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.

مبدل پوسته لوله چیست؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله یا شل اند تیوب (Shell and Tube Heat Exchanger) نوعی مبدل است که برای تبادل حرارت بین دو سیال، بدون اختلاط آنها، به کار می‌رود. این مبدل‌ها به دلیل کارایی بالا، قابلیت اطمینان، تنوع و قیمت مناسب در طیف گسترده‌ای از صنایع به عنوان مبدل خنک کننده، گرم کننده، تبادل حرارت، جداسازی سیالات کاربرد دارند.
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 این مبدل، 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.

سیال چیست؟

هر ماده‌ای است که می‌تواند به طور پیوسته جریان یابد و گرما را منتقل کند. سیالات می‌توانند مایعات، گازها یا حتی مخلوطی از هر دو (آب، روغن، مواد شیمیایی، گازها) باشند. جهت دریافت مشاوره رایگان می توانید با آرکا صدر، تولید کننده مبدل حرارتی پوسته و لوله در صفحه تماس با ما ارتباط برقرار نمایید.

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست

وظایف اصلی مبدل پوسته و لوله

مبدل شل اند تیوب به طور کلی دو وظیفه اصلی را انجام می‌دهند:

تبادل حرارت

وظیفه اصلی مبدل حرارتی شل اند تیوب، تبادل حرارت بین دو سیال مختلف است. این تبادل حرارت می‌تواند به صورت گرم کردن یک سیال با استفاده از سیال گرم دیگر و یا سرد کردن یک سیال با استفاده از سیال سرد دیگر انجام شود.

جداسازی سیالات

در برخی موارد، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله علاوه بر تبادل حرارت، وظیفه جداسازی دو سیال را نیز بر عهده دارند. این کار به این صورت انجام می‌شود که سیالات از طریق دیواره لوله‌ها با یکدیگر تبادل حرارت می‌کنند، اما با هم مخلوط نمی‌شوند.

مبدل پوسته و لوله چه کاری انجام می دهد

 

اهداف اصلی طراحی 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 سایر مبدل‌ها می باشد.

اجزای تشکیل دهنده مبدل انتقال حرارت پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته لوله از اجزای مختلفی تشکیل شده است که هر کدام وظیفه‌ی خاص خود را دارند. مهم‌ترین این اجزا عبارتند از:

اجزای تشکیل دهنده مبدل پوسته و لوله

پوسته (Shell)

پوسته یک استوانه است که از جنس فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ یا آلیاژ مس ساخته می‌شود. پوسته محل قرارگیری لوله‌ها و سیال سرد است.

لوله‌ها (Tubes)

لوله‌ها در داخل پوسته قرار دارند و سیالی که باید گرم یا سرد شود از داخل آنها عبور می‌کند. جنس لوله‌ها نیز می‌تواند از فولاد ضد زنگ، مس، آلومینیوم یا دیگر فلزات مناسب باشد.

تیوب شیت (Tube Sheet)

تیوب شیت یک صفحه است که در دو سر پوسته قرار دارد و لوله‌ها از آن عبور می‌کنند. تیوب شیت وظیفه‌ی نگهداری لوله‌ها در جای خود و جلوگیری از نشت سیال را بر عهده دارد.

 بافل‌ها (Baffles)

بافل‌ها دیواره‌های صفحاتی هستند که در داخل پوسته قرار دارند و مسیر جریان سیال سرد را به طور منظم می‌کنند. استفاده از بافل‌ها به افزایش راندمان انتقال حرارت و کاهش افت فشار سیال سرد کمک می‌کند.

بافل در مبدل پوسته لوله

نازل‌ها (Nozzles)

نازل‌ها ورودی و خروجی سیال به داخل و خارج از مبدل هستند. نازل‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که سرعت سیال را در محل ورود و خروج افزایش دهند تا راندمان انتقال حرارت بالاتر رود.

اتصالات (Connections)

اتصالات برای وصل کردن مبدل به لوله‌های سیستم لوله کشی استفاده می‌شوند. اتصالات باید به گونه‌ای باشند که در برابر فشار و دمای کارکرد مبدل مقاوم باشند.

