طراحی مبدل های حرارتی صنعتی با ASPEN B-JAC

//طراحی مبدل های حرارتی صنعتی با ASPEN B-JAC

طراحی مبدل های حرارتی صنعتی با ASPEN B-JAC

پشگفتار

امروزه استفاده از کامپیوتر به عنوان جزئی جدا نشدنی از علوم مهندسی مطرح می باشد.طراحی و ارزیابی واحدهای تولیدی و طراحی تجهیزات فرآیندی،بدون استفاده از کامپیوتر،با توجه به پیچیدگی روز افزون فرآیندهای تولیدی،همچنین دامنه محدود تجارب واطلاعات فردی،امری غیرممکن است. کاربرد نرم افزارهای کامپیوتری در زمینه های مهندسی فرآیند به ویژه صنایع نفت،گاز،پتروشیمی،صنایع دارویی و معدنی،بیش از گذشته اهمیت یافته و تسلط بر این نرم افزارها به عنوان یکی از مهارت های اساسی هر مهندس طراح به شمار می رود.

1-1-آشنایی با مفاهیم انتقال حرارت

به ساده ترین عبارت،فلسفه انتقال حرارت تنها منحصر به دو چیز می شود: دما و شار گرما. در واقع دما بیانگر میزان انرژی گرمایی موجود و شار یا جریان گرما بیانگر حرکت انرژی گرمایی از یک مکان به مکان دیگر است. مکانیزم های انتقال حرارت را می توان در سه گروه زیر تقسیم بندی کرد.

1-1-1-انتقال حرارت به روش هدایت

هدایت حرارتی در واقع انتقال انرژی به ذرات کم انرژی در یک ماده می باشد.معادله نرخ انتقال حرارت از طریق هدایت، قانون فوریه نام دارد به صورت زیر بیان می شود:

(Q=-KA(dt/dx

که در آن:
Q=شدت جریان گرما بر حسب وات
K=ضریب هدایت حرارتی بر حسب (W\m.k)،صیتی از ماده است که معرف قابلیت آن ماده در عبوردادن انرژی است.
A=سطح عمود بر جهت انتقال حرارت
dt/dx=اختلاف دما در جهت x است.

1-1-2-انتقال حرارت به روش جابجایی

انتقال حرارت از نوع جابجایی شامل دو مکانسیم است:

  • انتقال انرژی به واسطه حرکت تصادفی مولکولی
  • انتقال انرژی توسط حرکت توده سیال

معمولا از لغت جابجایی هنگامی استفاده می شود که مجموع دو مکانیزم فوق مد نظر باشد.
رابطه انتقال حرارت از طریق جابجایی به قانون سرمایش نیوتن معروف است که به صورت زیر بیان می شود:

(Q=hA(ts-tfluid

h=ضریب انتقال حرارت جابجایی بر حسب (W\m2.K)، معرف میزان انتقال انرژی بواسطه حرکت سیال.
به طور کلی دو عامل دارای بیشترین تاثیر بر روی مقدار h هستند. یکی از این عوامل دما است. صرفنظر از حالت ماده (مایع، گاز)، با افزایش دما میزان h اضافه می شود. در شرایط یکسان ضریب انتقال حرارت جابجایی در مایعات بیش از گازها می باشد. عامل موثر دیگر نوع جریان است.

در جریان آرام عمل انتقال حرارت توسط حرکت منظم مولکول های تشکیل دهنده سیال صورت می گیرد، در صورتیکه در جریان در هم عمل انتقال حرارت توسط حرکت نامنظم و گردابی مولکول ها و بسته های تشکیل دهنده سیال صورت می گیرد. بنابراین عمل انتقال حرارت در جریان درهم سریعتر صورت گرفته و این بدان معناست که ضریب انتقال حرارت جابجایی در جریان درهم بزرگتر از ضریب انتقال حرارت جابجایی در جریان آرام است.

1-1-3-انتقال حرارت به روش تشعشع

تشعشع حرارتی به نوعی انرژی گفته می شود که از ماده ای با دمای معین ساطع می شود. به طور کلی صدور انرژی به تغییرات الکترونی اتم ها و ملکول های سازنده یک ماده بستگی دارد.

1-2-مفاهیم جوشش و میعان

جوشش و میعان در واقع فرآیندهای جابجایی همراه با تغییر فاز یک سیال هستند. دراین موارد اثرات گرمای نهان که هنگام تغییرفاز ظاهر می شود حائز اهمیت است. تغییر فاز از حالت مایع به بخار در خلال جوشش همراه با انتقال حرارت از سطح جامد است، برعکس میعان از حالت بخار به مایع منجر به انتقال حرارت به سطح جامد می شود.
چون جوشش و میعان شامل حرکت سیال اند، لذا به عنوان نوعی از انتقال حرارت جابجایی طبقه بندی شده اند، ولی ویژگی های خاص خود را دارند. چون تغییر فاز انجام میگیرد انتقال حرارت به (از) سیال، بدون تغییر دما رخ می دهد.
در حقیقت با جوشش و میعان می توان در ازای اختلاف دمای کم، به نرخ انتقال حرارت زیادی دست یافت.علاوه بر گرمای نهان hfg، دو پارامتر دیگر در این نوع فرآیند ها مهم اند:

  • کشش سطحی ،بین سطح مشترک مایع-بخار
  • اختلاف چگالی بین دو فاز (این اختلاف چگالی نیروی غوطه وری را به وجود می آورد که متناسب با g(p1-pv) است.به علت اثرات نیروی غوطه وری و گرمای نهان،ضرایب انتقال حرارت جوشش ومیعان و نرخ انتقال حرارت مربوط به آن به مراتب بزرگتر از مقادیر مربوط به جابجایی بدون تغییر فاز است.)
1-2-1-جوشش

تبخیر در سطح مشترک جامد- مایع را اصطلاحا جوشش می نامند.این فرآیند وقتی رخ می دهد که دمای سطح Ts از دمای اشباع Tsat مربوط به فشار مایع تجاوز کند.گرما از سطح جامد به مایع منتقل می شود در این حالت شکل مناسب قانون سرمایش نیوتن به صورت زیر است :

q”s=h(Ts-Tsat)=h∆Te

که درآن Te=Ts-Tsat∆  دمای مازاد نامیده می شود.این فرآیند همراه با تشکیل حباب های بخار بر روی سطح است که رشد کرده و از آن جدا می شوند. رشد و دینامیک حباب بخار بهطور پیچیده ای به دمای مازاد ، نوع سطح و خواص ترمو فیزیکی سیال مانند کشش سطحی بستگی دارد. دینامیک تشکیل حباب شدیداً روی حرکت سیال در مجاور سطح اثر گذاشته و ضریب انتقال گرما را افزایش می دهد. جوشش ممکن است در شرایط مختلفی روی دهد.مثلاً در جوشش استخری سیال ساکن است و حرکت در آن در مجاور سطح به واسطه جابجایی آزاد و اغتشاش ناشی از رشد و جدایی حباب انجام می گیرد.

در مقابل، جریان سیال در جوشش جابجایی اجباری با یک وسیله خارجی و همچنین در اثر جابجایی آزاد و اختلاط ناشی از حباب تامین می شود.همچنین جوشش را می توان به دو نوع “زیر اشباع” یا اشباع دسته بندی کرد. در جوشش ” زیر اشباع ” دمای مایع کمتر از دمای اشباع است و حباب های تشکیل شده در سطح ممکن است در مایع تقطیر شود. بر عکس در جوشش اشباع دمای مایع کمی از دمای اشباع بیشتر است. در این حالت حباب های تشکیل شده بر روی سطح در اثر نیروی غوطه وری به بالا رانده شده و سرانجام از سطح آزاد مایع خارج می شود.

1-2-2-میعان

میعان وقتی رخ می دهد که دمای بخار به کمتر از دمای اشباع برسد. در دستگاههای صنعتی، این پدیده معمولا در اثر تماس بخار با یک سطح سرد به وجود می آید. انرژی نهان آزاد شده ، به سطح منتقل گردیده و مایع تشکیل می شود. میعان را می توان به انواع زیر دسته بندی نمود:

  • میعان همگن: که در آن بخار به صورت قطرات معلق در فاز گاز تشکیل شده و مه را به وجود می آورد.
  • میعان تماس مستقیم: که در اثر تماس بخار با یک مایع سرد به وجود می آید. در اغلب موارد مایع به صورت لایه ای تمام سطح را می پوشاند که در اثر نیروی جاذبه به طور پیوسته به سمت پایین جریان می یابد.
  • میعان لایه ای:معمولا روی سطوح تمیز و عاری از آلودگی به وجود می آید.
  • میعان قطره ای:اگر سطح با ماده ای پوشانده شود که آنرا مرطوب نگه دارد، امکان روی دادن میعان قطره ای وجود دارد.قطرات، روی شیارها و حفره های روی سطح ایجاد شده، رشد کرده و به همدیگر می پیوندند. غالباً، بیش از 90% سطح با قطرات پوشیده که اندازه قطر آنها از چند میکرومتر تا اندازه قابل رؤیت با چشم غیر مسلح تغییر می کند. در اثر جاذبه، قطرات روی سطح جریان می یابند. مایع به وجود آمده روی سطح، اعم از اینکه به صورت لایه یا قطره باشد، مقاومتی در مقابل انتقال حرارت از بخار به سطح ایجاد می کند.

از آنجا که با افزایش ضخامت لایه مایع، این مقاومت زیاد می شود، در مواردی که میعان لایه ای رخ می دهد، بهتر است از سطوح قائم کوتاه یا استوانه افقی استفاده شود. به همین دلیل اغلب کندانسورها از لوله های افقی تشکیل شده اند که مایع خنک در داخل لوله و بخاری که بایستی مایع شود در بیرون لوله جریان دارند. از لحاظ نرخ میعان و نرخ انتقال حرارت، میعان قطره ای به میعان لایه ای ترجیح داده می شود. در میعان قطره ای بیشتر انتقال حرارت از قطرات با قطر کوچکتر از 100 میکرون صورت می گیرد و نرخ انتقال حرارت بیش از 10 برابر میعان لایه ای است. به همین دلیل پوشاندن سطح با موادی که باعث تر ماندن آن و در نتیجه افزایش میعان قطره ای می شود و در عمل متداول است.

ترکیبات آلی سیلیکون، تفلون و نوعی از موم ها و اسیدهای چرب از موادی هستند که برای این منظور به کار گرفته می شوند. به مرور زمان کارایی این مواد در اثر اکسید شدن، تشکیل رسوب و کنده شدن آنها، کم می شود و سر انجام میعان لایه ای حاکم می شود. هر چند که رسیدن به میعان قطره ای در طراحی صنعتی مطلوب است ولی معمولاً حفظ شرایط این نوع میعان مشکل است. به این دلیل و همچنین به دلیل و همچنین به دلیل آنکه ضریب جابجایی در میعان لایه ای کوچکتر از قطره ای است، محاسبات طراحی کندانسور اغلب مبتنی بر فرض میعان لایه ای انجام می شود.

