طور گسترده استفاده می‌شوند. این مبدل‌ها می‌توانند در انتقال حرارت در فرایندهای تولیدی و صنعتی از جمله تأمین گرما یا خنکای سیال‌ها، تبدیل انرژی در نیروگاه‌ها و سایر فعالیت‌های مشابه نقش کلیدی داشته باشند.
مشخصات و ویژگی‌های مبدل حرارتی پوسته و لوله
مبدل حرارتی پوسته و لوله، به دلیل انعطاف‌پذیری و انطباق قابل توجه با شرایط مختلف، یکی از محبوب‌ترین انواع مبدل‌های حرارتی محسوب می‌شود. در این نوع مبدل، دو سیال با دماهای متفاوت وارد مبدل می‌شوند؛ یکی وارد پوسته یا شل شده و دیگری از طریق لوله‌ها عبور می‌کند. گرما از یک سیال به سیال دیگر با دیواره لوله‌ها منتقل می‌شود و انتقال حرارت از این طریق صورت می‌گیرد.
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله صنایع برودتی، شیمیایی، انرژی، نیروگاهی، پتروشیمی و هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. اجزای این مبدل‌ها شامل یک پوسته (شل) که در داخل آن باندلی از لوله‌ها قرار دارند است. لوله‌های استفاده شده می‌توانند از جنس‌های مختلفی مانند کربن استیل، استنلس استیل ۳۰۴ و ۳۱۶، مس، نیکل و آلومینیوم باشند.
مهم‌ترین اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟
اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله که به نام انگلیسی Shell and Tube Heat Exchangers نیز شناخته می‌شوند، دارای اقسام مختلفی است که بر اساس نیاز و نوع سیال مورد استفاده در آنها، انتخاب و طراحی می‌شوند.
در ادامه به معرفی اجزای اصلی این نوع مبدل حرارتی خواهیم پرداخت. این اجزا با هم ترکیب شده و به دلیل ویژگی‌های خاص خود، انتقال حرارت بین دو سیال را ممکن می‌سازند.
اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله | توضیحات |
پوسته یا شل | این بخش از مبدل حرارتی از لوله‌ها یا از ورق‌های فلزی ساخته می‌شود که بسته به ابعاد مبدل، از فولاد با درصد کربن پایین یا از سایر مواد استفاده می‌شود. |
هدرها | هدر مبدل دو سری است و باید بر اساس نوع کاربرد مبدل انتخاب شود. این هدرها قابلیت باز شدن دارند تا دسترسی به لوله‌ها فراهم شود. |
لوله‌ها | لوله‌های مبدل می‌توانند از انواع مختلفی باشند، از جمله بدون درز یا درزدار و از جنس‌های مختلفی مانند کربن استیل، استنلس استیل، تیتانیوم، نیکل کروم، مس و آلومینیوم ساخته شوند. |
تیوب شیت | این بخش از ورق فلزی با سوراخ‌هایی برای جای‌گذاری لوله‌ها ساخته می‌شود و به صورت ثابت لوله‌ها را در مکان خود نگه می‌دارد. |
بفل‌ها | بفل‌ها سه نقش اصلی دارند و شامل ساپورت لوله‌ها، حفظ فاصله لوله‌ها در باندل و هدایت سیال درون پوسته هستند. |
انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله
تقسیم‌بندی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله بر اساس معیارهای مختلف صورت می‌گیرد که یکی از مهم‌ترین آنها استفاده از استانداردهای TEMA است. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که بر اساس کلاس‌ها و محیط‌های مورد استفاده طبقه‌بندی می‌شوند. کلاس‌های R، C، B از جمله مهم‌ترین این گروه‌ها هستند که هر یک ویژگی‌ها و کاربردهای خاصی دارند.
به‌عنوان مثال، مبدل‌های کلاس R بیشتر در صنایع پالایشگاهی نفت و گاز استفاده می‌شوند؛ درحالی‌که مبدل‌های کلاس B برای پروژه‌های شیمیایی مناسب‌اند. علاوه بر این، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله در تقسیم‌بندی دیگری بر اساس هدر یا درپوش نیز دسته‌بندی می‌شوند که این تقسیم‌بندی نیز به تعداد زیادی زیربخش متنوع و گوناگون منجر می‌شود.
مبدل تیوب شیت ثابت (Fixed tubesheet exchangers)
در دسته‌بندی مبدل‌های تیوب شیت ثابت که در کلاس‌های L، M و N قرار می‌گیرند، لوله‌های سیال روی یک صفحه به نام تیوب شیت ثابت نصب می‌شوند. از جمله ویژگی‌های بارز این نوع مبدل‌ها، مقرون‌به‌صرفه بودن و سادگی در ساخت و طراحی آنها در زمان کوتاه است که این ویژگی‌ها آنها را به گزینه‌های محبوب در گروه مبدل‌های پالس تبدیل کرده است.
به عبارت دیگر، در طراحی و ساخت مبدل حرارتی یا برج خنک کننده با تیوب شیت ثابت از لوله‌های مستقیم و بدون اتصال استفاده می‌شود که به طور مکانیکی تمیز شده و خواصی همچون عدم وجود نشت در آنها تضمین می‌شود.
مبدل حرارتی U شکل
در مبدل‌های حرارتی با لوله‌های U شکل، برای افزایش تماس سیال درون لوله‌ها با سیال داخل پوسته از لوله‌هایی با شکل U استفاده می‌شود که امکان تمیز کردن آنها به صورت مکانیکی وجود ندارد. قیمت این نوع مبدل حرارتی در رده ارزان‌ترین‌ها قرار دارد و خرید آن به طور کلی مقرون‌به‌صرفه خواهد بود.
مبدل شیت شناور
در مبدل‌های حرارتی شیت شناور که در کلاس‌های W، T، S و P قرار دارند، قسمت انتهایی مبدل به پوسته جوش داده نمی‌شود. در قسمت جلوی مبدل، شیت لوله‌ها که قطر بزرگ‌تری دارد، به پوسته جوش داده می‌شود. از جمله ویژگی‌های برجسته این نوع مبدل‌های حرارتی می‌توان به مقاومت بالا در برابر انبساط حرارتی و قابلیت تمیز کردن آسان آنها اشاره کرد.
سخن پایانی
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله به عنوان یکی از اصلی‌ترین تجهیزات در انتقال حرارت در صنایع مختلف، اهمیت بسیاری دارند. این مبدل‌ها به دلیل ساختار پویای خود، قابلیت انتقال حرارت بین دو سیال را با کارایی بالا ارائه می‌دهند. با توجه به انعطاف‌پذیری و تنوع در طراحی، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله قادر به پاسخگویی به نیازهای مختلف صنایع هستند.
هم اکنون می‌توانید بهترین لوله‌های فین دار یا انواع پروفیل را با کیفیت بسیار مطلوب و با قیمت استثنایی از مجموعه آروین تاو تهیه کنید. جهت کسب اطلاعات بیشتر با کادر متخصص و توانمند این مجموعه در تماس باشید.