PDA

مشاهده نسخه کامل : آموزش همه چيز درباره مبدل هاي حرارتي - مبدل حرارتي پوسته - لوله



santa_corooz
2011-May-03, 22:09
مبدل حرارتی پوسته-لوله

مبدل های حرارتی پوسته-لوله ای با مقطع دایره ای که در پوسته ای استوانه شکل نصب شده اند ساخته می شوند. بطوریکه محور لول ها موازی با محور پوسته است. این مبدل ها بصورت وسیعی بعنوان خنک کن های روغن و چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاه و به عنوان مولدهای بخار در نیروگاه های هسته ای و در کاربردهای صنایع فرآیندی و شیمیایی استفاده می شود.
یک سیال داخل لوله ها و سیال دیگر در سمت پوسته بصورت متقاطع با لوله ها و یا در طول آن ها جریان دارد.
اهداف اصلی طراحی در این مبدل ها در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها و تمیز کردن آسانتر مجموعه و هزینه کم در روش ساخت و تولید آنها نسبت به سایرین می باشد.
در مبدل های پوسته ای و لوله ای با صفحه لوله های ثابت پوسته به صفحه لوله جوش شده است و هیچگونه دسترسی به خارج از دسته لوله ها برای تمیز کاری وجود ندارد. در این نوع از مبدل ها تمیز کردن لوله آسان است.
مبدل های پوسته لوله ای با دسته لوله u شکل دارای کمترین هزینه ساخت می باشد. زیرا در آنها فقط به یک لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها بدلیل خم u شکل تند را نمی توان با وسایل مکانیکی تمیز کرد. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرگاه لوله بکار می رود ولی محدویتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.

چندین طرح ایجاد شده که به صفحه لول ها امکان می دهد تا شناور باشد.

اجزای اصلی مبدل های پوسته-لوله ای

مبدل های پوسته-لوله ای از لوله های دایره ای قرار گرفته در یک پوسته استوانه ای ساخته می شوند که لوله ها موازی با پوسته می باشد. یک سیال در داخل لوله ها جریان دارد و سیال دیگر از روی دسته لوله ها
دسته لوله ها tube bundle
پوستهshell
سرhead
انتهای جلوییfront-end head
سر انتهای عقبیrear-end head
دیوارک ها baffles
صفحه لوله هاtube sheets
انواع دسته لوله ها
نوعی از طراحی که امکان انبساط گرمایی مستقل لوله ها و پوسته را فراهم می کند. لوله u شکل است. بنابراین در این نوع طراحی انبساط گرمایی می تواند وجود داشته باشد و محدود نیست. لوله u شکل دارای کمترین هزینه ساخت است. زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سمت لوله بدلیل شکل انحنای u نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این نوع دسته لوله ها تنها تعداد زوجی از گذرهای لوله می تواند بکار رود. تنها لوله های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله ها قابل تعویض می باشند.
پوسته به صفحه لوله جوش خورده و به سمت بیرونی دسته لوله برای تمیز کاری دسترسی وجود ندارد. در این مورد تمیز کاری لوله بصورت مکانیکی بسیار آسان است.طرحهای متعددی فراهم آمده که به صفحه لوله ها امکان دهند تا شناور باشند. یعنی بتواند با انبساط گرمایی حرکت کند.

مبدل های گرمایی با سطوح پره دار :
این نوع مبدل ها دارای پره ها و یا ضمائمی در سطح اصلی که انتقال گرما به منظور افزایش این سطح می باشند. از آنجا که ضریب انتقال گرما در سمت گاز بسیار کوچکتر از مایع است سطوح انتقال گرمای پره دار در سمت گاز برای افزایش سطح انتقال گرما استفاده می شوند. پره ها بصورت وسیع در مبدل گرمایی گاز-گاز یا گاز مایع در جایی که ضریب انتقال گرما در یک یا هر دو سمت کوچک باشد و به مبدل فشرده گرما نیاز باشد استفاده می گردند.
مبدل صفحه ای پره دار:
نوع مبدل های صفحه ای پره دار عمدتا برای کاربردهای گاز-گاز و مبدل های لوله ای پره دار برای کاربردهای مایع – هوا استفاده می شود. در اکثر کاربردها کاهش جرم و حجم مبدل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بدلیل دست یافتن به این کاهش حجم و وزن مبدل های فشرده گرما همچون بصورت وسیع در تبرید با دمای خیلی کم بازیابی انرژی و صنایع فرآیندی و تبرید و سیستم های تهویه مطبوع استفاده می گردند.