1-3-اعداد بی بعد در انتقال حرارت

ضریب انتقال حرارت جابجایی خاصیتی از ماده است که در هر دما برای هر ماده مقدار مشخصی  دارد اما ضرایب انتقال حرارت جابجایی علاوه بر نوع ماده به رژیم جریان بستگی دارد.برای به دست آوردن ضریب انتقال حرارت جابجایی به طریق تحلیلی بایستی پروفایل دما در داخل سیال را به دست آورد. این عمل فقط برای جریان های آرام و مغشوش در داخل کانال ها یا لایه مرزی و برای اشکال هندسی ساده و آن هم تحت شرایط مرزی نه چندان پیچیده امکان پذیر است. پیچیدگی شرایط مسأله ایجاب می کند که در اغلب موارد برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت جابجایی به نتایج تجربی تکیه شود.
ضریب انتقال حرارت جابجایی به عوامل متعددی از قبیل نوع جریان سیال و خواص فیزیکی بستگی دارد.دراین بخش به مهمترین اعداد بدون بعد که بر ضریب انتقال حرارت تأثیر دارند اشاره خواهد شد.

جریان سیال داخل یک مجرا در نظر بگیرید که بین آن و سطح مجرا تبادل حرارت صورت می گیرد.ضریب انتقال حرارت بین سطح و سیال (h) به ضریب هدایت حرارتی سیال (K)  و پروفایل سرعت بستگی دارد. پروفایل سرعت نیز به نوبه خود به عوامل متعددی از قبیل لزجت سیالµ، سرعت متوسط سیال Um،قطر لوله d (یا قطر هیدرولیکی کانال dh) و طول کانال بستگی دارد.همچنین حرارت انتقال یافته بین سطح و سیال به تغییر در آنتالپی سیال منجر می شود که از این طریق نقش گرمای ویژه سیال(CP) و جرم مخصوص (P) آن مشخص می شود. با استفاده از روش تحلیل ابعادی می توان از متغیرهای فوق چهار عدد بدون بعد به دست آورد که به صورت زیر می باشند

(1-6) عدد نوسلت(1-7) عدد رینولدز(1-8) عدد پرانتل ضمناً با معرفی ضریب پخش حرارت به صورت  و لزجت سینماتیکی به صورت  اعداد رینولدز و پرانتل نیز به شکل های زیر در می آید:(1-9)
(1-10)با توجه به اینکه لزجت سینماتیکی (ʋ) روی توزیع سرعت و ضریب پخش حرارت (α) روی توزیع دما تأثیر دارندنتیجه می شود که عدد پرانتل توزیع دما را به توزیع سرعت مربوط می سازد. البته با کمیت های فوق اعداد بدون بعد دیگری نیز می توان تشکیل داد.مثلاً عدد پکلت یک عدد بدون بعد است ولی عدد بدون بعد جدیدی نیست بلکه حاصلضرب  می باشد. از آنجا که در جریان آرام در حال توسعه در داخل کانال ها این کمیت نقش مهمی دارد گاهی اوقات بطور مستقیم به کار می رود:

(1-11) عدد پکلت                                                                             =

ضمناً در جریان مغشوش که مسأله تشابه انتقال حرارت و ممنتوم معرفی می شود عدد بدون بعد استانتون نیز مورد استفاده قرار می گیرد که به صورت زیر تعریف می شود:(1-12)عدد استانتون همانطور که ملاحظه می شود این کمیت بدون بعد هم از ترکیب سه عدد بدون بعد اصلی یعنی     Pr,Re,Nu به وجود می آید.برای جریان طبیعی اطراف سطوح قائم یا استوانه افقی کمیت بدون بعد جدیدی ظاهر می شود.این کمیت بدون بعد که به عدد گراشف معروف است پس از حل معادلات ممنتوم و انرژی به صورت زیر به دست می آید:

(1-13) عدد گراشف

که در آن g شتاب ثقل زمین ، β ضریب انبساط حرارتی سیال ،T0  دمای سطح و T دمای سیال دور از سطح می باشد. برای استوانه افقی از قطر خارجی استوانه d به جای L در معادله (1-13) استفاده می شود.

1-4-تعیین ضرایب انتقال حرارت

این ضرایب به نوع سیال و رژیم جریان سیال وابسته است. بر اساس اصل تشابه فیزیکی می توان عدد نوسلت را که معیاری از ضرایب انتقال حرارت جابجایی است، به صورت تابعی از سایر اعداد بدون بعد نوشت :

(1-14)                                                            ,Gr)

وجود عدد Gr  فقط وقتی ضروری است که جابجایی طبیعی حائز اهمیت باشد.در غیر این صورت Gr از معادله اخیر حذف خواهد شد. در رابطه فوق  f به معنای تابعی از اعداد داخل پرانتز می باشد و فرم آن از نتایج تجربی به دست می آید.نوسلت، پیشنهادکرده است که تابع f (برای جریان اجباری) به صورت زیر باشد که برای دامنه وسیعی از اعداد رینولدز و پرانتل نتیجه مطلوب می دهد:

(1-15)

که در آن مقادیرثابت  C  و توانهای ثابت m,n,l باید از روی نتایج آزمایش معلوم شوند.قبلاً اشاره شد که در میان انواع جریان سیال داخل یا اطراف اشکال هندسی مختلف ، فقط برای موارد معدودی می توان به روابط تئوری برای ضریب انتقال حرارت دست یافت.در اغلب موارد بایستی از روابط تجربی و جداول یا منحنی های نتایج آزمایش استفاده نمود. روابط تجربی و نیمه تجربی و نمودارهایی که بر اساس آنها رسم شده است بسیار متعدد و متنوع است که هریک دامنه کاربرد مخصوص به خود را دارد و در کتب مرجع انتقال حرارت قابل دسترسی هستند.در ادامه هر جا که لازم باشد روابط تجربی، نمودار و یا جداولی که کاربرد بیشتری در هر زمینه داشته و عموماً دقت لازم را برای طراحی تامین می کند.ارائه خواهد شد.

1-5-مبدلهای حرارتی و انواع آن

مبدلهای حرارتی را می توان از جنبه های مختلف دسته بندی کرد:

1-5-1- براساس نوع وسطح تماس سیال سرد و گرم

1-5-2-براساس جهت جریان سیال سرد و گرم

1-5-3-براساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم

1-5-4-براساس ساختمان مکانیکی آنها

1-5-1-براساس نوع وسطح تماس سیال سرد وگرم
1-5-1-الف-مبدل های حرارتی نوع Recuperative

دراین مبدل سیال سرد و گرم که ترتیب از دمای پایین و بالا برخوردار هستند توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده اند و انتقال انرژی از طریق سطح مذکور صورت می گیرد.اکثر مبدل های موجود در صنعت از این دسته هستند.

1-5-1-ب-مبدل های حرارتی نوع  Regenerative

در این مبدل ،سطح جدا کننده سیال سرد یا گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمتهایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می گیرند.این مبدل ها بیشتر در مقیاس های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند.

1-5-1-ج-مبدل های حرارتی نوع تماس مستقیم

در این نوع مبدل های حرارتی، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده و تبادل انرژی یا حرارت انجام می گیرد.این مبدل ها معمولاً از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند.نمونه ای از این مبدل ها، برج های خنک کن ، کولرهای آبی و گرمکن های Open Feed Water Heater  موجود در نیرو گاههای بخار می باشند.

1-5-2- بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم

بر این اساس مبدل های حرارتی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

  • مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو
  • مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو
  • مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم
1-5-2-الف- مبدل های حرارتی از نوع جریان همسو

در این نوع مبدل ها جریان های سرد و گرم موازی یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آنها موافق یکدیگر می باشند.نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دمای سیال گرم خروجی نمی رسد.نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم بکارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می باشد.

1-5-2-ب-مبدل های حرارتی از نوع جریان غیر همسو

در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان ناهمسو می نامند.باید توجه داشت در این نوع مبدل ها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدل ها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدلهای همسو برخوردار هستند.

1-5-2-ج-مبدل های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

در این نوع مبدل ها جهت جریان های سرد و گرم عمود برهم می باشند. به عنوان متداول ترین نمونه می توان از رادیاتور اتومبیل نام برد.این آرایش در مبدل های حرارتی لوله ای پره دار و بی پره نشان داده شده است.تفاوت این دو ،درمخلوط بودن یا غیر مخلوط بودن سیال بیرون لوله است.سیال بیرونی غیر مخلوط است زیرا و جود پره ها مانع از جریان آن درجهتی (y) عمود بر جهت اصلی جریان (x) می شود. در این حالت دمای سیال در دو جهت x و y تغییر می کند.

در مقابل، برای مجموعه لوله های بی پره امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و تغییرات دما عمدتاً فقط در جهت اصلی جریان است. چون سیال داخل لوله غیر مخلوط است، در مبدل های پره دار هر دو سیال غیر مخلوط و در مبدلهای بی پره یک سیال مخلوط و دیگری غیر مخلوط است، مخلوط شدن یک سیال می تواند تاثیر مهمی بر عملکرد مبدل داشته باشد.

1-5-3- بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم

بر این اساس مبدل های حرارتی به دو دسته تقسیم می شوند:

  • مبدل های حرارتی که مکانیزم انتقال حرارت آنها از نوع تشعشی بوده و به آنها مبدل های حرارتی آتشین گفته می شود. از جمله این مبدل ها می توان به کوره ها و بویلرها اشاره کرد.
  • مبدل هایی که مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم ، ترکیبی از دو نوع انتقال حرارت جابجایی و هدایت است. از جمله این مبدل ها می توان به مبدل های پوسته و لوله که در صنعت کاربرد زیادی دارند، اشاره کرد.
1-5-4-  بر اساس ساختمان مکانیکی آنها

مهمترین انواع این گروه عبارتند از :

  • مبدل های حرارتی نوع Tubular
  • کولرهای هوایی
  • مبدل های حرارتی دو لوله ای
  • مبدل های حرارتی حلزونی
  • مبدل های حرارتی فشرده
  • مبدل های حرارتی صفحه ای
1-5-4-1-مبدل های حرارتی نوع TUBULAR

از جمله این مبدل ها می توان به انواع پوسته و لوله ،Heat Pipe و Double pipe-Air cooler اشاره نمود. مبدل حرارتی پوسته لوله (shell-and-tube) متداول ترین مبدل موجود در صنعت است.

این مبدل ها بر اساس استاندارد TEMA که آنها را بر اساس نوع کاربرد طبقه بندی می کند و به گروه های زیر تقسیم می شود:

  • گروه R: مبدل هایی که در صنایع نفت به کار می روند.
  • گروه C: مبدل هایی که کاربرد عمومی و تجاری دارند.
  • گروهB : مبدل هایی که در صنایع شیمیایی استفاده می شوند.

به دلیل استفاده وسیع از این مبدل ها در صنعت ، در ادامه به جزئیات بیشتری در مورد آنها اشاره خواهد شد.

1-5-4-2-کولرهای هوایی

کولرهای هوایی، مبدل هایی هستند که در آنها سیال فرآیندی با جریان هوا خنک می شود. در این مبدل ها بخارات گرم درون مجموعه ای از لوله ها که بصورت افقی کنار هم قرار گرفته اند توزیع می شود. جداره خارجی لوله ها به پره مجهز شده است تا سطح انتقال حرارت بین سیال داخل لوله ها با هوای خنک افزایش یابد. این مبدل ها از نظر شکل جریان ، از نوع متقاطع می باشند که جریان هوای لازم برای خنک کردن سیال داخل لوله ها بوسیله یک فن تامین می شود. اگر این فن بالای لوله ها قرار گیرد به آن مکشی و اگر پایین لوله ها قرار گیرد به آن دمشی گویند. نوع مکشی بعلت ایجاد توزیع یکنواخت جریان هوا بازدهی بیشتری دارد.در نوع مکشی اگر موتور گرداننده نیز به همراه فن در بالای لوله ها قرار گیرد به علت قرار گرفتن در معرض هوای گرم زودتر مستهلک می شود. برای رفع این مشکل می توان نیرو را با استفاده از شفت به فن منتقل نمود و موتور را در محل مناسب تری قرار داد.

