مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب)【کاربرد + نحوه کار】

بدون شک یکی از پرکاربردترین و انعطاف‌پذیرترین تجهیزات تبادل حرارتی دنیا که در طیف وسیعی از فشارها و دما‌های مختلف کار می‌کند، مبدل حرارتی پوسته و لوله است. در این نوع مبدل‌های حرارتی دو سیال در حال کار با استفاده از لوله‌هایی که درون یک پوسته استوانه‌ای قرار دارند، گرما را با تماس حرارتی تبادل می‌کنند. در واقع دمای سیال در داخل پوسته لوله با هم متفاوت بوده و این اختلاف دما، نیروی محرکه برای تبادل دمایی بین این دو سیال خواهد بود. مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله از نظر طراحی جمع‌وجور بوده و علاوه بر راندمان بالا، تعمیر و نگهداری آن‌ها نیز بسیار ساده است. 

جهت دریافت مشاوره رایگان می توانید با آرکا تجهیز صدر، تولید کننده مبدل حرارتی پوسته و لوله در صفحه تماس با ما ارتباط برقرار نمایید.

این دستگاه‌ها، بیشترین کاربرد را در صنایع مختلف دارند؛ به‌عنوان‌مثال برای تبرید، تولید برق، تهویه‌مطبوع، مواد غذایی و بسیاری موارد دیگر به کار می‌روند. از این رو در اشکال و اندازه‌های مختلفی طراحی و تولید می‌شوند. اما نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله چگونه است؟ در این مقاله تصمیم داریم، هر آنچه که باید در مورد این نوع مبدل‌های حرارتی بدانید را برای شما بیان کنیم؛ تا انتهای متن همراه ما شوید.

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)، یکی از متداول‌ترین تجهیزات تبادل حرارتی هستند که در صنایع مختلف برای انتقال حرارت بین سیالات استفاده می‌شوند. این نوع مبدل‌ها، از یک پوسته (Shell) و مجموعه‌ای از لوله‌ها (Tube) برای عبور سیال تشکیل می‌شوند.
مبدل‌های حرارتی پوسته لوله، بر اساس روش هدایت گرمایی و انتقال حرارت کار می‌کنند؛ به‌گونه‌ای که گرما بین سیالات از طریق دیواره لوله‌ها منتقل می‌شود. به بیان ساده‌تر با جریان‌یافتن سیال درون لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله، فرایند انتقال حرارت از سیال گرم به سیال خنک‌تر انجام خواهد شد. در واقع از این سیستم که به مبدل حرارتی لوله‌ای نیز معروف است، برای افزایش با کاهش دمای سیال کمک می‌گیرند.

در صفحه مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب) + کاربرد و نحوه کار به معرفی کامل و جامع این نوع مبدل ها پرداخته ایم که می توانید از این مطلب استفاده نمائید. در ادامه نیز با توضیحات بیشتر در مورد این مبدل با ما همراه باشید.

مبدل های حرارتی پوسته لوله ای با مقطع دایره ای که در پوسته استوانه ای شکل نصب شده‌اند ساخته می شوند. به طوری که محور لوله ها موازی با محور پوسته است. این مبدل ها به صورت وسیعی به عنوان خنک کن های روغن، چگالنده ها و پیش گرمکن های مولد های بخار در نیروگاه های هسته ای در کاربردهای صنایع فرایندی و شیمیایی استفاده می شوند. ساده ترین شکل از یک چگالنده نوع پوسته ای و لوله ای افقی به همراه اجزا در زیر نشان داده شده است.

 

یک سیال داخل لوله ها و سیال دیگر در سمت پوسته به صورت متقاطع با لوله ها و یا در طول آنها جریان دارد. اهداف اصلی طراحی در این مبدل های حرارتی در نظر گرفتن انبساط گرمایی پوسته و لوله ها و تمیز کردن آسان تر مجموعه و هزینه کم در روش ساخت و تولید آن ها نسبت به سایرین می باشند.
در مبدل های پوسته ای و لوله ای با صفحه لوله های ثابت پوسته به صفحه لوله جوش شده است و هیچ گونه دسترسی به خارج ازدسته لوله ها برای تمیز کاری وجود ندارد. در این نوع از مبدل ها و تمیز کردن لوله آسان است.
مبدل های پوسته لوله ای با دسته لوله U شکل  دارای کمترین هزینه ساخت می باشد. زیرا در آنها فقط به یک لوله نیاز است. سطح داخلی لوله ها به دلیل خم U شکل تند را نمی توان با وسایل مکانیکی تمیز کرد. در این مبدل ها تعداد زوجی از گذرگاه لوله به کار میرود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.