بفلها:
بفلها در پوسته برای تعیین جهت جریان در طول تیوبها و افزایش سرعت و افزایش نرخ انتقال حرارت استفاده می شوند.
جهت توصیف بافل این گونه می توان بیان شود که در واقع برش بافل ها در بخش های طولی بفل هستند که برای تغییر جهت حرکت سیال در آن بکار می رود.
حداکثر ضخامت بافل ها و نگهدارنده های آن ها در استانداردها وجود دارد. فاصله بافل ها حدود 0.2 تا 1 برابر قطر پوسته می باشد. فاصله کم بافل ها باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می شود اما افت فشار نیز زیاد می شود.

santa_corooz
2011-May-03, 22:11
معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته - لوله‌اي


http://naft.itan.ir/paper/901/0.jpg


توجه به محدوديت سوخت‌هاي فسيلي در دنيا موجب شده است كه امروزه موضوع بهينه‌سازي مصرف انرژي در واحدهاي فرآيندي، بيش از پيش مورد توجه قرار گيرد. يكي از تكنيك‌هاي بهينه‌سازي مصرف انرژي، تكنيك HTE است كه در زير معرفي شده‌است. نويسندة متن ارسالي زير، در پايان معرفي تكنولوژي، به اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي دستيابي به اين تكنولوژي و موفقيت‌هاي به‌دست آمده اشاره كرده‌است.
معرفي تكنولوژي HTE

در فرآيندهاي شيميايي، مهمترين بخشي كه مستقيماً با مصرف انرژي ارتباط مي‌يابد، مبدل‌هاي حرارتي مي‌باشند. تاكنون همواره تلاش شده است تا مبدل‌هايي طراحي گردند كه ضمن داشتن حداكثر بازدهي، در كاركردهاي بلند‌مدت، كمترين مشكلات عملياتي را داشته باشند. اصولاً مبدل‌هاي حرارتي، به‌خصوص از نوع پوسته- لوله‌اي (Shell-and-Tube)، داراي دو مشكل عملكرد پايين حرارتي (Thermal Deficiency) و جرم‌گرفتگي داخل لوله‌ها (Fouling)، به‌خصوص در هنگام كاركرد با سيالات كثيف يا حساس به دما مي‌باشند.

يكي از روش‌هاي كاربردي و موثر در بهبود انتقال حرارت و كاهش جرم گرفتگي، استفاده از وسايل افزايندة انتقال حرارت (Tabulators) است. اين وسايل به آساني در داخل لوله‌هاي مبدل‌هاي پوسته-‌لوله‌اي نصب مي شوند و در زمان توقف واحدها (Overhaul)، به‌راحتي قابل بيرون كشيدن و تميز كاري و نصب مجدد مي‌باشند.

اين روش كاربردي، امروزه به عنوان تكنولوژي HTE يا Heat Transfer Enhancement شناخته شده است كه تحت ليسانس شركت‌هاي مختلف، بيش از يك دهه براي به‌كارگيري در صنايع مختلف نفت و گاز و پتروشيمي و حتي نيروگاه‌ها توصيه و تبليغ مي‌گردد. شايان ذكر است كه در حال حاضر، تنها در آمريكا بيش از 50 پالايشگاه و 6 واحد پتروشيميايي از مزاياي اين تكنولوژي بهره برده‌اند. البته استفاده از اين تكنولوژي محدود به آمريكا نبوده و در بسياري از پالايشگاه‌ها و مراكز پتروشيمي كشورهاي اروپايي و حتي در آسيا (به‌طور مشخص تايلند، مالزي و ژاپن) نيز اين تكنولوژي به‌كار گرفته شده است.

santa_corooz
2011-May-03, 22:13
اصول و مباني تكنولوژي HTE


http://naft.itan.ir/paper/901/1.jpg

اساساً روش‌هاي متعددي براي افزايش بازدهي مبدل‌هاي حرارتي ارائه شده است كه به دليل هزينه كمتر نسبت به روش‌هاي ديگر و عدم استفاده از ساير منابع انرژي نظير برق، جنبه‌هاي اجرايي استفاده از وسايل افزاينده انتقال حرارت براي مهندسان در صنايع، بسيار پرجاذبه‌تر تشخيص داده شده است. اين وسايل كه با اشكال هندسي خاصي طراحي مي‌شوند، درون لوله‌هاي مبدل قرار داده مي‌شوند.

