مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

الفمبدل حرارتی پوسته و لولهیک کلاس از مخازن تحت فشار صنعتی است که برای انتقال انرژی حرارتی بین دو سیال بدون اجازه مخلوط شدن آنها طراحی شده است. این رایج‌ترین نوع مبدل حرارتی است که در پالایشگاه‌های نفت، فرآیندهای شیمیایی بزرگ و تأسیسات تولید برق به دلیل طراحی قوی و توانایی تحمل فشار و دماهای شدید مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طراحی اساسی دقیقاً همانطور که از نام آن پیداست است: یک مخزن تحت فشار بیرونی بزرگ (پوسته) شامل بسته ای از لوله های کوچکتر است (لوله ها). یک سیال از داخل لوله ها جریان می یابد، در حالی که سیال دوم از بیرون لوله ها در داخل پوسته جریان می یابد و گرما را از طریق دیواره های لوله رسانای حرارتی منتقل می کند.

1. آناتومی مبدل

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله بسیار قابل تنظیم است، اما همه طرح ها بر چهار جزء مکانیکی حیاتی متکی هستند:

• بسته لوله:سطح انتقال حرارت هسته لوله ها معمولاً از فلزات بسیار رسانا و مقاوم در برابر خوردگی (مانند تیتانیوم، آلیاژهای مس یا فولاد ضد زنگ) ساخته می شوند.

• پوسته:سیلندر بیرونی که حاوی سیال دوم است. برای مقاومت در برابر فشار داخلی سیستم طراحی شده است و اغلب برای جلوگیری از تلفات حرارتی به محیط عایق بندی شده است.

• ورق لوله:صفحات فلزی ضخیم با سوراخ هایی برای پذیرش لوله ها سوراخ شده اند. لوله ها منبسط یا به این ورق ها جوش داده می شوند تا یک مهر و موم ضد نشتی ایجاد کنند که سیال سمت پوسته را از سیال سمت لوله جدا می کند.

• بافل ها:صفحات داخلی نصب شده در داخل پوسته. آنها دو هدف حیاتی دارند: حمایت از لوله‌های بلند برای جلوگیری از ارتعاش، و وادار کردن سیال سمت پوسته به جریان در یک الگوی زیگزاگی در سراسر بسته لوله، که باعث ایجاد تلاطم و انتقال حرارت به حداکثر می‌شود.

2. ترمودینامیک: انتقال حرارت و LMTD

اندازه و کارایی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله توسط معادله اصلی انتقال حرارت کنترل می شود:

درک LMTD

از آنجایی که دمای هر دو سیال با عبور از مبدل تغییر می کند، اختلاف دمای بین آنها ثابت نیست. مهندسان ازگزارش تفاوت میانگین دما (LMTD)برای محاسبه میانگین واقعی نیروی محرکه برای انتقال حرارت.

LMTD تعاملی و ماشین حساب سطح

برای درک اینکه دمای سیال چگونه اندازه فیزیکی مبدل حرارتی را تعیین می کند، از شبیه ساز زیر استفاده کنید. دمای ورودی و خروجی جریان های سرد و گرم خود را به همراه بار حرارتی مورد نظر خود تنظیم کنید تا LMTD و مساحت سطح مورد نیاز را محاسبه کنید.دلار A$).

3. تنظیمات جریان: چرا "Multi-Pass"؟

در حالی که ویجت بالا یک گذر را فرض می کند، مبدل های حرارتی پوسته و لوله صنعتی به ندرت به این سادگی هستند. آنها بر اساس تعداد دفعات عبور سیال از طول مبدل طبقه بندی می شوند.

• مبدل 1-1 (یک گذر):مایع در یک سر لوله ها می رود و از سر دیگر خارج می شود. سیال پوسته هم همین کار را می کند.

• مبدل 1-2 (لوله دو پاس):مایع لوله وارد می شود، نیمی از لوله ها را پایین می آورد، به یک خم U (یا هدر برگشتی) برخورد می کند و به سمت پایین نیمه دیگر لوله ها حرکت می کند. این امر سرعت سیال را دو برابر می کند و ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد ($ U$، اگرچه به قدرت پمپاژ بیشتری نیاز دارد.

• چند گذر (به عنوان مثال، 2-4 مبدل):برای وظایف صنعتی عظیم برای به حداکثر رساندن تلاطم و راندمان حرارتی در یک ردپای فیزیکی کوچکتر استفاده می شود.

4. مبدل های حرارتی پوسته و لوله در مقابل صفحه

هنگام تعیین تجهیزات، جایگزین اصلی برای طراحی پوسته و لوله، مبدل حرارتی صفحه ای (PHE) است.

5. سوالات متداول (سؤالات متداول)

TEMA چیست؟

TEMA مخففانجمن تولیدکنندگان مبدل لوله ای. این استاندارد جهانی است که طراحی مکانیکی، تلورانس ها و نامگذاری (به عنوان مثال، انواع BEM، AEL، NEN) مبدل های حرارتی پوسته و لوله را دیکته می کند.

"فولینگ" در مبدل حرارتی چیست؟

رسوب انباشته شدن خاک، رسوب یا رشد بیولوژیکی روی سطوح انتقال حرارت است. از آنجایی که تمیز کردن پوسته مبدل پوسته و لوله از نظر مکانیکی بسیار دشوار است، مهندسان همیشه "کثیف ترین" یا خورنده ترین سیال را از طریق آن عبور می دهند.داخللوله ها را می توان با لنج های آب پرفشار تمیز کرد.

چرا بافل ها با زاویه بریده می شوند؟

بافل ها دیسک های جامد نیستند. معمولاً 20 تا 30 درصد «برش» دارند (مانند نیمه ماه). این امر سیال سمت پوسته را وادار می کند تا به صورت عمودی به سمت بالا و پایین در سراسر بسته لوله جریان یابد و "مناطق مرده" راکد را به حداقل برساند و اختلاط آشفته مورد نیاز برای انتقال حرارت بهینه را به حداکثر برساند.