مبدل های پوسته لوله ای با دسته لوله U

مبدل های پوسته لوله ای از لوله های دایره ای قرار گرفته در یک پوسته استوانه ای ساخته می شود که لوله ها موازی با پوسته می باشد. یک سیال در داخل لوله ها و سریال دیگر از روی دسته لوله ها جریان دارد.

دسته لوله ها tube bundle
 پوسته shell
سر head
انتهای جلویی front-end head
سر انتهای عقبی rear-end head
دیوارک ها baffles
صفحه لوله ها tube sheets
نوعی از طراحی که امکان انبساط گرمایی مستقل لوله ها و پوست را فراهم می کند لوله U شکل است. بنابراین در این نوع طراحی انبساط گرمایی می توانند وجود داشته باشند و محدود نیست. لوله U شکل دارای کمترین هزینه ساخت است. زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز است. سمت لوله به دلیل شکل انحنای U نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این نوع دست لوله ها اعداد زوجی از گذرگاه‌های لوله می تواند به کار رود. تنها لوله های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله ها قابل تعویض می باشند. جزئیات بیشتر در شکل زیر نشان داده شده است.

پوسته به صفحه لوله جوش خورده و به سمت بیرونی دست لوله برای تمیز کاری دسترسی وجود ندارد. در این مورد تمیز کاری لوله به صورت مکانیکی بسیار آسان است. طرح های متعددی فراهم آمده  که به صفحه لوله ها امکان دهند تا شناور باشند. یعنی بتواند با انبساط گرمایی حرکت کند.

نحوه کار مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب) چگونه است؟

اگر بخواهیم نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله را بررسی کنیم، باید گفت که یک سیال از طریق تیوب مبدل حرارتی پوسته و لوله عبور می‌کند، در حالی که سیال دیگر در اطراف لوله‌ها و در داخل یک پوسته بزرگ‌تر جریان می‌یابد. گرما از طریق دیواره‌های لوله‌ها از سیال داغ به سیال سرد منتقل شده و در نتیجه تبادل دما بین دو سیال ایجاد می‌شود.
بسته به طرح، تعداد گذر‌های متفاوتی بین سیالات و جریان‌های مختلف، وجود خواهد داشت تا با مواد و الزامات خاص فرایند مطابقت داشته باشد. اساس کار این مبدل‌ها، انتقال غیرمستقیم حرارت در حالی است که سیال‌ها با هم ترکیب نشوند. در حالت کلی، سیال سرد از کانال ورودی وارد دستگاه شده و از مسیر لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله عبور کرده و پس از تبادل حرارت به‌صورت گرم از مجرای سمت لوله خارج می‌شود. از طرفی سیال دیگر از ورودی سمت پوسته، با گذر از مسیر اطراف لوله‌ها بدون ترکیب‌شدن با سیال دیگر، به‌صورت سرد از مبدل خارج می‌شود. هر چه تعداد لوله‌ها بیشتر باشد، سطح تماس سیال درون پوسته با اطراف لوله‌ها بیشتر شده و میزان انتقال حرارت بین دو سیال افزایش می‌یابد.

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله کدام‌اند؟

به طور کلی تولید‌کننده مبدل حرارتی پوسته و لوله می‌تواند بر اساس طیف وسیعی از کاربرد‌ها و ویژگی‌های مختلف این تجهیزات را سفارشی‌سازی کرده و بهترین کارایی و انعطاف‌پذیری را ایجاد کند.