تجهیزات جانبی

علاوه بر اجزای اصلی فوق، مبدل‌ انتقال حرارت پوسته لوله ممکن است دارای تجهیزات جانبی نیز باشند مانند شیرهای کنترل، فیلترها، و گیج‌های فشار و دما.

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. 

انواع مبدل پوسته و لوله

مبدل‌های پوسته لوله براساس ساختار، نوع مکانیزم، جنس، پالس شامل موارد زیر می‌شود:

براساس نحوه قرار گیری

در مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، آرایش لوله‌ها به نحوه قرارگیری لوله‌ها(مربعی، مثلثی، مارپیچ، خطی، شش ضلعی) در داخل پوسته اشاره دارد. آرایش لوله‌ها یکی از عوامل مهم در تعیین راندمان و کارایی مبدل حرارتی است.

مبدل حرارتی تک پاس یا دو پاس

رایج‌ترین نوع آنها مبدل‌های حرارتی یک پاس و دو پاس هستند. در مبدل‌های حرارتی دو پاس، سیال داخل لوله‌ها دو بار از طول مبدل عبور می‌کند. استفاده از مبدل‌های حرارتی دو پاس به افزایش راندمان انتقال حرارت منجر می‌شود.

مبدل های پوسته لوله ای U شکل

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.
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.
 

مبدل پوسته لوله U شکل چیست


مبدل پوسته لوله U شکل

پوسته به صفحه لوله جوش خورده و به سمت بیرونی دست لوله برای تمیز کاری دسترسی وجود ندارد.

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.
داخل پوسته افزایش‌یافته و امکان استفاده برای شرایط اختلاف دمایی بالا فراهم خواهد بود. 

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.

مبدل جریان موازی یا جریان همسو

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 یا جریان ناهمسو

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

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 انتقال حرارت پوسته لوله، ترکیبی از این مدل‌ها را استفاده می‌کنند.

نحوه کار مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله از دو بخش اصلی پوسته (shell) و لوله (Tubes) تشکیل شده‌اند.عملکرد مبدل پوسته و لوله بدین صورت است، سیالی که باید گرم یا سرد شود، از داخل لوله‌ها عبور می‌کند و سیال دیگر که وظیفه‌ی تبادل حرارت را دارد، در فضای بین لوله‌ها و پوسته جریان می‌یابد. با توجه به نوع سیال، دمای کارکرد، فشار و ظرفیت حرارتی، از آرایش‌های مختلف لوله‌ها در داخل پوسته استفاده 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. 

عملکرد مبدل و نحوه کار مبدل پوسته لوله

استانداردها و الزامات خرید مبدل شل اند تیوب

انتخاب و طراحی مبدل‌ حرارتی پوسته و لوله باید مطابق با استانداردها و الزامات مربوطه انجام شود. این استانداردها و الزامات توسط سازمان‌های مختلفی مانند ASME، TEMA و API تدوین شده‌اند. این کار برای اطمینان از عملکرد ایمن، کارآمد و قابل اعتماد مبدل حرارتی در طول عمر مفید آن ضروری است. برای اطمینان از اینکه یک مبدل حرارتی خاص دارای استانداردهای مورد نظر شما است، باید اسناد و مدارک همراه آن، گزارش های بازرسی، مشخصات فنی و... را بررسی کنید، و سازنده مبدل به شما تضمین صد درصد ایمنی و استاندارد دستگاه را بدهد.

نکته: 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. 

آرکا تجهیز صدر، با افتخار، مبدل انتقال حرارت پوسته و لوله را با ضمانت استاندارد، پیشرفته ترین تکنولوژی ساخت و... به شما ارائه می‌دهد. ما متعهد به ارائه محصولات باکیفیت و قابل اعتماد هستیم که مطابق با بالاترین استانداردهای صنعت، طراحی و ساخته شده‌اند.
 