1-5-4-3- مبدلهای حرارتی دو لوله ای

مبدل دو لوله ای ساده ترین نوع مبدل حرارتی می باشد. این مبدل از دو لوله تشکیل شده که یکی در درون دیگری قرار گرفته است.یک سیال درون لوله کوچکتر و سیال دیگر در پیرامون آن حرکت می کند. بدین ترتیب انتقال حرارت بین دو سیال  صورت می گیرد. در این مبدل می توان جریان ها را در خلاف جهت یکدیگر به حرکت درآورد و حالت کاملاً غیر همسو را که ایده آل ترین نوع جریان است بوجود آورد. میزان انتقال حرارت در این مبدل نسبت به مبدل های دیگر پایین است و در صورتیکه شار بالایی از انتقال حرارت مورد نیاز باشد باید از تعداد زیادی از این مبدل ها به طور موازی استفاده کرد که این موضوع از لحاظ اقثصادی مقرون به صرفه نمی باشد. اما در شرایطی که سطح انتقال حرارت کمی مورد نیاز باشد و یا مواد شدیداً رسوب زا  باشند می توان از این مبدل با آرایش های خاص استفاده کرد زیرا تمیز کردن و تعویض قطعات این مبدل در واحدهای تولید پلی اتیلن و پلی پروپیلن برای خنک کردن پلیمر خروجی از راکتورها بکار می رود.

1-5-4-4-مبدل های حرارتی حلزونی

مبدل حلزونی از دو صفحه فلزی تشکیل شده که به صورت مارپیچ دور هم قرار گرفته اند.سیالات در فضای بین این صفحات حرکت می کنند و عملیات انتقال حرارت از طریق این صفحات انجام می گیرد. در مقایسه با انواع دیگر مبدل ، این مبدل به خاطر شکل خاص صفحات حجم کمتری را اشغال می کند و  انحنای مسیر حرکت سیال علاوه بر افت فشار پایین ، ضریب انتقال حرارت بالایی را فراهم می سازد. همچنین در هر دو مسیر امکان تشکیل رسوب کمتر شده و در نتیجه دارای دوره تعمیراتی طولانی تری می باشد.با توجه به شکل خاص مبدل ، باز و بسته کردن مبدل برای تمیز کردن نیاز به زمان و انرژی زیادی دارد.از این نوع مبدل در واحد PVC بندر امام استفاده شده است.

1-5-4-5-مبدل های حرارتی صفحه ای

مبدل صفحه ای از صفحات نازک فلزی تشکیل شده که با فاصله نزدیک به هم در حدود 3 تا 6 میلیمتر به یکدیگر متصل شده اند و در سیال مبادله کننده حرارت به صورت یک در میان در فواصل صفحیات جریان پیدا می کنند. برای اتصال صفحات می توان آنها را به هم پیچ کرده و یا از اتصال لحیمی استفاده نمود. در صورتیکه از اتصال پیچی استفاده شود باید بین این صفحات gasket هایی قرار داد تا از نشست سیالات جلوگیری به عمل آید. اگر از اتصال لحیمی استفاده شود حجم مبدل کاهش می یابد، اما در عوض مقاومت آن در برابر فشار و خوردگی نیز کاهش می یابد. دو سیال از سوراخ هایی که در گوشه صفحات قرار گرفته از صفحه ای به صفحه دیگر منتقل می شوند.روی صفحات ، خطوط برجسته ای قرار دارد که در میزان انتقال حرارت تاثیر بسزایی دارد.

1-5-5-5-مبدل های حرارتی فشرده

نوع خاصی ازمبدل های حرارتی وجوددارندکه نسبت سطح تبادل حرارت برواحدحجم آنهازیاداست(بزرگتر ازm3/m2700).این نوع مبدل ها که به مبدل های حرارتی فشرده معروفند شامل مجموعه فشرده ای از لوله ها یا سطوح تخت پرده دار هستند. این نوع مبدل ها معمولا وقتی به کار می روند که حداقل یکی از دو سیال، گاز باشد. در نتیجه  ضریب انتقال حرارت آن کوچک است. لوله ها ممکن است تخت یا دایره ای باشند. مبدل های حرارتی با صفحات موازی ممکن است پرده دار و یا با ورقهای کرکره ای باشند.سطح مقطع جریان در مبدل های حرارتی فشرده معمولا کوچک بوده و جریان غالباً آرام است.

1-5-4-7-مبدل های حرارتی خاص

1-5-4-7-مبدل  Bayonet

یکی از انواع خاص مبدل های پوسته و لوله مبدل Bayonet میباشد.لوله های این مبدل بصورت دو لوله ، یکی با انتهای باز و دیگری با انتهای بسته است که لوله با انتهای باز درون لوله با انتهای بسته قرار گرفته است.این لوله ها را bayonet  می نامند. جریان مربوط به لوله از طریق لوله داخلی وارد شده و در انتها وارد لوله خارجی می گردد و از طریق بخش جمع کننده از مبدل خارج می گردد.این مبدل برای فرآیندهایی که اختلاف دمای بین سیال پوسته و لوله زیاد باشد مناسب است. انتهای بسته لوله خارجی بوسیله درپوش مسدود می شود. در صورتی که درپوش به لوله جوش داده شود احتمال نشتی به طرف پوسته کاهش می یابد.

این مبدل در حالت عمودی بعنوان تبخیر کننده قابل استفاده است که سیال تبخیر شونده در بخش پوسته قرار می گیرد.در این صورت معمولاً از بخار در بخش  Bayonet استفاده می شود که باید کندانس گردد. بخار در بخش Bayonet بالا خواهد رفت و بخار کندانس شده به صورت مایع از لوله خارجی به سمت پایین بر می گردد. مزیتی که این تبخیر کننده دارد این است که از فوق سرد شدن آب ممانعت بعمل می آید(بخصوص زمانی که تبخیر کننده در دمای پایین کار کند ).بنابراین در صورتی که سیال Cryogenic باشد می توان در دمای نزدیک انجماد آب و یا حتی پایین تر از آن ، تبخیر را انجام  داد . از مزایای دیگر این تبخیر کننده می توان به زمان ماند پایین بخش پوسته ( ماده تبخیر شونده ) نسبت سایر تبخیر کننده ها نظیر کتل اشاره نمود.

1-5-4-7-ب- مبدل پوسته و لوله Double Tube Sheet

یکی دیگر از مبدل های خاص پوسته و لوله ، مبدل Double Tube Sheet می باشد. در این مبدل بعد از Stationary Haed بجای یک صفحه لوله ، دو صفحه لوله قرار داده شده است. از این مبدل در شرایطی استفاده می شود که احتمال نشتی وجود داشته باشد و نخواهیم دو سیال پوسته و لوله با هم مخلوط شوند. قرار دادن دو صفحه لوله در شرایط خورندگی شدید عمر مفید مبدل را افزایش می دهد.

1-5-4-7-ج- مبدل پوسته و لوله Double Bundle

این مبدل برای گرم کردن سیالات حساس به دما استفاده می شود و دارای دو دسته لوله و یک سیال واسطه می باشد و روی پوسته ، نازلی وجود ندارد که باعث هدر رفتن و یا ازبین رفتن سیال واسطه گردد. عملکرد این مبدل ها به این صورت است که سیال واسطه در قسمت پایین مبدل بوسیله حرارت سیال اولی تبخیر شده و دوباره کندانس شده و به قسمت پایینی بر می گردد. در صنعت معمولاً از دو مبدل که زیر هم قرار گرفته اند استفاده می شود. در این حالت خروجی پوسته مبدل اول به ورودی پوسته مبدل دوم متصل است.

1-6-جرم گرفتگی

1-6-1-مکانیزم های جرم گرفتگی

در عمل،سطوح مبدل های حرارتی در معرض رسوبات ناشی از ناخالصی های سیال، زنگ زدن و سایر واکنش های شیمیایی بین سیال و ماده سطح می باشند.پدیده جرم گرفتگی عبارت است از ایجاد فاز جامد نامطلوب بر روی سطح جامد که نتیجه دو شدن سیال- جامد است. به دلیل ته نشینی ماده ناخواسته روی سطح انتقال حرارت و ایجاد یک مقاومت، ضریب کلی انتقال حرارت کاهش می یابد،از سوی دیگر اضافه شدن یک سطح کاملاً متخلخل باعث می شود که افت فشار در داخل لوله ها افزایش یافته و هرینه پمپاژ بالا رود.

بنابراین در طراحی مبدلها لازم است جرم گرفتگی آنها به مرور زمان به طور جدی مد نظر قرارگیرد. علیرغم تعریف ساده ای که گفته شد پدیده جرم گرفتگی مکانیزم های پیچیده ای دارد،در ذیل 9 مکانیزم برای پدیده جرم گرفتگی مطرح شده است که در عمل مکانیزم واقعی ، مجموعه ای از این مکانیزم ها با درجات مختلف می باشد و در مراحل مختلف جرم گرفتگی این درجات ممکن است تغییر نماید. علیرغم پیچیدگی های موجود ، باید یک مکانیزم غالب از جرم گرفتگی را انتخاب کرد تا بتوان در  رفع و یا حداقل کم کردن اثر این پدیده اقدام نمود. طبق تحقیقات انجام شده عموماً 9 مکانیزم محتمل زیر برای پدیده جرم گرفتگی وجود دارد:

  1. ته نشینی ذرات جامد یک محلول سوسپانسیون
  2. کریستالیزاسیون دراثر تغییر دما (کاهش دما ) و فوق اشباع شدن
  3. کاهش حلالیت
  4. اثرات بین سطحی : مانند جذب سطحی ،ترشوندگی یک سطح ، آب گیری ، عوامل فعال سطحی و کف کنندگی.
  5. متراکم و لخته ای شدن: مانند asphaltene در سیالات نفتی به خاطر کاهش در قطبیت
  6. اثرات کلوئیدی
  7. واکنش های شیمیایی:شامل کراکینگ،کک گرفتگی ،پلیمریزاسیون و خوردگی
  8. اثرات الکتروسینتیکک مانند شکست کلوئیدها و جذب ماکرومولکول ها به داخل دیواره در خطوطی که تبادل الکتریکی دارند.
  9. پدیده های بیولوژیکی مانند رشد بی هوازی و آبی ماکرو و میکروار گانیسم هادر واحد.

