در این مقاله از فراز مخزن، به بررسی و چگونگی طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله می‌پردازیم. مبدل‌های حرارتی، برای مدیریت حرارت در نیروگاه‌ها، چیلرها، بویلرها، پیش‌گرمکن‌ها و کندانسورها و در سایر فرآیندهای مهندسی، استفاده می‌شوند.
مبدل های حرارتی، دستگاه‌هایی هستند که انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر را تنظیم می‌کنند. دو نوع اصلی این دستگاه، مدل «بازگشتی» و «بازیابی» است.
در مبدل‌های حرارتی در مدل بازگشتی، گرما در دو طرف دیوار توزیع شده و با سیالات مبادله می‌شود. اما در طراحی مدل بازیابی، سیالات سرد و گرم در یک مکان قرار می‌گیرند. بنابراین، این تفاوت به مواد مربوط می‌شود و آن‌ها به طور متناوب، به عنوان منبع گرما عمل می‌کنند.
مبدل حرارتی پوسته و لوله ، رایج‌ترین نوع مبدل‌های حرارتی در صنعت است و مناسب‌ترین نوع مبدل حرارتی برای کاربردهای دمای بالا و فشار بالا تلقی می‌شود. این نوع از مبدل‌ها، شامل گروهی از لوله‌ها است که در یک پوسته استوانه‌ای تعبیه شده‌اند.
یک سیال، در داخل لوله و سیال دیگر در اطراف لوله (داخل پوسته) جریان دارد و به دلیل اختلاف دمایی بین این دو، گرما از طریق دیواره‌های لوله از یک سیال به سیال دیگر منتقل می‌شود.
طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله
از طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله در پالایشگاه‌های نفت و کارخانجات بزرگ فناوری استفاده می‌شود. این نوع سنسور، از پوسته یا یک مخزن فشار و یک سری لوله‌های موازی با فاصله نزدیک (باندل) تشکیل شده است
این نوع مبدل، بر اساس اصول انتقال حرارت با استفاده از روش هدایت حرارتی کار می‌کنند. هنگامی که سیالات در لوله‌ها جریان دارند، گرما از سیال گرم به سیال سرد و بالعکس منتقل می‌شود؛ بنابراین مایع سیستم به دمای مورد نیاز می‌رسد و برای استفاده مجدد از آن خارج می‌شود
مزایای استفاده از مبدل های حرارتی پوسته و لوله
در معرفی طراحی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله باید بگوییم، آن‌ها از هزینه نسبتاً کم، ظرفیت کافی، طیف وسیعی از فشارها و دماهای عملیاتی، مقاومت در برابر خوردگی و انعطاف‌پذیری در طراحی، بهره می‌برند. در ادامه، به برخی از مزایای طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله، اشاره خواهیم کرد.
مقاوم در مقابل خوردگی
استفاده از آندهای گالوانیکی یا مصرفی، در ساخت و طراحی مبدل‌حرارتی پوسته و لوله، لایه‌ای پایدار بر روی سطح آن، ایجاد می‌کند. مقاومت در برابر خوردگی و سایش، دوام و عمر مفید اجزای مختلف این مبدل‌های حرارتی را بهبود می‌بخشد.
انعطاف پذیری طراحی
از دیدگاه سازنده، مبدل‌های حرارتی لوله‌ای، در مقایسه با انواع دیگر مبدل‌های حرارتی، انعطاف‌پذیرترین هستند. تغییر قطر، تعداد، گام و پیکربندی لوله‌ها، یکی از رایج‌ترین روش‌های ایجاد تغییرات با استفاده از مبدل‌ها است.
هزینه
قیمت مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، بسیار کمتر از مبدل های حرارتی صفحه ای است. این ویژگی، در کنار کارآیی خوب، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله را به رایج‌ترین و محبوب‌ترین انتخاب در کسب و کار‌های مختلف تبدیل کرده است.