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله بر اساس ساختار

بر اساس ساختار اجزا و طریقه نصب مبدل حرارتی پوسته و لوله، می‌توان متداول‌ترین این تجهیزات را به‌صورت زیر نام‌گذاری کرد:

مبدل‌های حرارتی پوسته لوله با تیوب شیت ثابت

مبدل تیوب شیت ثابت (Fixed tubesheet exchangers)، از لوله‌های مستقیم ساخته شده که هر دو انتهای آن به تیوپ شیت‌ها (صفحات لوله) متصل شده‌اند. از طرفی این صفحه لوله، توسط روش جوشکاری به پوسته مبدل حرارتی محکم می‌شود. از مهم‌ترین مزایای این سیستم می‌توان به ساده‌بودن طراحی و نحوه ساخت آن و به حداقل رسیدن احتمال نشت به دلیل استفاده از جوشکاری اشاره کرد. همچنین هزینه‌های نگهداری و تعمیر مبدل حرارتی پوسته و لوله در این حالت کمتر خواهد بود.

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله U شکل

همان‌طور که از اسم این مبدل مشخص است؛ پیکربندی لوله‌ها در آن به‌صورت U شکل بوده و ورودی و خروجی آن‌ها در یک سمت مبدل قرار دارد. از این رو سیال از نیمه بالایی وارد شده و از نیمه پایینی خارج می‌شود. در این سیستم سطح تماس سیال درون لوله‌ها با سیال داخل پوسته افزایش‌یافته و امکان استفاده برای شرایط اختلاف دمایی بالا فراهم خواهد بود. در مبدل‌های U شکل باید از مواد شیمیایی برای تمیزکاری سطوح داخلی لوله‌ها کمک بگیرید.

مبدل حرارتی فلوتینگ هد (کلگی شناور)

در مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله با یک سر شناور، پیکربندی لوله‌ها به‌صورت مستقیم است. در واقع فقط یک سر لوله‌ها به تیوب شیت ثابت، متصل خواهد شد. از این رو آزاد بودن سر دیگر لوله‌ها، باعث شده تا مبدل در اختلاف دمای بالا عملکرد بهینه‌ای داشته و امکان انبساط و شناور شدن آن‌ها، فراهم باشد. به دلیل ساده‌بودن روش باز و بسته کردن اجزا در مبدل حرارتی فلوتینگ هد، تمیزکاری و تعمیر و نگهداری آن بسیار ساده خواهد بود.

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله طبق استاندارد TEMA

به طور کلی بر اساس استاندارد TEMA انواع این مبدل‌ها را می‌توان به سه دسته مبدل‌های کلاس B با کاربری فرایندهای شیمیایی، کلاس C با کاربری عمومی در صنایع مختلف و کلاس R با کاربری صنایع پتروشیمی و فرایندهای بزرگ‌مقیاس تقسیم‌بندی کرد. در هر کدام از این کلاس‌ها طراحی بافل مبدل حرارتی پوسته لوله، تیوپ و ساختار پوسته متفاوت است.

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله با توجه به مکانیزم جریان سیال

یکی دیگر از عوامل مهم دسته‌بندی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله را می‌توان نحوه جریان‌یافتن سیال دانست. انواع جریان در طراحی و تولید این نوع مبدل‌های حرارتی عبارت‌اند از:
جریان موازی (Parallel Flow) یا جریان همسو (Cocurrent Flow): در این حالت، هر دو سیال سمت لوله و سمت پوسته از یک طرف وارد مبدل شده و از طرف مقابل خارج می‌شوند. به همین دلیل میزان تغییرات دمایی برای هر دو سیال یکسان خواهد بود.
جریان مخالف (Counter Flow) یا جریان ناهمسو (Countercurrent Flow): در این حالت، سیال سمت لوله و سیال سمت پوسته از سمت مخالف همدیگر وارد مبدل شده و از طرف مقابل یکدیگر خارج می‌شوند. این نوع مبدل، یکی از کارآمدترین و متداول‌ترین مبدل های حرارتی محسوب می‌شود.
جریان متقاطع (Cross Flow): در این حالت، سیال سمت پوسته نسبت به سیال سمت لوله با زاویه 90 درجه حرکت می‌کند. به همین دلیل یکی از سیالات با عبور از مسیر خود تغییر فاز (مایع به گاز) داده و سپس توسط سیال دیگر به حالت مایع جذب می‌شود.
البته در برخی از موارد، بر اساس نوع طراحی، اجرا و طریقه نصب مبدل حرارتی پوسته و لوله، ترکیبی از این جریان‌ها را استفاده می‌کنند.