پدیده های فوق را که باعث جرم گرفتگی می شوند می توان با استفاده از موارد زیر پیشگویی نمود:

  • مکانیزم نوع اول را می توان با دانستن خواص سیال، جامد سوسپانسیونی ، شرایط جریان و میزان اختلاط پیشگویی نمود.
  • مکانیزم نوع دوم را می توان با استفاده از تئوری های جامد شدن و ذوب شدن پیشگویی نمود.برای مواد خالص ، نقطه جامدی شدن ( یا نقطه ذوب) و برای مواد مخلوط نقطه ریزش و ابری شدن می تواند مد نظر قرار گیرد.
  • در مکانیزم سوم میزان حلالیت با استفاده از شرایط جریان و دما قابل پیشگویی خواهد بود.
  • مکانیزم نوع چهارم بوسیله تئوری جذب سطحی و ترشوندگی قابل مدلسازی است.
  • تئوری سینتیک متراکم و لخته ای شدن برای پیشگویی مکانیزم 5 مفید می باشد.
  • تئوری اتمی تشکیل کلوئیدها و متلاشی شدن آنها در پیشگویی مکانیزم 6 بکار برده می شود
  • در مورد جرم گرفتگی هایی که از واکنش های شیمیایی ایجاد می شوند سینتیک واکنش ها و نوع کاتالیست های به کار رفته و شرایط عملیاتی از پارامترهای مهم پیشگویی محسوب می شود.
  • برای مورد 8 به دلیل کم اهمیت بودن ، مدلسازی انجام نشده است.
  • برای مورد 9 استفاده از واکنش های بیولوژیکی برای مدلسازی مفید خواهد بود.

1-6-2-راه حل های ممکن برای رفع و یا جلوگیری از جرم گرفتگی

دو تقسیم بندی کلی برای حل مشکل جرم گرفتگی در مبدل های حرارتی و متعلقات آنها وجود دارد که عبارتند از :

  1. روش شیمیایی
  2. روش های مکانیکی
1-6-2-1-روش شیمیایی

این روش بر مبنای اضافه نمودن مواد شیمیایی به جریان اصلی می باشد. با اضافه کردن مواد شیمیایی به جریان سیال فرآیند، سعی می شود سطح مشترک سیال- جامد را طوری اصلاح کنند تا از جرم گرفتگی جلوگیری شود و یا اینکه فرم جرم گرفتگی های تشکیل شده را تغییر دهند تا قابل زدودن باشد.ولی اضافه کردن این مواد خود متضمن هزینه های اضافی شامل هزینه خود مواد افزودنی و هزینه های جداسازی آن است و از سوی دیگر در برخی موارد مشکلات زیست محیطی را نیز در بردارد. گستره وسیعی از این مواد برای ممانعت از جرم گرفتگی استفاده می شود که بیشتر بستگی به محدودیت های سیال فرآیند و ماهیت ذرات تولید کننده جرم دارد.رایج ترین مواد شیمیایی که برای سیستم های آبی بکار می روند عبارتند از:

  1. منعقد کننده ها و لخته کننده های ذرات،
  2. متلاشی کننده ها برای ذراتی که حاوی میکروارگانیسم ها هستند،
  3. موادی که مانع ته نشینی ذرات می شوند،
  4. اصلاح کننده های کریستالی برای تغییر چسبندگی کریستال ها،
  5. اصلاح کننده های سطح دیواره،
  6. ممانعت کننده های خوردگی(Anionic و Cationic)
  7. مواد مرگ زا برای میکروار گانیسم ها (Biocides)
  8. مواد کاهش دهنده فعالیت میکروار گانیسم ها(Biostats)

مواد شیمیایی دیگری هم برای جلوگیری از جرم گرفتگی های حاصل از واکنش های شیمیایی معرفی شده اند که شامل آنتی اکسیدانها ،یونهای فلزی غیر فعال ،Dispersant ها و پاک کننده ها، می باشند.با توجه به محدودیت ها و معایبی که در بالا بر شمرده شد این روش کم کم منسوخ شده و می تواند بوسیله روش های مکانیکی جایگزین شود،البته این موضوع نمی تواند یک نتیجه گیری کلی باشد چرا که در برخی موارد خاص اضافه کردن این مواد تأثیر بیشتری نسبت به روش های مکانیکی دارد.

1-6-2-2-روش های مکانیکی

ساده ترین روش جلوگیری از پدیده جرم گرفتگی افزایش سرعت جریان سیال به منظور افزایش تنش در دیواره لوله می باشد، که این راه حل بجز در یک مورد بسیار نادر که در آن مکانیزم جرم گرفتگی با افزایش سرعت سیال تشدید می شود ، همواره مشگل گشاست.

اما در اغلب مبدل های حرارتی سرعت بالا به دلایل خوردگی ، افت فشار بالا و هزینه پمپاژ بالا قابل دستیابی نیست (دامنه سرعت ایده آل برای مایعات داخل لوله ها 5/1 الی 2 متر بر ثانیه و برای مایعات خارج از لوله 1 الی 5/1 متر بر ثانیه می باشد).

از پارامترهای تأثیر گذار بر روی جرم گرفتگی می توان به سرعت جریان ، دما ، ساختار مواد وجنس لوله اشاره نمود که در بالا در مورد سرعت جریان بطور مختصر توضیح داده شد.برای سیالات کثیف کننده ، دمای فصل مشترک ،یک پارامتر اساسی و موثر در تعیین مقدار جرم گرفتگی می باشد که توسط دماهای سیال و ضرایب انتقال حرارت می توان دمای فصل مشترک را تعیین کرد.دما بخصوص زمانی که جرم گرفتگی بخاطر واکنش های شیمیایی ایجاد می شود اهمیت زیادی پیدا می کند از سوی دیگر انتخاب جنس لوله ها با توجه به ماهیت سیال می تواند از روش های اولیه جلوگیری از جرم گرفتگی محسوب می شود،مثلاً در سیالی که باعث جرم گرفتگی بیولوژیکی می شود بهتر است از آلیاژهای Copper-Bearring استفاده شود. راه حل هایی که بر مبنای روش های مکانیکی هستند عبارتند از:

  1. استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت ، که فقط برای مبدل های لوله ای قابل استفاده است،
  2. تمیز کردن اولیه سطوح برای کاهش چسبندگی بین ماده ایجاد کننده جرم وسطح انتقال حرارت ،مانند پوشش دهی و پولیش زنی الکتریکی،
  3. لاستیک های اسفنجی در داخل لوله ها:
  4. پولیش زنی سیستم که محدود به مبدل های حرارتی تک لوله است،
  5. استفاده از امواج ماورای صوت،
  6. روش های الکتریکی :
  • محافظت گالوانیکی،
  • محافظ مغناطیسی،
  • محدود کردن چسبیدن مواد ویژه مانند باکتری ها با ایجاد پس زمینه الکتریکی ،
7.استفاده از جت بخار،آب و یا هوا

بابررسی مجدد روش های مکانیکی ، تقسیم بندی دیگری نیز برای همین روش می توان انجام داد وآن امکان انجام تمیزکاری همزمان با عملیات حرارتی (خودپیرایی) و یا نیز به خارج کردن مبدل از سرویس جهت تمیز کاری (OFF LINE) است.از روش های مکانیکی که گفته شد موردی را باید انتخاب کرد که به صورت ON LINE بوده ، دارای هزینه های عملیاتی پایین تری باشد و نیاز به سرمایه گذاری اولیه کمی هم داشته باشد.از روش های مکانیکی ذکر شده چند مورد می توان به صورت  ON LINE  مورد استفاده قرار گیرند که عبارتند از:

  1. استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت
  2. آماده سازی اولیه سطوح انتقال حرارت
  3. استفاده از امواج ماورای صوت ،این روش هم به صورت ON LINE هم به صورت OFF LINE می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
  4. روش های الکتریکی

از بین این چهار روش استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت بیشتراز همه مورد توجه بوده است ،چرا که روش دوم را برای سطوح محدودی می توان انجام داد و اغلب سرمایه گذاری اولیه زیادی را می طلبد و از سوی دیگر استفاده از امواج ماورای صوت به دلیل قیمت بالای متعلقات آن در موارد نادری کاربرد دارد و روش های الکتریکی هم محدود به موارد خاص می باشد.

همانطور که گفته شد ، وسایل افزاینده انتقال حرارت بدلیل اینکه در داخل لوله کار گذاشته شده و دیگر هیچ عملیات اضافی در هنگام فرآیند بر روی آنها انجام نمی شود مورد توجه خاص می باشند که در حقیقت بصورت خود پیرایی باعث جلوگیری از پدیده جرم گرفتگی و افزایش انتقال حرارت می شوند.

همانطور که در بخش روش مکانیکی جلوگیری از جرم گرفتگی گفته شد عملاً سرعت سیال داخل لوله ها را نمی توان از حد معینی بالاتر برد به همین خاطر بدون استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت ، این ایده کاربرد عملی در پی نخواهد داشت. اما زمانی که از وسایل افزاینده انتقال حرارت استفاده شود، چرخش سیال باعث ایجاد تنش بالایی در سطح دیواره لوله می شود و از سوی دیگر سرعت انتقال حرارت را افزایش می دهد.

2-1-معادله کلی انتقال حرارت در مبدل های حرارتی

مرحله اصلی و معمولا غیر قطعی تجزیه و تحلیل یک مبدل حرارتی، تعیین ضریب کلی انتقال حرارت است. این ضریب بر حسب مقاومت های هدایتی و جابجایی بین دو سیال نوشته می شود.

سطوح مبدل های حرارتی در عمل در معرض رسوبات ناشی از ناخالصی های سیال، زنگ زدن و سایر واکنش های شیمیایی بین سیال و ماده سطح هستند. لایه رسوب ایجاد شده بر روی سطح، مقاومت گرمایی حرارتی بین دو سیال را به مقدار زیادی افزایش می دهد. این اثر را می توان با معرفی یک مقاومت حرارتی دیگر به نام ضریب رسوب RF، در نظر گرفت که مقدار آن بستگی به دمای کارکرد، سرعت سیال و مدت کار مبدل حرارتی دارد.

علاوه بر آن غالبا به سطوح هر دو سمت مبدل، پره هایی اضافه می شود تا با افزایش مساحت سطح انتقال حرارت، مقاومت حرارتی کاهش یابد. در نتیجه با در نظر گرفتن اثرات رسوب سطح و پره (سطوح گسترده)،معادله انتقال حرارت کلی به صورت زیر در می آید:

(2-1)                                                                                                     T=∆ q =UdA

که T∆ بیانگر اختلاف دمای کلی بین دو سیال در هرنقطه از مبدل (نیروی محرکه )است.

Udضریب کلی انتقال حرارت بوده و به حاصلضرب مقدار آن در سطح انتقال حرارت (UdA) ، هدایت حرارت کلی گفته می شود.

عکس هدایت حرارت کلی ،به مقاومت حرارتی (R0) معروف است. مقاومت حرارت کلی مجموع مقاومت های حرارتی است که به صورت سری به هم متصل شده اند و می توان رابطه زیر را برای آن نوشت:

(2-2)                                                          R0=Rh + Rh,f + Rc,f + Rc

که در این رابطه منظور از Rh و Rc به ترتیب مقاومت حرارتی طرف گرم ) و مقاومت حرارتی طرف سرد )، Rh,f و Rc,f به ترتیب مقاومت حرارتی ناشی از جرم گرفتگی در طرف گرم و سرد و Rw مقاومت حرارتی ناشی از وجود دیواره بین دو سیال گرم و سرد است که برای دیواره تخت به صورت معادله (2-3-الف) و برای دیواره استوانه ای (مثل لوله) مطابق معادله (2-3-ب) خواهد بود.

