مبدل حرارتی به جرات میتوان گفت پر کاربرد ترین تجهیز در صنعت است.

طراحی انتخاب درست نوع یک مبدل وظیفه یک مهندس فرایند است اما چگونه؟

پس اگر میخواهید یک مبدل حرارتی طراحی کنید و یا حتی بخرید حتما با ما همراه باشید…..

آنچه در آینده خواهید خواند….

  • مبدل حرارتی چیست؟
  • آموزش تصویری شبیه شازی مبدل در نرم افزار HYSYS
  • انواع مبدل حرارتی پرکاربرد در صنعت
  • آشنایی با طراحی مبدل پوسته لوله
  • دانلود استاندارد TEMA ویرایش 2019 برای طراحی مبدل
  • دانلود مرجع طراحی مبدل Applied Process Design
  • معیار های انتخاب مبدل

#1 مبدل حرارتی (Heat Exchanger)

مبدل حرارتی یک تجهیز بسیار پر کاربرد در صنعت است که در آن دو سیال با دما های متفاوت باهم تبادل حرارت میکنند تا
یکی از آنها به دما پایین تر و یا به دمای بالاتر برسد.
در انیمیشن زیر شمای کلی یک مبدل حرارتی نشان داده شده است:

#2 انواع مبدل حرارتی

#2-1 مبدل حرارتی لوله ای

این نوع مبدل ها از لوله هایی با مقطع دایره ای ساخته میشوند که یک سیال داخل و یک سیال خارج لوله قرار داد و
بر اساس نوع طراحی به 3 دسته تقسیم میشوند:

#2-1-1 مبدل دو لوله ای (Double-pipe H.Ex)

این مبدل ها شامل یک لوله است که بصورت هم مرکز در داخل لوله ای با قطر بزرگتر قرار میگیرد،
معمولا این تجهیز بصورت U شکل طراحی و ساخته میشود.

مبدل حرارتی دو لوله ای

این نوع مبدل ها برای سطوح انتقال حرارت کوچک مثلا تا 50 متر مربع بکار میروند و
هم چنین برای جریان سیال های گرم و سرد در فشار های بالا مناسب است.

#2-1-2 مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell & Tube H.Ex)

مشابه مبدل های دو لوله ای هستند که بجای یک لوله دسته ای از لوله ها از یک پوسته قرار میگیرند.

مبدل پوسته و لوله

سیال دیگر هم در سمت پوسته بصورت همسو یا ناهمسو جریان میابد.
اجزای اصلی این مبدل عبارتند از:

  • دسته لوله ها (Tube Bundle)
  • پوسته (Shell)
  • سر (Head)
  • سر انتهای جلویی (Front-End Head)
  • سر انتهای عقبی (Rear-End Head)
  • بافل ها (Baffles)
  • صفحه لوله ها (Tube Sheets)

مبدل حرارتی پوسته و لوله صنعتی

از مزیت های این مبدل ها:
تمیز کردن آسانتر مجموعه، هزینه کم در روش ساخت و تولید آنها نسبت به مبدل های دیگر است.

#2-1-3 مبدل حرارتی حلزونی یا مارپیچ (Spiral-Tube H.Ex)

این مبدل ها دارای کویل هایی هستند که بصورت حلزونی پیچیده شده اند و در یک پوسته قرار گرفته اند که
بیشتر در سیستم های تبریدی استفاده میشود.

مبدل حرارتی حلزونی مارپیچ

#2-2 مبدل حرارتی صفحه ای

#2-2-1 مبدل های صفحه ای واشر دار

این مبدل ها شامل تعدادی صفحات نازک با سطح موج دار هستند که سیال های گرم و سرد را از هم جدا میکند.

مبدل حرارتی صفحه ای

این صفحات دارای قطعاتی در گوشه ها هستند که به نحوی آرایش داده شده اند که
جریان های سرد و گرم برای انتقال گرما بصورت یک در میان در فضای بین صفحات جریان یابند.