خصوصیات و ویژگی‌های مهم مبدل‌های پوسته و لوله (شل اند تیوب) چیست؟

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله برای کاربرد‌های مختلف طراحی و تولید شده و نیاز‌های هر عملیات تولیدی مجموعه‌ای از صنایع را برآورده می‌کنند. برخی از مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارت‌اند از:
•    قیمت مبدل حرارتی پوسته لوله، مهم‌ترین مزیت آن محسوب می‌شود؛ به طور کلی هزینه این سیستم از مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای بسیار کمتر است.
•    مبدل‌های حرارتی پوسته لوله دارای ظرفیت کار در دمای بالا هستند و می‌توانند برای هر شرایط عملیاتی سازگار شوند.
•    مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله در برابر فشار‌های بسیار بالا مقاوم هستند.
•    این مبدل‌های حرارتی، به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که با افت فشار مقابله کرده و آن را به حداقل برسانند.
•    به دلیل استفاده از چندین لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله، سطح بیشتری برای انتقال حرارت اتفاق می‌افتد.
•    این سیستم با کنترل افت فشار، از رسوب در پوسته لوله‌ها جلوگیری می‌کند.
•    طراحی بافل مبدل حرارتی پوسته لوله، به‌گونه‌ای است که سیال درون پوسته را به‌خوبی هدایت کرده و راندمان انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.
•    نگهداری و تعمیر مبدل حرارتی پوسته و لوله ساده‌تر است.
•    طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی پوسته لوله، انعطاف‌پذیر بوده و به‌راحتی می‌توان برای سازگاری با هر فرایند تولید، آن را تنظیم کرد.
•    به‌کارگیری چندین تیوب مبدل حرارتی پوسته و لوله، انبساط حرارتی بین لوله‌ها و پوسته را افزایش داده و امکان استفاده از مایعات قابل‌اشتعال و سمی را مهیا می‌کند.

مهم‌ترین کاربرد‌های مبدل حرارتی پوسته و لوله کدام‌اند؟

از مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله‌ای برای اهداف مختلفی همچون حذف حرارت فرایند تولید، تبخیر، گرم‌کردن آب خوراک تولید، فرایند تغلیظ بخار، تبادل دمایی روغن خنک‌کننده هیدرولیک و روان‌کننده‌ها، توربین‌های خنک‌کننده، کمپرسور‌ها و موتور‌ها کمک می‌گیرند. از این رو تعداد صنایعی که از این نوع مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله استفاده می‌کنند، بسیار زیاد است. در واقع از آنجایی که انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله بسیار متنوع هستند، می‌توان آن‌ها را در پیکربندی‌های مختلف و با کاربرد‌های گوناگون طراحی کرد.
اصلی‌ترین کاربرد‌های مبدل حرارتی پوسته و لوله عبارت‌اند از:
•    کارخانه‌های پتروشیمی
•    پالایشگاه‌های نفت و گاز
•    صنایع دریایی
•    صنایع دفاعی
•    صنعت هوافضا
•    تولید انرژی
•    صنایع شیمیایی
•    صنایع فراوری و تولید مواد غذایی
•    تأسیسات گرمایشی و سرمایشی
•    سیستم‌های خنک‌سازی موتور و سردخانه‌ها

بفل در مبدل های حرارتی پوسته و لوله چیست؟

بفل ها در پوسته برای تعیین جهت جریان در طول تیوب ها و افزایش سرعت و افزایش نرخ انتقال حرارت استفاده می شوند. جهت توصیف بافل این گونه می‌توان بیان شود که در واقع برش بافل ها در بخش های طولی بفل هستند که برای تغییر جهت حرکت سیال در آن به کار می رود. حداکثر ضخامت بافل ها و نگهدارنده های آنها در استاندارد ها وجود دارد. فاصله کم بافل ها باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می شود اما افت فشار نیز زیاد می شود.