(2-3-الف)                                                                                                RW=

(2-3-ب)                                                                                      Rw=

در این معادلات ، ضخامت دیواره و Aw سطح انتقال دهنده حرارت و Kw ضریب انتقال حرارت هدایتی دیواره است که به جنس دیواره بستگی دارد. در معادله (2-3-ب)، d0 قطر خارجی لوله ،d قطر داخلی لوله، L طول لوله و N1 تعداد لوله هاست. زیر نویسهای h و  c در این روابط به ترتیب اشاره به سیال گرم و سرد دارد.

اگر h ضریب انتقال حرارت در سمت سیال مورد نظر بوده، A سطح انتقال حرارت اولیه (بدون پره ) و Ap سطح انتقال حرارت ثانویه (باپره) باشد، 0ƞ، بازده کلی سطح نامیده شده و به صورت معادله (2-4) تعریف می شود. طبق این رابطه 0ƞ تابعی از بازده پره (fƞ) و نسبت سطح پره به کل سطح انتقال حرارت(A) است.

(2-3)                                                                                                           1-ƞ0)) ƞ0 =1-

2-2-مقادیر تجربی برای ضرایب انتقال حرارت کلی در مبدلها

معمولاً مهندسان طراح ترجیح می دهند که مستقیماً از ضرایب کلی موجود در جداول ، بدون تلاش در جهت محاسبه آن استفاده نمایند.در این صورت ، باید ضریب کلی انتقال حرارت رابر اساس تجربیات گذشته در مورد دستگاه ها و موارد مشابه تعیین نمود.این مقادیر برای اغلب حالت های متداول مطرح شده است.در بانک اطلاعاتی نرم افزار Hetran  که به  طور گسترده برای طراحی مبدل های حرارتی به کار برده می شود، ضرایب دقیق در بیشتر موارد موجود است.

گریز:

در مبدل های حرارتی که در آن ها میعان قطره ای رخ می دهد، سایر مقاومت های حرارتی خیلی بزرگتر از مقاومت میعان است، لذا نیازی به داشتن روابط تجربی مورد اعتماد برای محاسبه ضریب انتقال حرارت میعان قطره ای نیست. در این مبدل ها اثر گازهای میعان ناپذیر در بخار می تواند خیلی مهم باشد.همچنین اگر جنس ماده سطح به اندازه مس یا نقره هادی گرما نباشد، مقاومت حرارتی آن نیز عامل مهمی خواهد بود ، چون تمام گرما در داخل دیواره سطح در اطراف محل های میعان متمرکز شده و یک مقاومت انقباض را به وجود می آورد.

2-3-اختلاف دمای متوسط لگاریتمی LMTD

جمله  (2-1) اختلاف دمای دو سیال در هر نقطه از مبدل را نشان می دهد. بنابراین در طول مبدل با تغییر دمای دو سیال ،این مقدار تغییر می کند .در مبدل های با جریان همسو اختلاف دما در ورودی دو سیال حداکثر و بتدریج با نزدیک شدن به انتهای مبدل کاهش می یابد.بنابراین برای اینکه بتوان از معادله (2-1) برای کل مبدل استفاده کرد باید از یک اختلاف دمای میانگین که بیانگر وضعیت کلی مبدل باشد استفاده نمود. اختلاف دمای متوسط لگاریتمی همین اختلاف دمای میانگین مناسب است که برای هر نوع آرایش جریان در مبدل ها مقدار آن قابل محاسبه است.

2-3-الف- جریان موازی همسو : ابتدا اختلاف دما زیاد است ولی با افزایش مقدار x سریعاً کاهش می یابد و در نهایت به صفر می رسد. لازم به ذکر است که در چنین مبدلی ، دمای خروجی سیال سرد هرگز بیشتراز دمای خروجی سیال گرم نمی شود.

2-3-ب- جریان موازی غیر همسو : در این آرایش جریان ، بر خلاف آرایش جریان همسو،انتقال گرما بین قسمتهای گرم دو سیال در یک انتها و قسمتهای سرد دو سیال در انتهای دیگر رخ می دهد. به همین دلیل اختلاف دمای دوسیال

در هیچ جای این مبدل به بزرگی ناحیه ورودی مبدل جریان همسو نیست.باید توجه داشت که در این حالت ممکن است دمای خروجی سیال سرد از دمای خروجی سیال گرم بیشتر باشد.

اختلاف دمای متوسط مناسب برای این آرایش جریان نیز همان اختلاف دمای متوسط لگاریتمی است با این تفاوت که در اینجا ، اختلاف دما در دو سر مبدل به صورت زیر تعریف می شود:

∆T2=Th,2-TC,2=Th,o-Tc,i

                                                                                                                                                    ∆T1=Th,1-TC,1 =Th,I –Tc,o                              

گریز:

برای دماهای ورودی و خروجی مشابه،اختلاف دمای متوسط لگاریتمی آرایش جریان ناهمسو،بزرگتر از آرایش جریان موازی همسو است. در نتیجه برای مقدارU مساوی ، مساحت سطح مورد نیاز در آرایش جریان مخالف برای مقدار معینی انتقال حرارت q، کوچکتر از آرایش جریان همسو خواهد بود. همچنین توجه شود که در آرایش جریان همسو ممکن استTc,o بزرگتر از Th,o باشد ولی در جریان موازی این امر ممکن نیست.

شرایط خاص عملکرد:

بررسی شرایط خاص عملکرد مبدل های حرارتی می تواند مفید واقع شود.توزیع دمای سیال در مبدل حرارتی که در آن نرخ ظرفیت گرمایی سیال گرم خیلی بزرگتر از مقدار آن برای سیال سرد است. در این حالت دمای سیال گرم در سرتاسر مبدل حرارتی تقریباً ثابت باقی می ماند در حالی که دمای سیال سرد افزایش می یابد.این شرایط زمانی بوجود می آید که سیال گرم ، بخار در حال میعان باشد.میعان ، در دمای ثابت رخ می دهد و در عمل( CC). همچنین این شرایط زمانی بوجود می آید که تغییر فاز وجود نداشته باشد ولیCC>>Ch.حالت خاص سوم مربوط مربوط به یک مبدل جریان ناهمسو با نرخ ظرفیت های گرمایی برابر(Ch=Cc) است. در این حالت اختلاف دمای  بایستی در طول مبدل ثابت بماند که در نتیجه  ∆T1=∆T2=∆Tlm خواهد گردید.

2-3-ج-مبدل های حرارتی چند مسیره و جریان عمود برهم

گرچه شرایط جریان در مبدل های حرارتی چند مسیره و جریان عمود برهم خیلی پیچیده تر است، اما در صورتی که اصلاح زیر در اختلاف دمای متوسط لگاریتمی به عمل آیداین روابط قابل استفاده خواهند بود:

                          ∆Tlm=F∆Tlm.cf                  

یعنی مقدار مناسب ∆Tlm از حاصلضرب یک فاکتور تصحیح در مقدار ∆Tlm (با فرض شرایط جریان ناهمسو ) به دست می آید. برای ضریب تصحیح F در مبدل های حراتی لوله – پوسته و جریان عمود بر هم، روابطی به دست آمده است و نتایج مربوطه در نمودارهایی جهت طراحی آسانتر رسم شده است.

فاکتور تصحیح که تابعی از دمای پوسته و لوله و تعداد مسیر های پوسته و لوله است در این شکل ها بر اساس تابعی از دو نسبت بی بعد دمایی که به صورت زیر تعریف می شوند :

و

که در آن:

T1=دمای سیال در ورودی سمت پوسته

T2= دمای سیال در خروجی سمت پوسته

t 1= دمای سیال در ورودی سمت لوله

t 2= دمای سیال در خروجی لوله

2-4-اصول طراحی مبدل های حرارتی

اصول و روش طراحی مبدل های حرارتی شامل موارد زیر می باشد:

  1. تعیین ویژگیها و شرایط فرآیندی
  2. ساختار مبدل حرارتی
  3. طراحی حرارتی و هیدرولیکی
  4. محاسبات ارتعاش و لرزش در اثر جریان سیال زمانیکه از مبدل های پوسته – لوله و برخی مبدل های خاص دیگر استفاده می شود.
  5. طراحی مکانیکی
  6. محاسبات مربوط به هزینه و ساخت
  7. سنجش فاکتور های موثر در عملکرد مبدل و بهینه سازی

محاسبه موارد بالا اکثرا به یکدیگر مرتبط و بر هم تاثیر گذارند و برای رسیدن به طراحی بهینه باید همزمان مد نظر قرار گیرند.

2-4-1-تعیین ویژگیها و شرایط فرآیندی

ویژگیهای طراحی فرآیندی شامل همه اطلاعات لازم برای طراحی و بهینه سازی مبدل است تا بتوان ازآن برای یک طراحی خاص استفاده کرد. این اطلاعات شامل موارد زیر است:

  1. صورت مسأله
  2. نوع ساختار مبدل
  3. آرایش جریان ها
  4. جنس موادی که در ساخت مبدل ها استفاده می شود
  5. محدودیت های ساخت
  6. کد ساخت
  7. ایمینی و حفاظت

2-4-1-الف- صورت مسأله

صورت مسأله شامل تعیین مواردی مثل پارامترهای فرآیندی ، شرایط عملیاتی و محیطی است که قرار است مبدل حرارتی در آن به کار گرفته شود.پارامترهای طراحی شامل تعیین جزئیاتی مانند دماهای ورودی و فشارها ، شدت های جریان ، ترکیب سیال ، کیفیت بخار ، بار حرارتی ، افت فشار مجاز ، پارامتر هایی مثل اندازه کلی ، وزن، چیدمان و خواص خورندگی و رسوب زایی سیال است.سایر عواملی که باید در نظر گرفته شود عبارتند از :

  • شرایط آب و هوایی :حداقل دمای محیط ، میزان بارندگی (باران ، برف ، تگرگ) و رطوبت
  • محیط عملیاتی:مجاورت با دریا ، صحرا، مناطق قاره ای ، مناطق زلزله خیز ، باد خیز و غبار خیز
  • نقشه محل : میزان نزدیکی به ساختمانها یا سایر تجهیزات حرارتی و برودتی ، جهت باد غالب ، طول و میزان لوله کشی های لازم و … .

2-4-1-نوع ساختار مبدل حرارتی

با تعیین صورت مسأله و براساس اطلاعات و تجارب ، ابتدا ساختار مبدل و آرایش جریان انتخاب می گردد.انتخاب نوع ساختاربستگی به پارامتر های زیر دارد:

  1. سیالات (گاز یا مایع و یا تبخیر یا میعان یک سیال)
  2. دماها و فشارهای عملیاتی
  3. جرم گرفتگی
  4. آیا نشست یا آلوده شدن یک سیال به دیگری مجاز است یا نه؟
  5. هزینه و تکنولوژیهای قابل دسترس برای ساخت مبدل حرارتی

2-4-1-ج- انتخاب سطح

مبدل حرارتی فشرده :عواملی که در انتخاب سطح، موثر هستند عبارتند از:فشارها ، نیازمندیهای لازم جهت محافظت در برابر جرم گرفتگی ، فرسایش ، قابلیت ساخت، هزینه و غیره.

مبدلهای لوله-پوسته:ویژگیهایی که برای انتخاب هسته ژئومتری یا شکل مبدل برای مبدلهای لوله – پوسته، در نظر گرفته می شود عبارت است از : عملکرد انتقال حرارت مطلوب با توجه به افت فشارهای تعریف شده ، جرم گرفتگی ، خوردگی ، نگهداری و تعمیرات ، قابلیت تمیزکاری با دستگاههای مکانیکی ، مشکلات فرآیندی محدود کننده (حداقل ارتعاش مجاز ناشی از جریان)ایمنی و هزینه ساخت و نگهداری. علاوه بر اینها ، مهمترین عاملی که باید در نظر گرفته شود این است که چه سیالی در سمت پوسته و چه سیالی در سمت لوله جریان دارد.

