مبدلهای حرارتی دستگاه‌هایی هستند که انرژی را به شکل گرما، از یک سیال عامل به سیال بعدی، خواه جامد، خواه مایع و یا گاز باشد. این دستگاه‌ها برای خنک سازی، تولید برق، HVAC و غیره ضروری هستند و شکل ها و اندازه‌های زیادی دارند که هم می‌توانند گرما را به سیال انتقال دهند و هم آن را از سیال بگیرند. درک اینکه چه چیزی یک مبدل حرارتی را از دیگری منحصر به فرد می‌سازد، اغلب دشوار است، بنابراین این مقاله به شما کمک خواهد کرد تا دانش مقدماتی در مورد یکی از محبوب‌ترین مبدلهای حرارتی، یعنی نوع پوسته و لوله به دست آورید. هدف این مقاله این است که نشان دهد مبدلهای حرارتی پوسته و لوله چه هستند، چگونه کار می‌کنند، چه انواعی دارند، و چگونه در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مبدلهای حرارتی پوسته و لوله چه هستند؟
شکل ۱: یک مبدل حرارتی پوسته و لوله معمولی.
تمام مبدلهای حرارتی براساس یک اصل ساخته شده‌اند، یعنی یک سیال گرم که در اطراف یک سیال سردتر جریان دارد، گرمای خود (و در نتیجه انرژی آن)را در جهت جریان سرد انتقال می‌دهد (برای مرور قوانین ترمودینامیک، مقاله ما در مورد درک مبدلهای حرارتی را بررسی کنید). در مورد زمانی که برای اولین بار فرمان اتومبیل خود را در یک روز سرد می‌گیرید فکر کنید: در ابتدا تفاوت دما بین دست و فرمان زیاد است و می‌توانید احساس کنید چقدر سرد است؛ با این حال، اگر به نگه داشتن آن ادامه دهید، مقداری از گرما در دست تان توسط فرمان سرد جذب خواهد شد و آن را گرم می‌کند. این مثال یک روش شهودی برای درک اصول اساسی هر مبدل حرارتی است: دو سیال با دماهای مختلف را نزدیک به هم بگیرید و به آن‌ها اجازه دهید تا گرما را از طریق برخی موانع رسانا “تبادل کنند”.
به بیان ساده، مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، ابزاری هستند که دو سیال کاری را در تماس گرمایی با استفاده از لوله‌های قرار گرفته در داخل پوسته استوانه‌ای بیرونی قرار می‌دهند. این دو مسیر یکپارچه معمولا از فلزات رسانای گرمایی ساخته می‌شوند که انتقال حرارت راحتتر را ممکن می‌سازند (مس، فولاد، آلیاژهای آلومینیوم و غیره). لوله‌ها یک سیال را از ورودی تا خروجی خود حمل می‌کنند (جریان “سمت لوله”)، در حالی که پوسته یک سیال جداگانه را بر روی این لوله‌ها عبور می‌دهد (جریان “سمت پوسته”). تعداد لوله‌ها، که به عنوان “تیوب باندل” یا “دسته لوله” شناخته می‌شوند، تعیین می‌کنند که چه مقدار از سطح تیوب در معرض جریان سمت پوسته قرار می‌گیرد، و بنابراین تعیین می‌کند که چه مقدار گرما منتقل میشود. این تجهیزات یکی از موثرترین روشهای تبادل گرما هستند چون با متدهای راحتتری ساخته و تعمیر می‌شوند. تعمیرات مبدل حرارتی پوسته و لوله از نظر قیمت بسیار مقرون به صرفه می باشد. طراحی مبدل های شرکت نسیم مبدل به صورت فشرده هستند و انتقال حرارت عالی را فراهم می‌کنند. آن‌ها به طور گسترده ای در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند از جمله کندانسور ها، کولرهای توربین، تبخیر کننده‌ها، پیش‌گرمایش آب و بسیاری موارد دیگر
مبدلهای حرارتی پوسته و لوله چگونه کار می‌کنند؟
شکل ۲ در بالا پیکربندی معمول مبدلهای حرارتی پوسته و لوله را نشان می‌دهد. همانطور که قبلا توضیح داده شد، نکته اساسی در مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، عبور یک سیال داغ از میان یک سیال سرد بدون مخلوط کردن آن‌ها است، به طوری که تنها گرمای آن‌ها منتقل شود. نمودار بالا دو ورودی و دو خروجی را نشان می‌دهد که در آن هر سیال در ورودی مربوطه خود شروع و در خروجی دستگاه خارج میشود. جریان سمت لوله از مجموعه لوله عبور می‌کند (که توسط صفحات فلزی به نام baffle یا سرعتگیر، حمایت شده‌است) و از خروجی لوله خارج میشود.