مبدل صنعتی صفحه ای

محدوده عملیاتی این مبدل ها دمای 35- تا 200 درجه سانتیگراد و فشار طراحی تا 25 بار می باشد.
این مبدل ها بیشتر در فرایند های مایع-مایع، عملگر های کندانس و تبخیر استفاده میشوند.

#2-2-2 صفحه ای حلزونی

از دو صفحه ی بلند و موازی تشکیل شده اند که بصورت حلزونی حول یک میله پیچیده میشود.

مبدل حلزونی

سطح انتقال حرارت این مبدل ها از 0.5 تا 500 متر مربع است،
حداکثر فشار کارکرد آنها 15bar و حداکثر دمای عملیاتی آنها نیز 500 درجه سانتیگراد است.

#2-2-3 مبدل لاملا

شکل اصلاح شده ای از مبدل های پوسته و لوله با صفحه لوله شناور است.

لوله های تخت شده که به آنها لاملا نیز گفته میشود،
از دو صفحه باریک که برش خورده و در عملیاتی پیوسته به یکدیگر جوش خورده اند.
مبدل های لاملا رسوب نمیگیرند و ظرفیت تحمل فشار 35bar را دارند.

#2-3 مبدل های گرمایی یا سطوح پره دار

#2-3-1 مبدل صفحه پره دار

سطوحی هستند که شامل پره می باشند.
این مبدل ها در فرایند های گاز-گاز و مایع-گاز استفاده میشوند.

صفحه پره دار

از آنجایی که ضریب انتقال حرارت در گاز ها بسیار کوچکتر از مایعات است،
پس از سطوح پره دار بیشتر در سمت گاز های استفاده میشوند.

#2-3-2 لوله ای پره دار

در کاربرد های گاز-مایع استفاده میشوند
و به همان دلیلی که در بالا گفته شد سیال گاز در سمت پره جریان پیدا میکند.

لوله پره دار

#3 آشنایی با مبدل حرارتی پوسته و لوله

یکی از پرکاربرد ترین مبدل های حرارتی در صنعت است،
به همین دلیل طراحی آن یکی از ملزوماتی است که یک مهندس فرایند باید داشته باشد.
این مبدل ها بر اساس نوع جریان به سه دسته تقسیم میشوند:

  • جریان همسو (Co Current Flow)
  • جریان ناهمسو (Counter Current Flow)
  • جریان متقاطع (Cross Flow)

مبدل پوسته لوله

این مبدل ها تقریبا برای هر کاربردی میتواند استفاده شود.
ساختار این مبدلها و بصورت چند پاس و چند گذر هم میتواند طراحی شود.

#3-1 15 قسمت اصلی یک مبدل پوسته و لوله

برای یک مهندس طراح لازم است که اطلاعات کاملی راجب بخش های مکانیکی مختلف مبدل داشته باشد.
15 جز اصلی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارتند از:

  1. پوسته (Shell)
  2. درپوش بسته (Shell Cover)
  3. لوله ها (Tubes)
  4. مجرا (Channel)
  5. درپوش مجرا (Channel Cover)
  6. صفحه لوله (Tube Sheet)
  7. بافل ها (Baffles)
  8. نازل ها (Nozzles)
  9. میله های فاصله انداز بافل ها (Tie Rods)
  10. صفحات تقسیم کننده گذرها (Pass Partition Plate)
  11. صفحه برخورد (Impingement)
  12. بافل های طولی (Longitudinal Baffles)
  13. آب بندهای بین پوسته و لوله (Sealing Strips)
  14. نگهدارنده ها (Supports)
  15. فوندانسیون (Foundation)

#4 استاندارد TEMA برای طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله

استاندارد انجمن سازندگان مبدل های طراحی لوله ای به تفصیل قسمت های مبدل های حرارتی لوله ای را شرح میدهد.
اصطلاح TEMA برگرفته از عبارت (Tubular Exchanger Manufactures Association) است.

فایل اصلی این استاندارد برای راحتی شما عزیزان برای دانلود قرار داده شده است.
لازم به ذکر است که فایل قرار داده شده ویرایش 10 این استاندارد بوده و مربوط به سال 2019 می باشد.