2-4-2-طراحی حرارتی و هیدرولیکی

طراحی حرارتی و هیدرولیکی مبدلهای حرارتی شامل تعیین مقدار انتقال حرارت و ارزیابی افت فشار یا سایزینگ مبدل است.

2-4-2-الف- طراحی حرارتی

طراحی حرارتی شامل تعیین ساده ضرایب انتقال حرارت سیال دو طرف( ho و hio  ) برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت در حالت بدون جرم گرفتگی (U)است.با در نظر گرفتن مقداری منطقی برای ضریب جرم گرفتگی ، ضریب انتقال حرارت کلی (Ud) به دست می آیدکه با توجه به آن و اسفاده از معادله فوریه Q=UdA ، سطح مورد نیاز مشخص خواهد شد.

برای طراحی حرارتی یا پیش بینی عملکرد یک مبدل حرارتی ،بایستی روابطی بین نرخ انتقال حرارت کلی و کمیتهایی مانند دماهای ورودی و خروجی سیال ، ضریب انتقال حرارت کلی و مساحت سطح انتقال حرارت به دست آورد که می توان با اعمال موازنه انرژی کلی برای دو سیال ، دو رابطه بدست آورد .مثلا اگر  q نرخ کلی انتقال حرارت بین سیال گرم و سرد باشد و انتقال حرارت بین مبدل حرارتی و محیط و تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز باشد ،با اعما موازنه انرژی ،نتیجه می شود:

q=h(ih,I –ih,o)                                          

                                                                                                                           ( q=c (ic,I –ic,o

که در آن i آنتالپی سیال است. اندیسهای h, c  اشاره به سیال گرم و سرد دارند ، در حالی که  i و o شرایط ورودی و خروجی را مشخص می کند.اگر در هیچ یک از سیالات تغییر فازی رخ ندهد و گرمای ویژه ثابت فرض شوند ، روابط فوق به صورت زیر در می آیند:

q =h cp,h(Th,I –Th,o)=c Cp,c (Tc,I –Tc,o)                                               

دمای ظاهر شده در این معادلات ، دماهای متوسط در مقاطع مربوطه اند.

رابطه مفید دیگری را می توان از ارتباط بین نرخ انتقال حرارت کل q و اختلاف دمای بین دو سیال به دست آورد که به صورت زیر تعریف می شود:

h-Tc            

رابطه مورد نظر همان معادله (2-1) است که درآن اختلاف دمای متوسط در طول مبدل جایگزین اختلاف دمای سیال گرم و سرد در یک مقطع می شود.

q =UAΔTm                                                                

که در آن ΔTm اختلاف دمای متوسط است. تجزیه و تحلیل یک مبدل حرارتی را می توان با استفاده از معادلات بالا انجام داد.

2-4-2-ب- همانطور که ذکر شد طراحی هیدرولیکی شامل ارزیابی افت فشار یا سایزینگ مبدل است. دلیل عمده افت فشار در مبدل های حرارتی ، اصطکاک ناشی از جریان سیالات درون لوله و پوسته مبدل است.اصطکاک ناشی از انبساط و انقباض ناگهانی و یا معکوس شدن جهت جریان نیز موجب افت فشار می شود. تغییرات بوجود آمده در کلگی و انرژی جنبشی نیز می تواند بر افت فشار موثر باشد ولی این تاثیرات نسبتاً کوچک است و میتوان در اغلب محاسبات طراحی از آنها صرف نظر کرد.

1-3-مقدمه

همانطور که قبلاً ذکر شد مبدل های پوسته – لوله پرکاربردترین مبدل ها در صنعت می باشند. این مبدل ها دارای آرایشهای جریان موازی همسو، غیر همسو و یا جریان مخالف هستند. بسته به تعداد مسیر پوسته و لوله، این مبدل ها انواع مختلفی دارند. ساده ترین آنها شامل یک مسیر پوسته و یک مسیر لوله می باشد.برای اینه سیال سمت پوسته عمود بر لوله ها حرکت کند و اغتشاش جریان و در نتیجه ضریب انتقال حرارت در این سمت افزایش یابد، از صفحات نگهدارنده استفاده می شود.

3-2-اجزای مختلف مبدل های پوسته – لوله

در این بخش برای آشنایی کلی با اجزای مختلف مبدل های پوسته – لوله توضیحات کلی داده شده است. لازم به ذکر است با توجه به تنوعی که این مبدل ها دارند،برخی از اجزا فقط در نوع خاصی وجود دارند که از نوعی به نوع دیگر متفاوت هستند.ولی به طور کلی مبدل های پوسته – لوله دارای اجزای زیر می باشند:

  1. پوسته و نازل های روی آن
  2. لوله ها
  3. صفحه لوله ها
  4. مجاری سیالات
  5. درپوش های مجرا
  6. بافل ها
  7. میله های کهار و فاصله انداز بافل ها: موانع مغشوش کننده با کمک میله های نگهدارنده( که بین لوله ها و موازی با آنها قرار می گیرند) در جای خود استقرار می یابند.این میله ها به صفحه نگهدارنده لوله ها پیچ شده اند و فاصله بین موانع را ثابت می نمایند.

موارد ذکر شده در بالا، اجزائی هستند که در همه مبدل های پوسته – لوله وجود دارند و ممکن است در هر نوع مبدل، طراحی مخصوص به خود را داشته باشند. در ادامه هر یک از این اجزا با جزیئات بیشتری مورد بررسی قرار می گیرند.

3-2-1-پوسته

قسمت میانی بدنه مبدل که بین دو کلگی قرار دارد، پوسته نامیده می شود. لوله در فضای خالی پوسته قرار می گیرد و انتقال حرارت بین سیال جاری در لوله و سیال داخل پوسته در این قسمت انجام می گیرد. از جمله پارامتر های مهم در طراحی یک مبدل، قطر پوسته و ضخامت آن است. این پارامترها بر اساس میزان انتقال حرارت مورد نیاز و همچنین بسته به میزان وجود عوامل خورنده که منجر به خوردگی پوسته خواهد شد تعیین می شود. بدیهی است هر چه قطر و ضخامت پوسته زیادتر شود هزینه ساخت مبدل نیز افزایش می یابد. انواع مختلف پوسته بر اساس نوع آرایش های نازل های سمت پوسته و بافل های عرضی و طولی موجود روی دسته لوله از یکدیگر متمایز می شوند.

با یک محاسبه سر انگشتی می توان گفت که هزینه پوسته معمولاً بیشتر از لوله ها می باشد. بنابراین برای تهیه مبدل با قیمت پایین تر بهتر است قطر پوسته کمتر بوده و سطح مورد نیاز با افزایش طول جبران گردد.

3-2-2-لوله ها

دو سیالی که در مبدل در حال تبادل حرارت هستند به وسیله سطحی نفوذ ناپذیر از یکدیگر جدا شده اند.این سطح در مبدل های پوسته – لوله، جداره لوله هاست. لوله، محل گذر یکی از سیالات و پوسته، محل گذر سیال دیگر است.

لوله ها درون پوسته مبدل قرار دارند و جداره آنها محل انتقال حرارت بین دو سیال می باشد. بسته به میزان خورندگی محیط بایستی لوله ها را از جنس های مختلفی مانند مس، فولاد ضد زنگ و غیره ساخت. بر طبق استاندارد، لوله ها دارای چهار قطر خارجی می باشند:

1- اینچ یا 16 میلیمتر     2- اینچ یا 20 میلیمتر      3-1 اینچ یا 25 میلیمتر       4- اینچ یا 31 میلیمتر

هر چه قطر خارجی لوله کوچکتر باشد،در یک حجم معین تعداد بیشتری لوله را می توان قرار داد در نتیجه سطح انتقال حرارت بیشتری نیز وجود خواهد داشت، ولی همیشه نمی توان از قطرهای کوچک استفاده کرد چرا که بعضی مواقع سیال، رسوب زا بوده و جرم گرفتگی در لوله های با قطر کوچک بیشتر از لوله های با قطر بزرگ می باشد. هر چه ضخامت لوله کمتر باشد بهتر است زیرا هزینه لوله کشی کمتر می شود و هر چه قطر مبدل کمتر و طول دسته لوله زیادتر باشد لوله ارزانتر خواهد شد.

لازم به ذکر است تعداد لوله ها در یک مبدل حرارتی پوسته –لوله بستگی به میزان دبی سیال و افت فشار مجاز دارد. تعداد لوله ها در یک مبدل طوری انتخاب می شود که سرعت سیال داخل لوله (آب و یا سیال مشابه آن ) بین 9/0-4/2 متر بر ثانیه (3-8 فوت بر ثانیه ) و سرعت داخل پوسته 6/0- 5/1 متر بر ثانیه (2-5 فوت بر ثانیه ) باشد. ضخامت لوله با توجه به فشار داخلی و خارجی لوله ها و یا بیشرین اختلاف فشار تعیین می شود. همچنین طول استاندارد برای لوله ها  2438 ، 3658 ، 4877 ، 6096 ، 7315 ، میلیمتر ( 9 ، 12 ، 16 ، 20 و24 فوت ) می باشد.

3-2-3- صفحه لوله

این صفحه دایره ای شکل بوده و روی سطح خود دارای تعدادی سوراخ مساوی با تعداد لوله هاست .این صفحات بین پوسته و کلگی ها قرار می گیرند تا از اختلاط سیالات سمت لوله و پوسته جلوگیری کنند. انتهای لوله ها در این سوراخ ها قرار گرفته و بسته به طراحی، با روش هایی نظیر جوش دادن و یا رزوه کردن به صفحه لوله ها متصل شده و در جای خود ثابت می گردند.

به قطر خارجی روی صفحه لوله که در آن لوله ای و جود ندارند، OTL گویند. برای تسهیل قرار دادن لوله در این سوراخ ها بین دیواره سوراخ و جداره خارجی لوله مطابق با استاندارد ، فاصله ای در نظر می گیرند که به آن Tube Juncation  گفته می شود. برای سیالاتی که خورنده باشند روش جوش دادن مناسب نمی باشد زیرا در این صورت بین جداره خارجی لوله و بدنه صفحه لوله فاصله ای باقی می ماند و به مرور زمان سیال سمت پوسته وارد این فضا شده و جوش را از بین می برد.

در مبدل های صفحه لوله ثابت برای وصل کردن صفحه لوله به پوسته و درپوش دو حالت وجود دارد :

(الف) از هر دو طرف جوش داده می شود

(ب) از طرف پوسته جوش داده شده و از طرف در پوش بصورت اتصال فلنجی و واشری می باشد.

برای مبدل های صفحه لوله متحرک برای این اتصال علاوه بر دو مورد بالا ، اتصال فلنجی از هر دو طرف نیز وجود دارد. همچنین نوع  صفحه لوله تاثیرزیادی روی طراحی حرارتی ، قیمیت ، ایمنی و قابلیت اعتماد مبدل دارد. صفحه لوله را بر حسب نوع طراحی می توان به سه دسته تقسیم بندی نمود.

