نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله بر پایه انتقال حرارت بین دو سیال با دماهای متفاوت است. این دو سیال در مسیرهای جداگانه حرکت می‌کنند و بدون تماس مستقیم، گرما را از طریق دیواره لوله‌ها مبادله می‌کنند. در ادامه، به این سؤال که مبدل حرارتی پوسته و لوله چگونه کار می‌کند و فرآیند انتقال حرارت در آن چگونه انجام می‌شود؟ پاسخ داده می‌شود.
نحوه عملکرد مبدل حرارتی پوسته و لوله
در ویدئوی زیر می‌توانید نحوه عملکرد مبدل پوسته و لوله را به‌صورت تصویری مشاهده کنید. مسیر حرکت سیالات در سمت لوله و پوسته و نحوه انتقال حرارت میان دو جریان در این ویدئو نمایش داده شده است.
پبشنهاد میکنیم قبل از خرید، سفارش و طراحی این مبدل، مطلب راهنمای خرید و استفاده از مبدل پوسته و لوله را مطالعه نمایید.
فرآیند انتقال حرارت در مبدل پوسته و لوله
در نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله، یکی از سیالات از داخل مجموعه لوله‌ها عبور می‌کند و سیال دیگر در فضای میان لوله‌ها و پوسته جریان دارد. دیواره لوله‌ها دو جریان را از یکدیگر جدا کرده و سطح تبادل حرارت میان آن‌ها را تشکیل می‌دهد.
طرز کار مبدل پوسته و لوله به شکل است که انتقال حرارت در چند مرحله انجام می‌شود. ابتدا انرژی حرارتی از سیال گرم به سطح لوله از طریق جابه‌جایی منتقل می‌شود، سپس گرما به روش رسانش از ضخامت دیواره فلزی عبور می‌کند و در سمت مقابل به سیال سرد می‌رسد. بسته به طراحی مبدل و شرایط فرایند، سیال گرم می‌تواند در سمت لوله (Tube Side) یا سمت پوسته (Shell Side) قرار گیرد. بنابراین، دو سیال بدون تماس یا اختلاط مستقیم با یکدیگر، از طریق جداره لوله‌ها تبادل حرارتی انجام می‌دهند.
جریان در سمت لوله چگونه انجام می‌شود؟
بخشی از عملکرد مبدل پوسته و لوله به نحوه حرکت سیال در داخل تیوب‌ها وابسته است. سیال پس از ورود، میان لوله‌ها توزیع شده و از داخل تیوب‌ها عبور می‌کند. در مبدل تک‌گذر، جریان تنها یک بار طول لوله‌ها را طی می‌کند. در مدل‌های چندگذر، صفحات تقسیم‌کننده داخل هد، سیال را به بخش‌های مختلف دسته لوله هدایت می‌کنند تا مسیر رفت‌وبرگشت داشته باشد.
تعداد گذرها بر سرعت سیال و میزان افت فشار نیز اثر می‌گذارد. افزایش تعداد گذر معمولاً سرعت جریان داخل لوله‌ها را بیشتر می‌کند و می‌تواند شرایط انتقال حرارت را بهبود دهد، اما هم‌زمان افت فشار را نیز افزایش می‌دهد. به همین دلیل، تعداد گذر باید متناسب با دبی، خواص سیال و محدوده مجاز افت فشار انتخاب شود.
جریان در سمت پوسته چگونه هدایت می‌شود؟
در سمت پوسته، جریان باید به‌گونه‌ای هدایت شود که از میان دسته لوله‌ها عبور کند. حرکت مستقیم سیال از ورودی به خروجی می‌تواند باعث کاهش تماس آن با سطح خارجی لوله‌ها شود؛ به همین دلیل از بافل‌ها برای تغییر مسیر جریان استفاده می‌شود. بافل‌ها سیال را از میان و اطراف لوله‌ها هدایت کرده و آشفتگی جریان را افزایش می‌دهند. این شرایط تماس سیال با سطح لوله‌ها را بیشتر کرده و به بهبود تبادل حرارتی کمک می‌کند. فاصله بافل‌ها نیز بر عملکرد جریان اثر دارد. کاهش بیش از حد این فاصله می‌تواند سرعت و افت فشار سمت پوسته را افزایش دهد، در حالی که فاصله زیاد ممکن است هدایت مناسب جریان میان لوله‌ها را کاهش دهد.
جهت جریان دو سیال در مبدل چگونه است؟
در عملکرد مبدل شل اند تیوب، جهت حرکت دو سیال به آرایش جریان مبدل بستگی دارد. در جریان همسو (Parallel Flow)، دو سیال از یک سمت وارد شده و تقریباً در یک جهت حرکت می‌کنند. در جریان ناهمسو (Counter Flow)، جهت حرکت آن‌ها مخالف یکدیگر است و اختلاف دمای مؤثرتری در طول مسیر ایجاد می‌شود. در سمت پوسته نیز وجود بافل‌ها می‌تواند بخشی از جریان را به‌صورت عرضی نسبت به دسته لوله‌ها هدایت کند.
چه عواملی بر میزان انتقال حرارت اثر دارند؟
میزان انتقال حرارت در نحوه عملکرد مبدل پوسته و لوله به اختلاف دمای دو سیال، سطح مؤثر تبادل حرارت و ضریب کلی انتقال حرارت وابسته است. جنس و ضخامت لوله‌ها، سرعت جریان، خواص سیال و وضعیت سطح لوله‌ها نیز می‌توانند این شرایط را تحت تأثیر قرار دهند. افزایش سطح مؤثر یا بهبود شرایط جریان می‌تواند ظرفیت انتقال حرارت را بیشتر کند، اما این تغییرات باید با محدودیت افت فشار در هر دو سمت مبدل هماهنگ باشند.
چه عواملی باعث کاهش عملکرد مبدل پوسته و لوله می‌شوند؟
کاهش عملکرد مبدل معمولاً زمانی رخ می‌دهد که شرایط جریان یا سطح تبادل حرارتی نسبت به وضعیت طراحی تغییر کند. رسوب‌گرفتگی لوله‌ها، انسداد مسیر، تغییر دبی، نوسان دمای ورودی و توزیع نامناسب جریان از مهم‌ترین عوامل افت راندمان مبدل به شمار می‌روند.
برای مثال، کاهش دبی می‌تواند سرعت جریان را پایین آورده و شرایط انتقال حرارت را تحت تأثیر قرار دهد. در مقابل، افزایش بیش از حد دبی معمولاً با افزایش افت فشار همراه است. برای بررسی علت افت عملکرد، دمای ورودی و خروجی، دبی دو سمت، میزان افت فشار و وضعیت سطح لوله‌ها باید در کنار یکدیگر ارزیابی شوند؛ زیرا بررسی یک عامل به‌تنهایی معمولاً علت اصلی کاهش عملکرد را مشخص نمی‌کند.
جمع‌بندی
به‌طور کلی، طرز کار مبدل شل اند تیوب بر حرکت دو سیال در مسیرهای جداگانه و انتقال گرما از طریق جداره لوله‌ها استوار است. مسیر جریان در سمت لوله، نحوه هدایت سیال در سمت پوسته، تعداد گذرها و آرایش بافل‌ها بر شرایط انتقال حرارت اثر دارند. اختلاف دما، دبی، افت فشار و وضعیت سطح لوله‌ها نیز تعیین می‌کنند مبدل در شرایط واقعی تا چه اندازه به عملکرد طراحی‌شده نزدیک باشد. به همین دلیل، ارزیابی عملکرد باید با بررسی هم‌زمان شرایط حرارتی و جریان در هر دو سمت انجام شود.