ايجاد سرعت‌هاي چرخشي در جريان سيال و افزايش اختلاط به‌خصوص در نزديكي ديواره‌هاي داخلي لوله‌هاي مبدل، نهايتاً سبب مي‌گردد كه از سرعت ته‌نشيني ذرات كاسته شده و از تشكيل لايه مرزي نيز جلوگيري گردد. فرصت نيافتن سيال براي تشكيل لاية مرزي كه خود از مقاومت‌هاي مهم در برابر انتقال حرارت محسوب مي‌شود، از دلايل عمدة افزايش نرخ انتقال حرارت ميان سيال درون لوله و پوسته مي‌باشد. به‌علاوه، افزايش سرعت شعاعي و محوري در جريان سيال داخل لوله باعث نوعي يكنواختي در توزيع دما در طول لوله و در هر مقطع از آن مي‌گردد. لذا در برخي از مكانيزم‌هاي تشكيل جرم گرفتگي درون لوله‌هاي مبدل‌ها، نظير كك زدن (Cocking)، كه دليل اصلي آن به‌وجود آمدن نقاط داغ موضعي در سطح لوله (Hot Spot) است، استفاده از اين وسايل باعث جلوگيري از اين پديده شده و نهايتاً سبب بهبود انتقال حرارت در طول لوله مي‌گردد.

وسايل افزايندة انتقال حرارت در انواع مختلفي طراحي مي‌شوند كه هر يك بسته به ساختمان طراحي خود، با مكانيزم خاصي سبب افزايش انتقال حرارت و كاهش همزمان جرم‌گرفتگي در لوله‌ها مي|‌گردند.

اين وسايل نه‌تنها در لوله‌هاي مبدل‌هاي پوسته-‌لوله‌اي بلكه در كولرهاي هوايي، جوش‌آورها، چگالنده‌ها، و كوره‌هاي احتراقي نيز به طور عملي استفاده مي‌شوند.

نكته قابل توجه اين است كه بيشتر سيالاتي كه مورد سرمايش و گرمايش قرار مي‌گيرند، داراي ويسكوزيتة نسبتاً بالايي مي‌باشند، يا در مواردي كه سيالات كثيف (Foul ant) بوده، ضريب انتقال حرارت اين سيالات در جريان لوله نسبتاً پايين مي باشد. لذا در چنين مبدل‌هايي، انتقال حرارت براي طرف لولة كنترل كنندة سرعت انتقال حرارت مي‌باشد. بنابراين استفاده از دستگاه‌هاي افزايندة انتقال حرارت، موجب بهبود و مزيتي براي رفع هر دو نقيصة مزبور در مبدل‌هاي پوسته-‌لوله‌اي خواهد بود.

santa_corooz
2011-May-03, 22:14
موارد به‌كارگيري تكنيك HTE

اصولاً به‌كارگيري و مزاياي ناشي از به‌كار بردن اين وسايل در لوله‌هاي مبدل‌هاي پوسته- لوله‌اي در دو زمينة زير قابل توجه مهندسان بوده است:

1- در بهبود كاركرد مبدل‌هاي حرارتي موجود، مزاياي عمده‌اي در فرآيند مربوط به نصب اين وسايل در درون لوله‌ها و سپس كاهش تعداد گذر‌هاي طرف لوله به‌صورت زير حاصل مي‌گردد:


- كاهش رسوب گرفتگي در لوله‌ها


- رساندن درجة حرارت‌هاي سيالات خروجي از طرف لوله و طرف پوسته به دماهاي مورد نظر در طراحي (Spec.)و حتي فراتر از آن

- افزايش ظرفيت واحدها (Revamping) با بالا بردن دبي جريانها در مبدل‌ها، به‌خصوص وقتي كه مبدل‌ها، دستگاه‌هاي حرارتي گلوگاهي (Bottleneck) فرآيند محسوب مي‌شوند.

- افزايش بار حرارتي دستگاه‌هاي تبادل حرارتي و اصلاح شبكة مبدل‌هاي حرارتي (Retrofitting) و نهايتاً كاهش مصرف آب و بخار (Utilities) در يك فرآيند.

2- مزاياي ناشي از به‌كارگيري اين تكنولوژي در طراحي اولية مبدل‌ها (Grassroots Design)

- كاهش سطح انتقال حرارت مورد نياز به مقدار بسيار قابل ملاحظه

- كاهش تعداد پوسته‌ها و گذرهاي طرف لولة مبدل و ساده‌تر شدن ساختمان مبدل در طراحي

- كاهش نيروي محركة دمايي LMTD كه به‌طور مثال در مبدل‌هاي بخاري(Steam heaters) ، نياز به تامين بخار فشار بالا را منتفي خواهد نمود.

نمونه هاي عملي از به‌كارگيري اين تكنولوژي در صنايع (Case Studies)

در ذيل، چهار مثال مجزا جهت نشان دادن مزاياي به‌كارگيري اين تكنيك در صنايع مختلف نفت و گاز پتروشيمي آورده شده است. به‌طوري‌كه ملاحظه مي‌شود، استفاده از تكنولوژي HTE در حل مشكلات حرارتي و عملياتي، نظير جرم گرفتگي مبدل‌ها كاملاً موفق بوده است.