1-Normal Singel Tube Sheet

2-Double Tube Sheet

3-Double Tube Sheet gap

نوع double برای زمانیکه هیچگونه نشتی بین سیال طرف لوله و پوسته مجاز نباشد ، کاربرد دارد. این نوع اغلب برای مبدل های با صفحه لوله ثابت استفاده می شود. اگر چه می تواند با لوله U  شکل و کلگی Packed Floating نیز استفاده می شود. نوع ” دو صفحه لوله ” طول لوله را که در تماس با سیال طرف پوسته است ، کاهش می دهد، بنابراین باعث کاهش سطح موثر می گردد و نیز بر روی موقعیت نازل های طرف پوسته و فاصله بافل ها تأثیر می گذارد. نوع double Tubesheet gap یک فاصله معمولاً 150 میلیمتری (6 اینچی ) بین صفحه لوله داخلی ( طرف پوسته ) و خارجی ( طرف لوله ) دارد. نوع انتگرالی آن هر نوع نشتی سیال را به طرف پایین داخل صفحه لوله برای زهکشی روانه می کند. این نوع کمیاب بوده و به ابزارهای خاص و تجربه ساخت نیاز دارد.

3-2-4- آرایش لوله ها

به نحوه قرار گیری سوراخ های روی صفحه لوله ، آرایش صفحه لوله ویا چیدمان صفحه لوله گفته می شود. این سوراخ ها محل تماس لوله ها به صفحه لوله هستند. بنابراین نحوه ارایش آنها بستگی به نحوه قرار گرفتن لوله ها دارد. تعداد گذرهای لوله نیز با افزایش صفحه جدا کننده – که در داخل کلگی قرار می گیرد – روی نحوه آرایش تاثیر می گذارد ، زیرا برای متصل کردن صفحه جدا کننده ، محلی را برای آن روی صفحه لوله ها در نظر می گیرند . از پارامترهای مهم در آرایش لوله ها ، فاصله لوله ها از یکدیگر  و زاویه قرار گیری آنها نسبت به هم می باشد.

لوله ها می توانند نسبت به یکدیگر چار نوع آرایش داشته باشند :

1) مثلثی با زاویه 30 درجه

2) مثلثی با زاویه 60 درجه

3)مربعی با زاویه 90 درجه

4) مربعی با زاویه 45 درجه.

انتخاب  هر یک از این چهار وضعیت بستگی به شرایط رسوب گذاری و عواملی دیگر نظیر افت فشار دارد. حداقل فاصله بین لوله ها معادل 25/1 برابر قطر لوله ها می باشد. در فرآیندهای رسوب زا که نیاز به تمیزکاری مکانیکی است از آرایش 90 درجه استفاده می گردد.

لازم به ذکر است که آرایش 30 درجه بیشترین و 90 درجه کمترین تعداد لوله در پوسته را فراهم می نماید. در سیال تمیز سعی می شود از آرایش 30 درجه استفاده گردد.در مورد آرایش لوله ها به نکات زیر باید توجه شود.

  • از آرایش مربعی برای مبدل های صفحه لوله ثابت استفاده نمی شود. چون چنین مبدل هایی نیاز به تمیز کاری مکانیکی ندارند.
  • از آرایش مربعی 45 درجه ( مربعی چرخش داده شده ) برای جریان های تک فازی با رژیم جریان آرام ، سیال رسوب زدا و فرآیند کندانس شدن در بخش پوسته استفاده می شود.
  • در ریبویلرها از آرایش مربعی 90 درجه استفاده می شود تا مسیر مناسبی برای فرار بخارهای حاصل فراهم گردد.

3-2-5- بافل ها

بافل ها از اجزای بسیار مهم مبدل می باشند که در شکل گیری جریان مناسب برای رسیدن به ضریب انتقال حرارت بالا نقش مهمی را ایفا می کنند.معمولاً در طول مبدل از چندین بافل استفاده می شود که به فاصله بین این بافل ها  baffle spacing گفته می شود.معمولاً فاصله بافلها را بین 2/0 تا 0/1 برابر قطر پوسته در نظر می گیرند. هر چه فاصله بافلها کمتر باشد ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد اما موجب افت فشار بیشتری هم می شود. فاصله بهینه بافلها در حدود 3/0 تا 5/0 قطر پوسته است. بافلها به چهار گروه اصلی دسته بندی می شوند:1)بافل های طولی ، 2)بافل های عرضی ، 3) بافل های نگهدارنده و 4)بافل های صفحه برخورد.

3-2-5-1- بافل طولی

بافل طولی ، صفحه ای تخت و افقی است که بین لوله ها قرار می گیرد و از یک سر به صفحه لوله متصل است . با قرار دادن بافل طولی می توان تعداد گذرهای پوسته را افزایش داد. معمولاً ضخامت بافل طولی بین 6 تا 13 سانتیمتر در نظر گرفته می شود.همچنین بافل باید تحمل اختلاف فشار بین دوگذر را داشته باشد. اگر اختلاف دمای دو گذر زیاد باشد، بافل طولی باید دو جداره ساخته شود تا هوای بین دو صفحه ، عایق حرارتی بین دو گذر شود، زیرا نباید بین دو گذر پوسته از طریق بافل طولی انتقال حرارت انجام گیرد.به منظور جلوگیری از نشتی در سرتاسر بافل طولی معمولاً از یک پوشش نیم دایره ای که نیمی از دسته لوله داخل آن قرار می گیرد ، استفاده می شود. این پوشش Shroud  نام دارد و به بافل طولی و صفحه لوله ، پیچ می شودو همراه دسته لوله جابجا می گردد.

3-2-5-2-بافل های عرضی

نقش بافل های عرضی ، ایجاد جریان متقاطع درون پوسته مبدل می باشد.جریان متقاطع در پوسته باعث می شود که تمام لوله ها در فر ایند انتقال حرارت سهم داشته باشند. بدین ترتیب از ایجاد نقاط کور در مبدل جلوگیری می شود. علاوه بر آن بافل های عرضی نقش نگهدارنده را نیز ایفا کرده از ارتعاش لوله ها در شدت جریان های بالا جلوگیری می کنند. بافل های عرضی به دو دسته اصلی تقسیم بندی می شوند : بافل های برشی ، و شبکه ای . بافل های برشی عبارتند از صفحه هایی که به منظور عبور لوله ها سوراخ شده اند و قطعه ای از آنها که به پنجره لوله موسوم می باشد ، بریده شده است.

بافل های برشی  در یک تقسیم بندی دیگر به به بافل های تک برشه و تری ، دو برشه و تری ، سه برشه و تری ، تاج و دایره و بدون لوله ، دسته بندی می شوند. نوع تک برشه ، قطاعی از یک دایره کامل است با ضخامت کم ( مینیمم 16/3 و ماکزیمم 2/1 ایتچ ) و سوراخ دار که لوله ها از درون سوراخ رد شده و در جای خود محکم می شوند.

همچنین نوع دیگری از بافل های برشی وجود دارد که به بافل های بدون لوله و یا NTIW  معروف است. در بافل برشی فوق ، لوله هایی که در پنجره بافل واقع می شوند یک در میان توسط بافل نگه داشته می شوند. بنابراین ، این لوله ها مستعد ارتعاش می باشند.برای حذف چنین مشکلی می توان لوله های واقع در پنجره بافل را حذف نمود.

مشخصه های بافل های  NTIW  به شرح زیر است :
  • افت فشار این نوع بافل یک سوم افت فشار بافل تک برشه می باشد،
  • تمایل کمی به رسوب گذاری و ضریب فیلم حرارتی بالا دارد،
  • میزان برش بافل و تعداد لوله هایی که باید از پنجره بافل حذف شود بین 15 تا 25 درصد می باشد،
  • افت فشار کم در پنجره بافل و کاهش جریان های کنار گذر،

بین لوله ها و سوراخ های بافل فاصله کمی وجود دارد که به آن Baffle clearance گفته می شود. نحوه آرایش و قرار گیری پنجره بافل در یک مبدل ، نحوه عبور سیال سمت پوسته را مشخص می کند.

بافل های برشی رایج ترین نوع بافل می باشند ، مخصوصاً بافل های تک برشه که بسیار مرسومند و بالاترین ضریب فیلم طرف پوسته را دارند اما افت فشار آنها از انواع دیگری بالاتر است. بافل های دو برشه با همان فاصله بافل ها باعث افت فشار کمتر ( از 50 تا 75 درصد ) شده اما ضریب فیلم طرف پوسته کمتری دارند.

بافل ها باید حداقل یک ردیف همپوشانی داشته باشند . یعنی این همپوشانی باید حداقل به اندازه یک لوله 20 میلیمتری (75/0 اینچ ) برای بافل تک برشه با قطر پوسته ای 305 میلیمتر (12 اینچ ) باشد. با افزایش قطر پوسته این مقدار حداقل باید افزایش یابد. برای بافل های دو برشه ، دو نقطه همپوشانی لازم است( تا قطر 24 اینچ ) که با افزایش قطر ، این مقدار حداقل باید افزایش یابد.

ذکر این نکته حائز اهمیت است که با افزایش تعداد برش ها در بافل های برشی ، جریان سیال به تعداد برش ها منهای یک تقسیم می شود که موجب کاهش لرزشدر پوسته می گردد. همچنین فاصله بافل ها از یکدیگر نباید از یک مقدار مینیمم کمتر شود، در غیر این صورت موجب ایجاد جریان موازی لوله ها ( بر خلاف آنچه مورد نظر است) و افزایش فضای مرده می گردد.

بافل های میله ای و مار پیچی نیز مثال هایی از بافل های شبکه ای می باشند. بافل های شبکه ای در مواردی که افت فشار مجاز پایین باشد و پشتیبانی لوله ها برای جلوگیری از ارتعاش مهم باشد ، استفاده می شوند . بافل های میله ای بر اساس روابط توسعه داده شده توسط Philips petroleum  طراحی می گردند. این نوع بافل محدود به الگوی آرایش مربعی لوله ها می باشد . میله ها قطری حدود 6 میلیمتر یا 25/0 اینچ دارند. میله ها بین هر ردیف لوله ، به حلقه ای مدور جوش داده شده اند . بافل های مارپیچی معمولاً برای الگوی آرایشی مثلثی لوله ها قابل استفاده است. نوارها 25 میلیمتر ( 1 اینچ ) پهنا و 3 میلیمتر (125/0 اینچ ) اینچ دارند.

3-2-5-3-بافل نگهدارنده

بافل های نگهدارنده،بافل هایی هستند که تنها برای نگه داشتن و تقویت لوله ها بکار برده می شوند و هیچ تأثیری در افزایش انتقال حرارت و یا افت فشار ندارند.شکل آنها بصورت دایره ای کامل و سوراخدار است و در پوسته های نوع k،  X و Hاز استاندارد  TEMA استفاده می شود.

3-2-5-4- بافل صفحه برخورد

اگر جریان ورودی به پوسته دارای سرعت زیاد باشد و یا حاوی ذرات جامد ( ویا قطرات مایع در بخار )باشد ،لوله به مرور زمان تحت سایش قرار گرفته و حتی تغییر شکل می دهد. صفحه برخورد صفحه ای است که در زیر نازل ورودی پوسته و بالای لوله ها نصب می شود و از آسیب دیدن لوله ها جلوگیری می نماید.