استاندارهای مبدل پوسته لوله

مزایای مبدل انتقال حرارت شل اند تیوب 

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:

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

مزای و معایب مبدل انتقال حرارت پوسته لوله

کاربرد مبدل حرارتی پوسته و لوله در صنایع مختلف

مبدل انتقال سیال پوسته و لوله به دلیل کارایی بالا، تنوع و قیمت مناسب، در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی دارند. از این مبدل 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. برخی از مهم‌ترین این کاربردها عبارتند از:

کاربردهای مختلف مبدل پوسته لوله

  • کارخانه‌های پتروشیمی: تقطیر، تولید بخار، خنک‌کاری
  • پالایشگاه‌های نفت و گاز: خنک کردن سیالات فرآیندی، پیش گرم کردن سیالات، استحصال بخار
  • صنایع دریایی: تولید آب آشامیدنی، گرم‌کردن روغن، خنک‌کاری موتور
  • تولید انرژی و برق: خنک کردن ژنراتورها و توربین‌ها، تولید بخار برای توربین‌ها
  • صنایع شیمیایی: تولید مواد شیمیایی، استخراج حلال‌ها، تصفیه و تغلیظ مواد
  • صنایع فراوری و تولید مواد غذایی: پاستوریزه کردن، سرد کردن و انجماد مواد غذایی، تولید روغن‌های خوراکی
  •  تأسیسات گرمایشی و سرمایشی: تهویه مطبوع، گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها، کنترل رطوبت، تصفیه هوا
  • دارویی: تولید داروها، استریل کردن تجهیزات، کنترل دمای فرآیند
  • • سیستم‌های خنک‌سازی موتور و سردخانه‌ها: خنک‌کردن فضای داخلی، حفظ دمای مطلوب
  • صنایع فولاد: خنک کردن فولاد مذاب، تولید بخار برای توربین‌ها، تصفیه آب صنعتی
  • نساجی: رنگرزی و چاپ پارچه، بخاردهی و تکمیل پارچه، تصفیه آب
  • کاغذ و سلولز: تولید خمیر کاغذ، خشک کردن کاغذ، تصفیه آب
  • • استخر: مبدل پوسته و لوله برای خنک یا گرم کردن آب استخر، سونا، جکوزی
  • • موارد دیگر: صنایع معدنی، لاستیک‌سازی، لوازم آرایشی و بهداشتی، تصفیه فاضلاب

قیمت مبدل حرارتی پوسته لوله 

مبدل انتقال سیال پوسته و لوله به دلیل تنوع در جنس، نحوه قرارگیری لوله‌ها، ابعاد و استانداردهای ساخت، طیف قیمتی گسترده‌ای دارند. جنس بدنه و لوله‌ها، آرایش لوله‌ها، اندازه مبدل و کیفیت ساخت، از جمله عوامل تعیین کننده قیمت نهایی هستند. گروه صنعتی آرکا تجهیز صدر با ارائه مشاوره تخصصی و استعلام قیمت دقیق، به شما در انتخاب مبدل پوسته و لوله مناسب با نیازتان کمک می‌کند.

سازنده مبدل حرارتی پوسته و لوله

آرکا صدر با سال‌ها تجربه و تخصص در زمینه طراحی و ساخت انواع مبدل‌های حرارتی هواخنک، صفحه‌ای، پوسته لوله،  پاستوریزاتور و... مفتخر است که به عنوان یکی از بهترین تولیدکنندگان این محصول در ایران و به ویژه در استان خراسان رضوی و شهر مشهد شناخته می‌شود. ما با بهره‌گیری از دانش فنی روز دنیا، بهترین مواد اولیه و تجهیزات پیشرفته، طیف گسترده‌ای از مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله را برای کاربردهای مختلف در صنایع مختلف ارائه می دهیم. برای سفارش و طراحی انواع مبدل حرارتی پوسته لوله در مشهد به صفحه تماس با ما مراجعه کنید.
 

ساخت و طراحی مبدل انتقال سیال پوسته لوله

 

سوالات متداول کاربران

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

عوامل مختلفی بر عمر مبدل حرارتی پوسته لوله تأثیر می‌گذارند، از جمله نوع مواد، کیفیت ساخت، شرایط عملیاتی و برنامه نگهداری.

برخی از علائم خرابی شامل کاهش راندمان انتقال حرارت، افزایش فشار در پوسته، نشت سیال، خوردگی یا فرسایش لوله‌ها یا پوسته، لرزش یا سر و صدای غیرمعمول است.

حجم و وزن بالا، محدودیت در اندازه، نیاز به فضای زیاد، مصرف زیاد آب است.