مثال اول) پالايشگاه نفت گرنبي موس در اسكاتلند

شركت نفت انگلستان (B.P) امكان رسوب‌گرفتگي ناشي از كريستالي شدن تركيبات هيدروكربوري سنگين (واكس) را با طراحي يك كولر هوايي مناسب و استفاده از اين تكنولوژي حذف نموده است.

شرح مثال 1

مثال دوم) پالايشگاه نفت لينجن در آلمان

با تلفيق اين تكنولوژي و با استفاده از بافل‌هاي حلزوني نه تنها از ميزان رسوب گرفتگي در لوله‌هاي مبدل كاسته شده، بلكه طراحي با اين تلفيق، منجر به داشتن تعداد كمتري از پوسته‌هاي مبدل شده است.

شرح مثال 2

مثال سوم) پالايشگاه اونتاريا در كانادا

استفاده از اين تكنولوژي منجر به داشتن مبدلي فشرده‌تر و بدون نيازمندي به نگهداري و بازرسي در عمليات كراكينگ كاتاليستي گازوييل سنگين (HCGO) شده است.

شرح مثال 3

مثال چهارم) تاسيسات ذخاير گاز لنچات در بلژيك

استفاده از اين تكنولوژي منجر به بهبود كاركرد مبدل مياني تنها با يك پوسته در عمليات آبگيري از گاز شده است.

santa_corooz
2011-May-03, 22:15
اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت

پژوهشكدة گاز پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي ايجاد و توسعة دانش فني اين تكنولوژي در كشور قدم‌هاي اساسي برداشته كه نهايتاً موجب ثبت اين تكنولوژي در ايران (به شماره پروژه‌هاي 71010108 و 71010110 و شماره ثبت 26156 مورخه 16/10/78) شده است. محورهاي اساسي در مجموع فعاليت‌هاي انجام شده به قرار زير است:

1) اراية سمينار و كارگاه‌هاي آموزشي

به منظور آشنايي مهندسان و كارشناسان مختلف و علاقه‌مند به اين تكنولوژي, سمينارها و كارگاه‌هاي مختلفي در سطح صنايع نفت و گاز و پتروشيمي برگزار شده است.

2) ساخت وسائل افزاينده انتقال حرارت

با تلاش و پيگيري‌هاي انجام شده تكنيك ساخت و پارامترهاي توليدي يكي از مهمترين انواع وسائل افزايندة انتقال حرارت بدست آمده است. در حال حاضر توانايي ساخت اين وسائل در ابعاد مختلف و با فشردگي‌هاي متفاوت و براي هر دامنه‌‌اي از نياز فراهم آمده است.

3) تعيين مشخصة عملكرد هيدروليكي- حرارتي وسائل مذكور

پس از ساخت اين وسائل به منظور برآورد مشخصات عملكردي وسائل افزايندة انتقال حرارت يك سيستم آزمايشگاهي (Test Rig) طراحي و ساخته شد. بدين ترتيب اطلاعات دقيق عملياتي براي هر وسيله قابل حصول خواهد بود.

4) تهية نرم‌افزار RIPI-HEX

جهت تعيين پتانسيل بكارگيري اين تكنيك در مبدل‌هاي پوسته- لوله‌اي و براي شرايط طراحي (Design) و عملكردي (Rating) نرم‌افزاري تهيه و تدوين شد. با كمك اين نرم‌افزار امكان بررسي هر يك از حالات توصيف‌شده در شرايطي كه افزايش راندمان حرارتي مبدل مدنظر باشد، قابل بررسي خواهد بود.

در حال حاضر پژوهشگاه صنعت نفت امكان پيش بيني و تخمين ميزان پتانسيل سودمندي ناشي از بكارگيري اين تكنيك را براي مبدل‌هاي معرفي‌شده از سوي صنايع مختلف را دارا مي‌باشد.


منابع مطالعاتي بيشتر:

1-M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley, “An Algorithm for Cost Comparison of Optimized Shell-and-Tube Heat Exchangers with Tube Inserts and Plain Tubes,” Chem.Eng.Technol. 23,(3), 2000.

2-G.T.Polley, M.R.Jafari Nasr and A.Terranova, “Determination and Applications of the Benefits of Heat Transfer Enhancement,” IChemE, Vol.72, Part A, pp.616-620, Sept., 1994.

3-M.R. Jafari Nasr, A.T.Zoghi,“Performance Improvement of Tehran Refinery Pre-heater Exchangers Using Heat Transfer Enhancement”, No.41, Summer 2001.