توانایی
توانایی این مبدل، برای مقاومت در برابر دماهای بالا، امکان کنترل خروجی و بهبود عملکرد را فراهم می‌کند. همچنین عملکرد بالایی داشته و در تمام شرایط دمایی قابل استفاده است.
دما و فشار عملیاتی
فشار بالا، بر ایمنی سیستم و سرعت تولید تأثیر می‌گذارد. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، به گونه‌ای طراحی و ساخته شده‌اند که در برابر فشارهای بسیار بالا مقاومت کرده و به کمترین افت فشار ممکن دست می‌یابند. ویژگی‌های ذکر شده، در کنار مقاومت بالا در برابر دماهای بالا، باعث افزایش استفاده از این مبدل‌ها در صنایع مختلف می‌شود.
اصول کلی طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله
در این قسمت، به بررسی فرآیند کلی طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله خواهیم پرداخت؛ اما اولین نکته‌ای که در خصوص طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله باید بدانید، این است که فرآیند طراحی مبدل‌های حرارتی، فرآیندی تکراری و با آزمون و خطای مداوم است.
در طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله، می‌باید در ابتدا نکات زیر را در نظر بگیرید:
- محاسبه سطح مورد نیاز، برای انتقال گرما با استفاده از نسبت بالا.
- پیکربندی اولیه طراحی مبدل حرارتی را انتخاب کنید.
- نرخ انتقال گرمای مورد نیاز را بر اساس نرخ جریان سیال و اطلاعات دمای ارائه شده محاسبه کنید.
- یک تخمین اولیه، از ضریب انتقال حرارت جهانی بسته به سیالات کاری انجام دهید.
- اختلاف دمای ورودی سیستم را از دمای ورودی و خروجی این دو محاسبه کنید.
- تخمین افت فشار، به منظور اصلاح تنظیمات این نوع مبدل
مراحل طراحی مبدل های حرارتی
شرح سیستم مهندسی، نمایانگر ویژگی‌های مهم ساختار سیستم، اندازه و عملکرد سیستم است. این مشکل، با روش‌ها و اصول برنامه ریزی خاص، قابل حل است. چرخه عمر طراحی، شامل جنبه‌های زیر است:
- فرمول‌نویسی مسئله
- توسعه مفهوم
- انتخاب نوع طراحی
- طراحی اولیه
- طراحی دقیق کنترل‌کننده یا مبدل
- در دسترس بودن
- منسوخ بودن و غیره
همچنین، اصول و روش‌های طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:
- تعیین مشخصات فرآیند و برنامه‌ریزی پروژه‌های حرارتی و هیدرولیکی
- طراحی مکانیکی
- ساخت محاسبات هزینه
- فاکتورهای اندازه‌گیری
- بهینه سازی سیستم
باید به این نکته توجه داشته باشید که معمولاً، احتساب موارد فوق بر یکدیگر تاثیر مستقیم داشته و برای رسیدن به هدف طراحی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، به صورت استاندارد، باید تمامی آن‌ها بصورت همزمان مد‌نظر قرار بگیرند و در مواردی نیز ممکن است، پیش از طراحی، این فرآیند‌ها چندین بار تکرار شوند تا در نهایت، مسئله‌ای در روند طراحی پیش نیاید.
جمع بندی
پروژه آماده سازی و طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله، در سطح بسیار بالایی قرار دارد. این مقوله، توضیحات فنی، ویژگی‌های مهم معماری، اندازه و عملکرد سیستم را توصیف می‌کند. این کار را می‌توان، با روش‌ها و اصول استاندارد طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله، به راحتی انجام داد.
فرآیند طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله، فرآیندی سخت و بسیار پیچیده است. زیرا برای انجام آن به صورت استاندارد، باید پارامترهای زیادی را در نظر بگیرید و با دقت بالایی محاسبات را انجام دهید.
اگر قصد تهیه و آشنایی با مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله را دارید، می‌توانید به سایت فراز مخزن ،مراجعه نمائید.