استاندارد TEMA



در این استاندارد مبدل های پوسته و لوله به 3 قسمت تقسیم میشوند:

  • کلگی جلو (Front Head)
  • پوسته (Shell)
  • کلگی عقب (Rear Head)

هرکدام از این اجزا در این استاندارد دارای انواع مختلفی هستند که شما میتوانید در فایل قرار داده شده آن ها را مطالعه کنید.

بر اساس همین تقسیم بندی کد هایی به هر نوع مبدل نسبت داده میشود که در شکل زیر میتوانید قسمتی از آن را ببینید.

انواع مبدل در استاندارد TEMA

بر اساس این استاندارد به اجزای مختلف یک مبدل یک شماره نسبت داده شده و در یک جدول نام و یا نوع آن جز گفته شده است.

#4-1 طبقه بندی مبدل پوسته لوله بر اساس ساختمان

#4-1-1 صفحه لوله ثابت (Fixed Tube Sheet)

این مبدل ها دارای لوله های مستقیم هستند که در دو انتها توسط صفحه لوله ها به پوسته جوش خورده و محکم شده اند.

مبدل پوسته و لوله صفحه لوله ثابت

در این ساختار پوشش کانال ها ممکن است بصورت جداشدنی و یا بصورت ثابت باشد.

#4-1-2 مبدل حرارتی پوسته لوله U شکل (U-Tube)

همانطور که از اسمش میتوان فهمید در این مبدل لوله بصورت U قرار داده شده است.
این مبدل ها تنها دارای یک صفحه لوله است.

مبدل حرارتی uشکل

#4-1-3 مبدل حرارتی با کلگی شناور

در مواردی که اختلاف دما از 200 درجه فارنهایت بیشتر باشد از کلگی شناور استفاده میشود.

مبدل های با کلگی شناور

این مبدل ها متنوع ترین و کم هزینه ترین مبدل های پوسته و لوله به حساب میایند.

در این نوع مبدل ها یکی از صفحه لوله ها نسبت به پوسته ثابت و دیگری شناور است.

این موضوع باعث میشود تا مجموعه لوله ها (Bundle) در اثر اثرات انبساطی محدودیتی نداشته باشند.

#5 معیار های انتخاب مبدل حرارتی

این موضوع که کی و کجا از کدام مبدل حرارتی استفاده کنیم، امر مهمی است که باید در طراحی های مان به آن توجه کنیم.

فایل زیر بصورت یک جا موارد کاربرد و مزایا و معایب تمامی انواع مبدل های گفته شده را آورده ایم،
تا با نگاه به آن به راحتی تشخیص دهید کجا از کدام مبدل حرارتی باید استفاده کنید.


مطالعه جدول بالا به شما یک دیدگاه راجب مزایا و معایب هر مبدل خواهد داد
که در طراحی های آینده قطعا به دردتان خواهد خورد.

#6 طراحی مبدل های حرارتی

طراحی مبدل های حرارتی موضوع گسترده ای است
و روش ها و تئوری های مختلفی در این زمینه وجود دارد
که در صنعت از دو تئوری رایج استفاده میشود که عبارتند از:

#6-1روش Kern

این روش بر اساس کار آزمایشگاهی درباره ی مبدل های تجاری طبق استاندارد است
که پیشگویی قابل قبولی را برای ضریب انتقال حرارت در طراحی های استاندارد ارائه میدهید.

روش Kern

پیشگویی این روش افت فشار با استفاده از این روش چندان قابل قبول نیست،
زیرا جریان های نشتی و برگشتی روی افت فشار اثر مهم تری نسبت به انتقال حرارت دارند.
در شکل بالا الگوریتم طراحی مبدل بر اساس روش Kern شرح داده شده است.

#6-2روش Bell

در روش Bell،ضریب انتقال حرارت و افت فشار را از روابطی که برای دسته لوله های ایده ال تخمین زده شده،
محاسبه میکنیم و اثرات نشتی و برگشتی نواحی مختلف را در قالب یک ضریب تصحیح وارد محاسبات میکنیم.

روش Bell

این روش پیش بینی خوبی از ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت پوسته نسبت به روش Kern ارائه میدهد.