4-M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley and A.T. Zoghi , “Performance Evaluation of Heat Transfer Enhancement (H.T.E. Technology),” 14th International Chemical and Process Engineering Congress, CHISA, Parha, Czech Republic, 27-3 Aug. , 2000

santa_corooz
2011-May-08, 13:54
مبدل حرارتي (Heat Exchanger) :
چكيده:

مبدل حرارتي دستگاهي است كه براي انتقال حرارت موثر بين دو سيال (گاز يا مايع) به ديگري استفاده مي‌گردد. از رايج‌ترين مبدل‌هاي حرارتي رادياتور خودرو و رادياتور شوفاژ است. مبدل هاي حرارتي در صنايع مختلف از جمله گرم كردن فضا، سرد سازي، تهويه مطبوع، خودرو، نفت و گاز و بسياري صنايع ديگر مورد استفاده قرار مي‌گيرند. مكانيزم انتقال حرارت بصورت جابجايي و هدايت مي باشد.

يك مثال معمول از مبدل هاي حرارتي رادياتور ماشين مي باشد،كه در آن آبي كه با حرارت موتور ماشين داغ شده است ، حرارت آن از طريق رادياتور به جريان هوا منتقل مي كند. از انواع مبدل ها مي توان به مواردي چون مبدل هاي لوله اي (Tubular Heat Exchanger) (كه خود اين مبدل ها بر اساس شكل به مبدلهاي لوله اي U شكل، مبدلهاي دو لوله اي ساده و مبدل هاي دو لوله اي كويل دار تقسيم بندي مي شوند.) ، مبدل هاي پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger)، مبدل هاي صفحه اي (Plate heat exchanger)، مبدل هاي پره دار (Fin Heat Exchangers) اشاره كرد.

مقدمه:

مبدل ها وسايلي هستند كه در صنعت براي انتقال حرارت بين دو سيال بكار مي روند. در ابتدا سعي مي شود تا آنجا كه ممكن است براي گرم كردن و سرد كردن جريان ها از خود سيال هاي موجود در فرايند استفاده شود . بعد از حداكثر كردن ميزان بازيافت حرارت در شبكه مبدل حرارتي بار هاي گرمايشي و سرمايشي كه از طريق بازيافت حرارت تامين نشده اند بايد توسط سرويس هاي جانبي (Utility) تهيه شوند . مكانيزم انتقال حرارت بصورت جابجايي و هدايت مي باشد.
نحوه قرار گرفتن سيال ها در كنار يكديگر مي تواند به چندين صورت مختلف باشد:

- جريان همسو (co-current) : دو سيال از يك طرف مبدل وارد شده و هر دو از طرف ديگر خارج مي شوند. بعضي در مبدل نيز هردو در يك سو حركت مي كنند . نتيجتاً در مبدل نيز هر دو در يك سو حركت مي كنند. (شكل 1)



http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206001.JPG


جريان ناهمسو (counter-current): هركدام از سيال ها از جهات مخالف وارد و خارج مي شوند ( يكي از سيا لها از يك جهت و سيال ديگر از جهت ديگر وارد مي شود) و دو سيال در مبدل به صورت ناهمسو جريان دارد.(شكل 2)


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206002.JPG


- جريان متقاطع (cross-flow): يكي از سيال ها از يك جهت و سيال ديگر در جهت عمود بر آن جريان دارد. مشخص ترين نمونه آن رادياتور ماشين مي باشد كه جريان آب از بالا به پايين در لوله ها و جريان هوا عمود بر آن مي باشد.(شكل 3 )


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206003.JPG


- جريان چندگذر (multi pass): كه در آنها جريان هاي دو سيال به صورت چندتايي در مبدل چيده شده اند .(شكل 4)


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206004.JPG

santa_corooz
2011-May-08, 13:58
تقسيم بندي مبدل ها

مبدل ها را مي توان از جهات گوناگون تقسيم بندي كرد. ابتدا عناوين اين تقسيم بندي ذكر مي گردد و سپس در مورد هركدام توضيحاتي ارائه مي شود.
تقسيم بندي بر اساس خصوصيات سيال هايي كه در مبدل ها جريان دارد:
اين تقسيم بندي بر اساس سيال فرايندي مبدل شكل گرفته است. البته تفاوت بين ضرايب انتقال حرارت گازها و مايعات در تعيين شكل مبدل نقش موثري دارد.

مايع/ مايع
در اين نوع مبدل هاي حرارتي هر دو سيال مايع هستند و مكانيزم انتقال حرارت براي هر دو ، انتقال حرارت اجباري است. انتقال حرارت در اين مبدل ها به علت بالا بودن ضريب انتقال حرارت مايعات بالاست.

گاز/ مايع
در اين مبدل ها يك سيال مايع و سيال ديگر گاز است. معمولاً براي خنك نمودن سيال گرم توسط هوا استفاده مي شود. جريان مايع با سرعت كافي داخل لوله پمپ مي شود كه اين موجب بالا بودن ضريب انتقال حرارت طرف لوله ها مي شود. هوا به صورت متقاطع بر روي لوله ها جريان مي يابد. جريان هوا مي تواند به صورت جابجايي اجباري يا آزاد باشد.

