پرکاربردترین مبدل حرارتی: مبدل حرارتی پوسته و لوله

مقدمه

مبدل های حرارتی اجزای ضروری در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و تجاری هستند که اجازه می دهند گرما از یک محیط به رسانه دیگر بدون تماس مستقیم منتقل شود. در میان بسیاری از انواع موجود - از جمله مبدل های حرارتی صفحه ای، لوله پره دار، مارپیچی و دو لوله ای- مبدل حرارتی پوسته و لوله (STHE) به عنوان پرکاربردترین مبدل در سطح جهان متمایز است. تطبیق پذیری، دوام و کارایی آن، آن را به سنگ بنای مدیریت حرارتی در بخش هایی مانند تولید برق، نفت و گاز، تهویه مطبوع، فرآوری شیمیایی و غیره تبدیل کرده است.

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله شامل یک سری لوله است که در یک پوسته استوانه ای محصور شده اند. یک سیال از طریق لوله ها جریان می یابد، در حالی که سیال دیگر بر روی لوله ها (در داخل پوسته) برای تبادل گرما جریان می یابد. این تماس غیر مستقیم انتقال حرارتی را بدون اختلاط سیال تضمین می کند.

ساختار پایه:
لوله ها: به طور معمول در دسته ها قرار می گیرند و می توانند مستقیم یا U شکل باشند.

پوسته: یک ظرف استوانه ای که لوله ها را احاطه کرده و حاوی مایع دوم است.

صفحات لوله: صفحاتی که لوله ها را در موقعیت خود نگه می دارند و مایعات را جدا می کنند.

بافل ها: سیال سمت پوسته را برای افزایش تلاطم و انتقال حرارت هدایت کنید.

سرها یا درپوش های انتهایی: مایع را به داخل و خارج لوله ها هدایت کنید.

اصل کار

اصل کار اولیه یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، انتقال حرارت مبتنی بر همرفت بین دو سیال در دماهای مختلف است. گرما از سیال گرمتر به سیال خنک تر در سراسر دیواره لوله جریان می یابد.

سه پیکربندی جریان اصلی وجود دارد:

جریان موازی - هر دو سیال در یک جهت حرکت می کنند.

جریان متقابل - سیالات برای بازدهی بالاتر در جهت مخالف حرکت می کنند.

جریان متقاطع - سیالات عمود بر یکدیگر جریان دارند.

انواع طراحی

برای سازگاری با کاربردهای مختلف، مبدل های حرارتی پوسته و لوله در پیکربندی های مختلف طراحی شده اند:

یک گذر یا چند گذر (سیال یک یا چند عبور از لوله ها ایجاد می کند)

ورق لوله ثابت - ساده و مقرون به صرفه. محدود به انبساط حرارتی کم

سر یا لوله U شناور - انبساط حرارتی را در خود جای می دهد. تمیز کردن و نگهداری آسان تر

استانداردهای TEMA – انجمن تولیدکنندگان مبدل لوله ای (TEMA) STHE ها را به کلاس های (R, C, B) برای مصارف پالایشگاهی، تجاری و شیمیایی استاندارد می کند.

چرا بیشترین استفاده را دارد؟

1. تطبیق پذیری
مبدل های پوسته و لوله می توانند طیف وسیعی از دما (تا 1000 درجه سانتیگراد) و فشار (تا 500 بار) را تحمل کنند. آنها برای بسیاری از نیازهای فرآیند، سیالات و محیط های نصب قابل تنظیم هستند.

2. دوام و قابلیت اطمینان
این مبدل‌ها که با مواد مقاومی مانند فولاد ضد زنگ، تیتانیوم یا اینکونل ساخته شده‌اند، برای محیط‌های خورنده و پر استرس مناسب هستند. آنها با نگهداری مناسب عمر عملیاتی طولانی دارند.

3. مقیاس پذیری
آنها در طیف گسترده ای از اندازه ها در دسترس هستند - از واحدهای کوچک برای آزمایشگاه ها تا تاسیسات صنعتی عظیم.

4. سهولت تعمیر و نگهداری
مدل هایی مانند لوله U یا طرح های سر شناور امکان تمیز کردن و تعویض لوله را بدون از بین بردن کل سیستم فراهم می کنند.

5. راندمان حرارتی
با طراحی مناسب (به عنوان مثال، بافل، پاس های متعدد)، STHE ها می توانند به انتقال حرارت بسیار کارآمد، به ویژه در ترتیبات جریان مخالف، دست یابند.

برنامه های کاربردی رایج

1. صنعت نفت و گاز
روان کننده های خنک کننده و سیالات هیدرولیک

بازیابی حرارت از گازهای دودکش

تراکم بخار و بخار

2. تولید برق
بخاری آب تغذیه

کندانسورهای بخار در نیروگاه های حرارتی

3. پردازش شیمیایی
کنترل دمای راکتورها

گرمایش و سرمایش محصول

4. HVAC و تبرید
سیستم های آب سرد

کندانسور و اواپراتور

5. دریایی و هوافضا
سیستم های خنک کننده موتور

بازیابی حرارت هدر رفته

مصالح ساختمانی
انتخاب مواد حیاتی است و به دما، فشار و مقاومت در برابر خوردگی بستگی دارد:

فولاد کربنی – رایج برای کاربردهای کم هزینه.

فولاد ضد زنگ - مقاومت در برابر خوردگی بالا.

آلیاژهای مس - هدایت حرارتی عالی.

تیتانیوم - برای آب دریا یا مایعات بسیار خورنده استفاده می شود.

آلیاژهای نیکل (Inconel، Hastelloy) - برای محیط های شدید.