#7 5 نکته مهم در طراحی مبدل های پوسته و لوله

در طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله نکات مهمی درباره نحوه قرار گیری سیالات گرم و سرد وجود دارد،
که بی توجهی به آنها میتواند عمر مفید مبدل را به شدت کم کند.

به بیان دیگر یک مهندس طراح باید بداند،
کدام سیال در پوسته (Shell) و کدام سیال در لوله (Tube) قرار گیرد.

نکاتی که در ادامه مطرح میشود از کتاب
(Ludwig’s Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants)
استخراج شده و در صورتی که میخواهید به اطلاعات و نکات بیشتری دسترسی پیدا کنید،
جلد سوم این کتاب را که شامل این مطالب هست را برایتان قرار دادیم تا دانلود کنید:

Ludwig’s Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants

5 مورد از اساسی ترین نکات قرارگیری سیالات در مبدل های پوسته و لوله عبارتند از:

#7-1 سیال سمی

در شبیه سازی مبدل حرارتی اگر سیال سمی باشد، بهتر است در قسمت لوله قرار بگیرد.
دلیل این موضوع هم این است
که در صورت نشتی، سیال به بیرون راه پیدا نمیکند و درون پوسته جمع آوری میشود.

سیال سمی در مبدل ها

#7-2 سیال رسوب زا

اگر سیال رسوب زا باشد باید آنرا در لوله (Tube) قرار بدهیم.

دلیل آن هم این است که در این صورت فقط سطح داخلی لوله دچار رسوب میشود.

رسوب زایی سیال در درول لوله مبدل

#7-3 سیال دوفازی

اگر سیال گاز یا دوفازی باشد بهتر است در قسمت پوسته قرار گیرد.

اثر دوفازی بودن سیال بر طراحی و شبیه سازی مبدل حرارتی

#7-4 سیال خورنده

اگر سیال خورنده باشد باز هم باید آنرا در قسمت لوله (Tube) قرار داد.

دلیل این موضوع هم این است که در این صورت فقط یک طرف مبدل (لوله) دچار خوردگی می شود.

خوردگی لوله های یک مبدل در اثر اشتباه یک مهندس در شبیه سازی مبدل حرارتی

#7-5 اختلاف فشار سیالات

اگر فشار یک سیال خیلی بیشتر از سیال دیگر باشد، باید آنرا در قسمت لوله (Tube) قرار داد.
دلیل این موضوع هم به مباحث مربوط به افت فشار و ضخامت لوله برمیگردد،
اگر سیال پرفشار درون لوله باشد نتیجه این خواهد شد که باید ضخامت لوله بیشتر شود،
اما اگر سیال پرفشار درون پوسته باشد نتیجه این خواهد شد که باید ضخامت پوسته بیشتر شود،
که این مورد در مقایسه با افزایش ضخامت لوله هزینه بسیار بیشتری دارد.
در نتیجه برای کاهش هزینه ها در طراحی سیال پرفشار را در لوله وارد میکنیم.

در این مقاله سعی شده که صفر تا 100 طراحی و شبیه سازی مبدل حرارتی را به شما اموزش دهیم،
در صورتی که به دنبال مطالب تکمیلی در این زمینه هستید،
پیشنهاد میکنم مقاله های طراحی فرایند نماتک را دنبال کنید.

مقاله بالا بخشی از بسته جامع آموزش طراحی فرآیند (PRC) است.

برای مشاهده کامل این بسته کلیک کنید.

مشاهده بسته طراحی فرآیند
بسته طراحی فرآیند

به آموزش طراحی فرآیند علاقه مندم

اگر محتوای آموزشی طراحی فرآیند را می پسندید برای دریافت آموزش های رایگان فرم را تکمیل کنید.

شماره موبایل پشتیبانی: ۰۹۰۱۷۰۳۹۳۲۹


نظرتون درباره این مقاله چیه؟
ما رو راهنمایی کنید تا اون رو کامل تر کنیم و نواقصش رو رفع کنیم.

توی بخش دیدگاه ها منتظر پیشنهادهای فوق العاده شما هستیم.