گاز/گاز
معمولاً كمتر اتفاق مي افتد كه در مبدل ها هر دو سيال گاز باشند مگر اينكه يكي از گازها در فشار بالا باشد .
گاز فشار بالا كه دانسيته آن بيشتر است در داخل لوله ها جريان مي يابد. البته ضريب انتقال حرارت در اين موارد خيلي كوچك است و براي انتقال حرارت مناسب بايد تدابيري انديشيد كه در مباحث بعد در اين مورد بحث مي شود.

كندانسورها
در اين مبدل هاي حرارتي جريان بخار يك سيال توسط مايع (مثلاً آب) و يا جريان گاز (مثلاً هوا) خنك و كندانس مي شود. گاهي اوقات بخار خارج لوله است مثل كندانسورهاي نيروگاه هاي حرارتي و گاهي اوقات بخار داخل لوله است مثل كندانسورهاي فرئون.

santa_corooz
2011-May-08, 14:05
مبدل لوله اي (Tubular Heat Exchanger) :

اين گونه از مبدل ها از دو لوله هم محور تشكيل شده اند. يكي از سيال ها در داخل لوله مياني و در امتداد طول آن جريان مي يابد و سيال ديگر در داخل حلقه بين دو لوله جريان خواهد يافت. ساير اجزاء ساختماني اين مبدل ها عبارتند از :

- زانوي برگشت
- سر برگشت
- اتصالات T

براي ورودي و خروجي سيال ها هنگامي كه اختلاف انبساط حرارتي بين لوله خارجي و داخلي وجود دارد در كاربرد نوع اتصالات مي بايد دقت كافي شود تا تنش حرارتي مينيمم گردد.

مبدل هاي لوله اي را مي توان بر اساس شكل تقسيم بندي نمود:

1 - مبدل هاي لوله اي U شكل


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206005.JPG

2 - مبدل هاي دو لوله اي ساده :


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206006.JPG

3 - مبدل هاي دو لوله اي كويل دار


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206007.JPG

موارد كاربرد و مزاياي مبدل هاي لوله اي
هنگامي كه ضريب انتقال حرارت سيال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از 2:1 باشد، مثلاً داخل لوله مايعات كم لزج مثل آب با ضريب انتقال حرارت بالا باشد و خارج آن از مايعات لزج استفاده شود معمولاً بجاي استفاده از مبدل هاي پوسته و لوله از مبدل هاي لوله اي استفاده مي شود. البته در اين موارد از پره با طول بلند كه باعث افزايش سطح مي شود، در خارج لوله استفاده مي شود. همچنين اگر سرويس هاي فشار بالا مورد نياز باشد ، مبدل هاي لوله اي ترجيحاً استفاده مي شود. در سرويس هاي كوچك نيز از اين مبدل ها استفاده مي شود.
استفاده و كاربرد زيادي كه مبدل هاي لوله اي دارند به خاطر مزاياي زير مي باشد:
اين سيستم ها داراي انعطاف پذيري زيادي هستند. در طول هاي مختلف و از انواع لوله هاي مختلف و از مواد مختلف ساخته مي شوند و خيلي سريع از سوار كردن قطعات استاندارد پيش ساخته آماده مي گردند . با انتخاب صحيح اتصالات به آساني مي توان قطعات آن را پياده نمود تا درون و بيرون لوله ها تميز شوند. محاسبات طراحي آنها به صورت دقيق و خوبي تدوين شده است. توزيع و پخش سيال را مي توان در واحدهاي مختلف كنترل نمود. اين كار با انتخاب پمپ هاي جداگانه براي هر سري مبدل امكان پذير است.

معايب مبدل هاي لوله اي
از معايب عمده اين مبدل ها مي توان موارد زير را نام برد:
1 - براي بار حرارتي بزرگ، سيستم مبدل هاي دولوله اي حجم زيادي را اشغال مي كنند.
2 - قيمت آنها براي واحد سطح انتقال حرارت نسبتاً زياد است.




کلمات کليدي:
مبدل حرارتي - تهويه مطبوع - جريان همسو - جريان ناهمسو - جريان متقاطع - جريان چند گذر - پوسته و لوله - مبدل صفحه اي - مبدل پره دار - Fin Heat Exchangers

santa_corooz
2011-May-08, 14:34
مبدل پره دار (Fin Heat Exchangers) :

هنگامي كه اختلاف فاحشي بين ضريب انتقال حرارت داخل و خارج لوله (در هركدام از انواع مبدلهاي ذكر شده) وجود داشته باشد از پره استفاده مي شود (در طرفي كه ضريب انتقال حرارت كمتر دارد). به عنوان مثال در مبدل هاي گاز/مايع در طرف گاز از پره هاي بلند استفاده مي شود و يا در مبدل هاي گاز/گاز به علت كم بودن ضريب انتقال حرارت در دو طرف به وسيله فين ها سطح انتقال حرارت و در ننتيجه ميزان آن را افزايش مي دهند.