هزینه خرید مبدل حرارتی پوسته و لوله چقدر است؟

به طور کلی قیمت مبدل حرارتی پوسته و لوله، با توجه به تنوع بسیار بالای این محصولات و نوع کاربرد آن‌ها در صنعت، متفاوت خواهد بود. از طرفی عوامل مختلفی همچون جنس قطعات، تعداد لوله‌ها، جنس پوسته، نحوه قرارگیری لوله‌ها، ابعاد مبدل و سایر استاندارد‌های تولید بر قیمت نهایی محصول تأثیرگذار است. به همین دلیل و بر اساس نوسانات نرخ ارز در بازار برای اطلاع از قیمت دقیق این محصولات و شرایط فروش مبدل پوسته و لوله با کارشناسان ما تماس بگیرید.
در نهایت برای خرید مبدل حرارتی پوسته لوله، این نکته را در نظر داشته باشید که به دلیل اهمیت بسیار زیاد عملکرد دقیق و بدون نقص این نوع مبدل‌های حرارتی، باید بهترین تولید‌کننده مبدل حرارتی پوسته و لوله را انتخاب کنید.

سؤالات متداول

اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله کدام‌اند؟

از اجزای اصلی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله می‌توان به پوسته، لوله‌ها (باندل)، تیوب شیت، مجرای سمت لوله، کانال سمت لوله، مجرای سمت پوسته، میله‌های نگهدارنده و بافل اشاره کرد.

مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

ظرفیت بالای فعالیت در دما‌های عملیاتی مختلف، تحمل فشار‌های بسیار بالا، مقاومت در برابر خوردگی، انعطاف‌پذیری طراحی و هزینه‌های مقرون‌به‌صرفه‌تر از مهم‌ترین مزایای این نوع مبدل‌های حرارتی به شمار می‌روند.

چگونه مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای را تعمیر کنیم؟

به طور کلی با توجه به نوع مبدل‌ها و طریقه نصب مبدل حرارتی پوسته و لوله می‌توان از روش‌های شیمیایی و مکانیکی برای شستشو و تعمیر مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده کرد.

از مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله در کجا استفاده می‌کنند؟

از کاربرد‌های مبدل حرارتی پوسته لوله می‌توان به صنایع دریایی و دفاعی، هوافضا، تولید انرژی، کارخانه‌های شیمیایی، فراوری و تولید مواد غذایی و پالایشگاه‌های نفت اشاره کرد.

قیمت مبدل حرارتی پوسته و لوله چقدر است؟

قیمت مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله به عوامل مختلفی همچون ابعاد لوله‌ها، وسعت سطح تماس، حداقل و حداکثر فشار، میزان دمای عملیاتی، نوع مبدل، ظرفیت تبادل حرارتی، تعداد لوله‌ها و نوسانات بازار بستگی دارد. اگر به دنبال خرید مبدل حرارتی پوسته و لوله هستید، برای دریافت قیمت به‌روز و شرایط فروش مبدل حرارتی پوسته و لوله با کارشناسان ما تماس بگیرید.

از کجا مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله را بخریم؟

شرکت فنی و مهندسی آرکا تجهیز صدر یکی از معتبرترین و بزرگ‌ترین شرکت‌های تولید‌ کننده مبدل حرارتی می باشد. شما می‌توانید متناسب با فشار و ظرفیت گرمایی موردنیاز خود این مبدل حرارتی پوسته و لوله را سفارش دهید.

سخن آخر

همان‌طور که به آن اشاره کردیم؛ انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب)، نوعی دستگاه مبادله حرارتی بوده که از یک محفظه استوانه‌ای بزرگ یا پوسته (shell) و دسته‌هایی از لوله‌های فشرده (tubes) در داخل آن ساخته شده است. در واقع این نوع مبدل‌های حرارتی به دلیل سادگی در طراحی و نرخ تبادل حرارت بالا بسیار محبوب و متداول هستند. در فرایند مبدل‌های پوسته‌ای و لوله‌ای، یک سیال از طریق لوله‌ها جریان یافته و سیال دیگر از طریق پوسته با آن در تبادل حرارتی قرار می‌گیرد.
در متن بالا در مورد انواع مبدل‌های حرارتی پوسته لوله، مزایا و کاربرد‌های این نوع تجهیزات، مطالبی را با شما در میان گذاشتیم. اگر تجربه استفاده از چنین دستگاه‌هایی را دارید آن را با ما به اشتراک بگذارید، همچنین اگر قصد خرید مبدل حرارتی پوسته و لوله را دارید، سؤالات خودتان را از کارشناسان بخش فروش بپرسید.