جریان سمت لوله از مجموعه لوله عبور می‌کند (که توسط صفحات فلزی به نام توبشط یا صفحات لوله محکم شده‌است)و از خروجی لوله خارج میشود. به طور مشابه، جریان سمت پوسته از ورودی پوسته شروع میشود، از روی این لوله‌ها عبور می‌کند و از خروجی پوسته خارج میشود. هدرها در هر دو انتهای تیوب باندل،فضاهای بسته ای را برای جریان سمت لوله ایجاد می‌کنند که جریان می‌تواند براساس انواع مبدل حرارتی خاص به یک یا چند بخش مساوی تقسیم شود.
هر تیوب شامل یک جزء داخلی به نام توربولاتور است که باعث ایاد جریان آشفته در میان لوله‌ها میشود و از رسوب گذاری جلوگیری می‌کند، و همچنین ظرفیت انتقال حرارت مبدل را افزایش می‌دهد. طراحی مبدل حرارتی نیز معمولا به گونه ای انجام میشود که باعث ایجاد تلاطم در جریان سمت پوسته همراه با موانعی به نام بافل می‌شوند که میزان اختلاط حرارتی بین سیال سمت پوسته و سیال خنک‌کننده را به حداکثر می‌رسانند.
سیال سمت پوسته باید مسیر خود را در اطراف این بافل‌ها پیدا کند، که باعث میشود جریان به طور مکرر از روی دسته لوله عبور کند، در نتیجه انرژی را انتقال می‌دهد و از مبدل حرارتی در دمای پایین‌تر خارج میشود. مبدلهای پوسته و لوله خاص از شکلهای مختلف بافل برای به حداکثر رساندن انتقال حرارت استفاده می‌کنند و برخی از آن‌ها اصلا استفاده نمی‌کنند.
مبدلهای پوسته و لوله می‌توانند تک‌فاز یا دو فازی باشند. یک مبدل تک‌فاز ثابت فاز سیال را در طول فرآیند حفظ می‌کند (برای مثال آب مایع وارد میشود، آب مایع خارج میشود)در حالی که یک مبدل دو فازی موجب تغییر فاز در طول فرآیند انتقال حرارت میشود (برای مثال بخار وارد میشود و آب مایع خارج میشود). آن‌ها همچنین می‌توانند یک عبور یا چند عبور باشند، که به سادگی توضیح می‌دهد که چند بار جریان‌های سمت لوله / پوسته از دستگاه عبور می‌کنند. شکل ۱ یک پیکربندی چند گذری را نشان می‌دهد که در آن جریان سمت پوسته چندین بار از روی لوله‌های خنک‌کننده قبل از خروج از خروجی آن عبور می‌کند. اگر بافل ها در شکل ۱ نبودند، مبدل حرارتی تک پاس در نظر گرفته می‌شد، زیرا هر دو جریان سمت لوله و جریان سمت پوسته تنها یک بار از کنار یکدیگر عبور می‌کنند.
انواع مبدلهای حرارتی پوسته و لوله
انواع استاندارد مبدلهای حرارتی پوسته و لوله توسط انجمن تولیدکنندگان قطعات لوله‌ای یا TEMA تنظیم می‌شوند. آن‌ها تمام طرح‌های مبدل حرارتی را به سه بخش اصلی تقسیم می‌کنند: هدر جلویی، پوسته و هدر عقب، و آن‌ها را با حروف مشخص می‌کنند. انواع مختلفی از هر جز وجود دارد، اما این مقاله تنها بر روی رایج‌ترین مبدلهای حرارتی استاندارد TEMA تمرکز می‌کند، زیرا آن‌ها سه مدل محبوب هستند. این سه نوع لوله U شکل، صفحه لوله ثابت و مبدلهای حرارتی با هدر شناور هستند.
تعمیرات و نگهداری این مبدلهای حرارتی بسیار راحت و ارزانتر از روشهای دیگر است . روشهای مختلفی برای تعمیر انواع مبدل حرارتی وجود دارد که در مقاله روش های تعمیرات مبدل حرارتی به صورت مفصل به آن پرداخته ایم.
از نکات بسیار مهم در تعمیر و نگهداری مبدل حرارتی، روشهای کنترل خوردگی است که برای این موضوع نیز مقاله مفصلی در سایت وجود دارد.