پره ها معمولاً داراي ضخامت 0.0335 in هستند. راندمان حرارتي آنها با افزايش مقاومت حرارتي كاهش پيدا مي كند. اگرچه لوله هاي با پره داخلي وجود دارد ولي در مبدلهاي لوله اي بيشتر از پره هاي بلند طولي استفاده مي شود كه در خارج لوله تعبيه شده اند. پره ها مي توانند پيچششي و منقطع نيز باشند تا بدين وسيله سيال داخل حلقه بهتر مخلوط شود. اما در عمل مشاهده مي شود كه افت فشار را به مقدار زيادي افزايش مي دهند و به اين ترتيب اثر افزايش انتقال حرارت خنثي مي شود.




نمونه اي از پره ها :
http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206035.JPG


نمونه اي ازمبدل پره دار
http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206036.JPG

santa_corooz
2011-May-08, 20:59
مبدل پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger) :

هنگامي كه سطح انتقال حرارت لازم براي مبدل هاي دو لوله اي زياد شود (بيشتر از 50m2 باشد)، بهتر است از مبدل هاي پوسته و لوله استفاده شود. مبدل هاي پوسته و لوله به طور وسيعي در فرايند هاي انتقال حرارت براي كاربردهاي مايع/مايع و همچنين در كندانسورها و مولدهاي بخار استفاده مي شوند . اين مبدل ها براي انتقال حرارت مشخصي سطح كمتري به نسبت مبدل هاي لوله اي اشغال مي كنند



مبدل هاي پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206008.JPG

مبدل هاي پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206009.JPG

مبدل هاي پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206010.JPG


مزاياي اين گونه مبدل ها عبارتند از:

1 - در حجم كم ايجاد سطح بزرگي براي انتقال حرارت مي كنند.
2 - طراحي مكانيكي خوبي دارند.
3 - روش ساخت تثبيت شده خوبي دارند.
4 - قابليت استفاده براي دامنه وسيعي از مواد را دارند.
5 - به راحتي تجهيز مي شوند.
6 - روش طراحي خوب و تثبيت شده اي دارند.

قسمتهاي اصلي اين مبدل ها عبارتند از:

- لوله ها (Tubes)
- پوسته (Shell)
- بافل ها (Baffles)
- هد جلويي (Front Head)
- هد پشتي (Rear Head)
- صفحات تيوب ها (Tube Sheets)
- نازل ها (Nozzels)




مبدل هاي پوسته و لوله Shell & Tube Heat Exchanger با اجزا اصلي

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206011.JPG

santa_corooz
2011-May-08, 21:19
مبدل پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchanger) :

پوسته :
پوسته ها كه در واقع در بر گيرنده لوله ها هستند از نظر اندازه، مواد سازنده و ضخامت محدوده وسيعي دارند. قيمت پوسته ها بيشتر از لوله ها مي باشد. بنابراين معمولاً سعي مي شود از حداقل پوسته استفاده شود.

لوله ها (Tubes) :
لوله عنصر اصلي مبدل هاي پوسته و لوله هستند كه در واقع سطح انتقال حرارت لازم را براي سيالاتي كه در داخل و خارج آن جريان دارند را فراهم مي سازند. لوله ها معمولا از فلزات مختلف به روش اكستروژن و بدون درز ساخته مي شوند. جنس آنها معمولاً ا ز فولاد كم كربن، فولاد زنگ نزن، مس و ...مي باشد. لوله ها ممكن است به صورت مربعي 90 درجه (شكل 12 ) يا در وضعيت چرخانده كنار هم قرار گيرند .

در اين حالت تميز كردن خارج لوله ها راحت تر است. طرح مثلثي (شكل12) روش ديگري است كه به علت زياد بودن آشفتگي سيال، ضريب انتقال حرارت و افت فشار طرف پوسته را افزايش مي دهد؛ و نيز مقدار بيشتري از لوله را مي توان در قطر مشخصي از پوسته قرار داد. قطر لوله ها بين 16mm تا 50mm (⅝تا 2 اينچ) مي باشد. ولي معمولاً از 16mm تا 25mm (⅝تا 1 اينچ) استفاده مي شود. طول لوله ها نيز از 1.8 متر تا 7.3 متر ( 6ft تا 24ft) انتخاب مي شود. ضخامت لوله ها نيز با توجه به قطر آنها از 1.2mm تا 3.2 mm انتخاب مي شود.