از سوی دیگر در صورتی که این صفحه بطور مناسبی نصب شده باشد نقش بسزایی در توزیع جریان ورودی خواهد داشت واز ایجاد فضای مرده در لوله های زیر نازل ورودی جلوگیری خواهد کرد. ضخامت تقریبی این صفحه  mm3 و به صورت صاف و یا منحنی شکل می باشد.طول آن کمی بزرگتر از سوراخ نازل می باشد.مطابق جدول زیر در صورتی که تابع2  در ورودی نازل از مقادیر داده شده بزرگترگردد ، باید از صفحه برخورد استفاده نمود.

جدول مقادیر پیشنهادی برای 2
ρ = lb | ft3 , v = ft|s ρ = kg/m3 , v=m/s                                                         Type of fluid
                1550              2230               Non-corrosive, non-abrasive single phase
                500               744 All other liquids,including liquid at its boiling  point
                 0                0 All other gases, vapors saturated vapors and liquid-vapor mixture

اگر صفحه برخورد بر روی دسته لوله نصب شود لوله های زیر نازل ورودی باید حذف گردند. بنابراین مساحت ورودی پوسته تقریباً معادل سطح مقطع نازل می گردد و این در صورتی محقق می شود که تمامی لوله های زیر نازل ورودی به فاصله تقریبی 4/1 قطر نازل ورودی حذف گردند.گزینه دیگر قرار دادن صفحه برخورد دربخش گنبدی و یا مخروطی نازل ورودی است.هر دو حالت مزایا و معایبی دارند. اگر صفحه برخورد روی دسته لوله باشد ، دبی به نحو مطلوب تری توزیع می شود. این امر موجب می شود که هزینه های بزرگ کردن گردنه نازل حذف شود و از سوی دیگر مشکلات ناشی از ساخت این گونه نازل ها که همراه با سوراخ کردن پوسته برای نازل است،کمتر شود ( مانند آنچه که در نازلهای ورودی بخار اتفاق می افتد ). درمواردی که صفحه لوله و یا پوسته از آلیاژ ساخته می شود و نازل ورودی بزرگ نباشد، استفاده از صفحه برخورد در نازل گنبدی به میزان قابل توجهی هزینه ها را کاهش می دهد. برای بعضی کاربردهای خاص ، صفحه برخورد ممکن است سوراخ شود.مزیت اصلی سوراخ کردن صفحه برخورد ، کمک به کاهش سرعت در دسته لوله است.

3-2-6-میله های مهار و فاصله انداز بافل ها

میله مهار ، یک میله توپر است که در بین لوله ها قرار می گیرد و وظیفه آن جلوگیری از ارتعاش دسته لوله است.این میله از یک سر به صفحه لوله وصل شده و سر دیگر آن آزاد است.تعداد این میله ها با افزایش قطر، افزایش می یابد. استوانه فاصله انداز استوانه ای توخالی با قطر بیشتر از میله مهار است و وظیفه آن حفظ فاصله دو بافل مجاور یکدیگر است .جنس میله های مهار و فاصله انداز باید مشابه جنس بافل ها و دسته لوله ها باشد.بر اساس توصیه  TEMA تعداد و قطر میله ها ی مهار مطابق جدول زیر داده شده است.

تعداد و قطر میله های مهار بر اساس قطر پوسته طبق توصیه TEMA
Minimum Number

Of Tie Rods

Tie Rod

Diameter

Nominal

Shell Diameter

                  4 3/8                  6-15
                  6 3/8 16-27
                  6 1/2 28-33
                  8 1/2 34-48
                 10 1/2 49-60

3-2-7-دسته لوله

مجموعه لوله ها و اتصالات داخلی مبدل که در داخل پوسته قرار می گیرد ، دسته لوله نام دارد.این مجموعه متصل به هم را می توان در هنگام شستشو و تعمیرات داخلی ، از مبدل خارج نموده و بعد از تعمیرات ، دوباره در پوسته قرار دارد. اجزای یک دسته لوله عبارتند از : لوله ها ، بافل ها ، صفحه لوله ، میله های مهار ، فاصله انداز بافل ها و صفحه برخورد.

قطر دسته لوله تنها بستگی به تعداد لوله ها ندارد بلکه به تعداد گذرهای لوله نیز بستگی دارد زیرا باید به ازای این گذرها فضای خالی روی صفحه لوله در نظر گرفته شود تا صفحات جدا کننده گذرها روی آن تعبیه گردد. از روابط زیر می توان قطر دسته لوله و تعداد لوله هارا به دست آورد . این روابط بر حسب نتایج تجربی از آرایش های استاندارد حاصل شده اند.ثابتهایی که در این روابط موجود است را می توان برای آرایشهای مثلثی و مربعی از جدول A استخراج کرد :

(الف  )                                                                           do)n1  N1 = k1(Db |

( ب )                                                                            Db =do (N1 | K1)1/n1

که در آن :

Nt= تعداد لوله ها

Db= قطر دسته لوله

do= قطر خارجی لوله ، بر حسب mm

جدول(A) مقادیر ثابت مورد استفاده در روابط

 0.0365  0.0743     0.175      0.249       0.319 K1          
  2.675   2.285     2.207      2.142    n1   
Square pitch P1 = 1.25 do
      8        6          4          2         1 No passe
   .0331  0.0420      0.158      0.153      0.215 K1          
   2.643   2.617     2.263      2.291     2.207 n1         

8-2-3 اتصالات انبساطی

به علت نوسانات دمایی ناگهانی ، لوله ها و دیگر تجهیزات داخل مبدل دچار تغییر طول می شوند. اگر این تغییر طول در طراحی مبدل لحاظ نشده باشد، ممکن است باعث شکستگی لوله و خرابی مبدل گردد. برای جلوگیری از این امر از قطعه ای به نام expansion joint استفاده می شود. این قطعه نیروی ناشی از تغییر طول را کاهش می دهد . این قطعه معمولا به شکل دایره و یا مربع ، از جنس فولاد یا از جنس پوسته ساخته می شود و معمولا در مبدل های صفحه لوله ثابت بکارگرفته می شود.

نکته: تعداد گذر در یک مبدل به این معنی است که سیالات چند بار طول مبدل را طی می کنند . اگر افرایش مسیر در لوله باشد،آن را گذر لوله واگر در پوستباشد آنرا گذر پوسته نامند . تعداد گذر های لوله معمولا 1،2،4،6،8 می باشد . از مبدل با تعداد گذر بالاتر از16 به علت مشکلات ساخت و طراحی استفاده نمی شود. برای مبدل های چند لوله ، تعداد زوج ترجیح داده می شودو تعداد گذر فرد، غیر معمول بوده و مشکلات مکانیکی و حرارتی خواهد داشت. نکاتی که باید مورد توجه قرار گیرند عبارتند از:

  • برای مبدل های صفحه لوله ثابت،در نظر گرفتن تعداد گذرهای فرد و زوج امکان پذیر بوده و صفجه جداکننده گذرها را می توان در هر دو کلگی جلو و عقب جای داد.
  • برای مبدل های U شکل ، هر تعداد گذر زوج با قرار دادن صفحه جدا کننده گذرها در کلگی جلو امکان پذیر است.
  • برای مبدل های با کلگی متحرک، در انواع مختلف توجه به موارد زیر ضروری است:
  1. در کلگی های نوع T ,S ، تعداد گذر زوج محدودیتی ندارد . اگر تعداد گذر لوله ها فرد باشد خروجی کلگی عقب بوسیله تجهیزاتی مانند Bellows و یا Oring به انتهای مبدل متصل می شودتا تغییر طول در مبدل به لوله خروجی آسیبی نرساند.
  2. برای کلگی نوع w ، تعداد گذر به یک و حداکثر دو گذر محدود می شود .
  3. برای کلگی نوع P ، هیچ محدودیتی وجود ندارد.
  • برای افزابش سرعت در داخل لوله ها بهتر است تعداد گذر های لوله ها افزایش یابد .
  • برای جریان های دو فازی در داخل لوله (تبخیر و یا کندانس شدن) بهتر است لوله ، یکبار گذر مستقیم و یا به صورت U شکل باشد .
  • زمانی که ضریب انتقال حرارت در بخش پوسته خیلی کمتر از طرف پوسته باشد ، افزایش انتقال حرارت در بخش لوله ها با افزایش گذر و سرعت ، منطقی نیست .

3-3 انواع مبدلهای پوسته – لوله

مبدل های حرارتی پوسته -لوله بر حسب نوع کاربرد ، شرایط عملیاتی و خواص سیالات گرم و سرد ،طراحی خاص خود را دارند .تفاوت در طراحی ، به طور عمده از تغییراتی ناشی می شود که بر حسب نیاز در هر یک از اجزای تشریح شده در بالا اعمال می شود تا برای کاربردهای خاص مناسب گردد. به طور کلی میتوان مبدل های پوسته -لوله را به صورت زیر تقسیم بندی کرد:

1-3-3 مبدل با صفحه نگهدارنده ثابت لوله ها

در این نوع مبدل ها صفحه لوله ها به پوسته جوش داده می شوند. داخل لوله ها را می توان با جدا کردن در پوش و یا کل کلگی عقب ، بصورت مکانیکی تمیز کرد. ولی از آنجا که نمی توان پپوسته را جهت تمیز کاری خارج لوله ها باز کرد، تنها از روش های شیمیایی می توان استفاده نمود . تعویض دسته لوله در این مبدل ها جز با بریدن پوسته امکان پذیر نیست. اما می توان لوله های معیوب را جایگزین نمود . در صورت عدم تعویض لوله ها می توان لوله های معیوب را کور نمود. از سوی دیگر چنانچه پوسته و صفحات نگهدارنده لوله ها یکپارچه بوده و اختلاف دما بین پوسته و لوله زیاد باشد، انبساط های حرارتی جزئی به وجود آمده و در هنگام عملیات ، ایجاد تنش هایی روی صفحات نگهدارنده می نماید. این تنش ها علاوه بر اینکه باید در حین عملیات معمول مبدل در نظر گرفته شود ، باید در شرایط حاد راه اندازی نیز لحاظ گردد . بعنوان مثال کاهش این تنش ها از یک سری اتصالات انبساطی روی پوسته استفاده می شود.

نکته :عموما اتصالات انبساطی جهت اختلاف دمای حداقل 100 درجه فارنهایت تا 200 درجه پیشنهاد می شود . از مزایای مبدل های صفحه لوله ثابت این است که بعلت نداشتن اتصالات داخلی ، از پتانسیل مخلوط شدن سیالات پوسته و لوله کاسته می شود . از ذیگر مزایای این نوع مبدل می توان به جای دادن تعداد زیادی لوله در پوسته اشاره کرد که بدلیل نداشتن اتصالات داخلی امکان پذیر می باشد.

کلیه مبدل ها نیاز خروجی Vent و Drain  دارند. بنابراین این خروجی ها باید در دو بخش پوسته و لوله در محل مناسبی تعبیه شوند.

برگرفته از کتاب طراحی مبدل های حرارتی صنعتی با  ASPEN B-JAC

نگارش :

مهندس غلامرضا باغمیشه

مهندس معصومه مراد زاده

مهندس سید مهدی هدایت زاده

مهندس رضا درستی

این مطلب ادامه دارد …

مطالب مرتبط

مبدل حرارتی صفحه ای

توسط |2019-07-31T11:03:41+03:30ژوئن 19th, 2019|مطالب آموزشی|بدون ديدگاه

در باره نویسنده :

ثبت ديدگاه