گرچه هدف، افزايش انتقال حرارت به وسيله افزايش سرعت سيال ها در داخل لوله ها مي باشد ولي اين سرعت بايد در حد مجاز باشد چون هرچقدر سرعت بيشتر شود،افت فشار افزايش مي يابد وهمچنين نوسانات بيشتر مي شود و باعث ايجاد شكستگي در اتصالات و زانويي ها مي شود.



شكل 12 - آرايش مثلثي و مربعي لوله ها

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206012.JPG


بافل ها (Baffles) :
بافل ها معمولاً در قسمت پوسته مبدل استفاده مي شوند براي اينكه لوله ها را در جاي خود نگه دارند و جريان سيال داخل پوسته را به صورت چرخشي تبديل كنند تا سرعت سيال و ضريب انتقال حرارت افزايش يابد و معمولاً به صورت هاي Segmental baffle, disk-and-doughnut baffle,orifice baffle (شكل هاي 15،16 و17) مي باشند.

بافل ها دو مشخصه اصلي دارند: برش بافل(Baffle Cut)، فاصله بافل ها ( Baffle Spacing Lb )

فاصله بافل ها ( Baffle Spacing Lb) :
فاصله دو بافل متوالي مي باشد كه معمولاً بين 20% تا 100% قطر پوسته انتخاب مي شود و مقدار بهينه آن بين 30% تا 50% قطر پوسته مي باشد. هرچقدر Lb كمتر باشد سرعت و افت فشار در پوسته بيشتر مي شود.

برش بافل Baffle Cut :
ارتفاع بريده شده از بافل نسبت به قطر مي باشد كه معمولاً به صورت درصد بيان مي شود و معمولاً 25 % مي باشد.



شكل 13 - نمايش لوله ها در يك كلاف لوله Boundle Tube

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206013.JPG


هرچقدر Baffle Cut كمتر يا طول بريده شده كمتر شود سرعت و ضريب انتقال حرارت و افت فشار بيشتر مي شود.
بافل ها را مي توان به دو دسته بافل هاي طولي Longitudinal Baffles و بافل هاي متقاطع يا مورب Transver Baffles نيز تقسيم بندي كرد كه معمولاً به صورت زاويه دار با لوله ها قرار مي گيرند و باعث ايجاد جريان ناآرام در اطراف پوسته مي شوند.
بافل هاي طولي براي كنترل مسير جريان داخل پوسته استفاده مي شوند.



نمايي از اجزا يك مبدل پوسته و لوله شامل صفحه تيوب، لوله ها و بافل ها

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206014.JPG



[CENTER]disk-and-doughnut baffle

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206015.JPG


orifice baffle:


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206016.JPG

Segmental Baffles :


http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206017.JPG


[CENTER]آرايش مثلثي لوله ها ،صفحه تيوب و بافل ها در يك مبدل پوسته و لوله :

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206018.JPG


صفحه تيوب (Tube Sheet) :
يكي از اجزاي مهم مبدل ها كه اصلي ترين سد بين تيوب ها و پوسته است و طراحي مناسب آنها براي اطمينان از كارايي سيستم لازم است، صفحه تيوب ها هستند. نحوه اتصال آنها به تيوب ها و پوسته هم مي تواند به صورت جوش داده شده و هم به وسيله پيچ باشد.



آرايش مثلثي لوله ها ،صفحه تيوب و بافل ها در يك مبدل پوسته و لوله :

http://www.petronet.ir/upload/editor/32342/Image/petronet%20-%20heat%20exchanger%20-%206019.JPG

محمـد
2012-Apr-06, 10:11
برای طراحی مبدل حرارتی به وسیله اکسل می توانید از لینک زیر استفاده کنید
طراحی مبدل با اکسل (http://www.daneshju.ir/forum/f1066/t115051.html?highlight=%D8%B7%D8%B1%D8%A7%D8%AD%DB %8C+%D9%85%D8%A8%D8%AF%D9%84+%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8 %B1%D8%AA%DB%8C%D9%BE)

محمـد
2012-Apr-06, 10:14
برای طراحی مبدل حرارتی صفحه ای می توانید از لینک زیر استفاده نمایید:
(http://www.daneshju.ir/forum/f1101/t132153.html?highlight=طراحی+مبدل+حرا تیپ)نرم افزار طراحی مبدل های حرارتی پلیت با PHex v2.0 (http://www.daneshju.ir/forum/f1066/t112085.html?highlight=طراحی+مبدل+حرا تیپ)

محمـد
2012-Apr-06, 10:25
برای طراحی مبدل های حرارتی پوسه و لوله ای می توانید از لینک زیر استفاده نمایید
نرم افزار طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای (http://www.daneshju.ir/forum/f1066/t131724.html?highlight=%D8%B7%D8%B1%D8%A7%D8%AD%DB %8C+%D9%85%D8%A8%D8%AF%D9%84+%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8 %B1%D8%AA%DB%8C%D9%BE)