مبدل هاي پوسته –لوله اي

مقدمه تامين بسياري از خدمات صنعتي نيازمند به كارگيري تعداد زيادي مبدل دو لوله اي از نوع دو شاخه است.اين مبدل ها سطح قابل توجهي را اشغال كرده و در نقاط بسياري امكان نشت سيال وجود دارد هنگامي كه سطح تبادل حرارت زيادي مورد نياز باشد ، با استفاده از مبدل هاي پوسته-لوله اي مي توان سطح لازم را به دست آورد. در مبدل هاي پوسته لوله اي ، لوله ها درون صفحه نگهدارنده ي لوله قرار گرفته وبه دليل پهن شدگي لوله در سوراخ هاي صفحه ي نگهدارنده ي نوعي آب بندي ايجاد مي گردد كه تحت شرايط عملياتي مناسب نشت صورت نمي گيرد.مثالي ساده ورايج از يك لوله كه انتهاي آن پهن شده در شكل(1-2) نشان داده شده است .
سوراخ محل قرار گرفتن لوله در صفحه نگهدارنده ي با قطر كمي بزرگتر از قطر خارجي لوله تعبيه مي شودو دو يا چند شيار نيز در جداره ي سوراخ ايجاد مي گردد.لوله درون اين سوراخ قرار مي گيرد وسپس با استفاده از نوعي نورد لوله به واسطه چرخش وسيله ي مذكور صورت مي گيرد. اين نورد قادر به گذشتن از حدالاستيك لوله ي فلزي بوده و آن را به شرايط نيمه پلاستيك مي رساند.به نحوي كه درون شيارها وارد شده وآب بندي مورد نياز تامين مي گردد.براي نورد لوله بايد از مهارت كافي برخوردار بود زيرا احتمال تخريب لوله با كم شدن بيش از حد ضخامت لوله وجود دارد و در صورتي كه ضخامت لوله بيش از حد كاهش يابد ، مقاومت ساختماني آن كم خواهد شد. در برخي از كاربردهاي صنعتي ، نصب لوله ها در صفحه نگهدارنده به نحوي كه بتوان آنها را به سهولت خارج كرد ، مطلوب مي باشد(شكل2-2).در اين صورت لوله ها در حقيقت درون صفحه ي نگهدارنده با كمك بست يا حلقه هاي فلزي نرم تثبيت مي گردند. لوله هاي مبدل حرارتي منظور از لوله هاي مبدل حرارتي ، لوله هايي ، نظير لوله هاي چگالنده مي باشد ونبايد آنها را با لوله هاي فولادي يا ساير لوله هايي كه با روش هاي تزريقي ساخته مي شوند(pipe) اشتباه كرد.قطر خارجي لوله اي مبدل حرارتي ويا چگالنده ها قطر خارجي واقعي برحسب اينچ است كه لقي مجاز ، آن بسيار كم مي باشد. لوله هاي مبدل ها از انواع مختلف فلزات ساخته مي شوند كه شامل فولاد ، مس آلياژهاي مس و روي وقلع ، آلياژهاي مس وروي ، آلياژ مس-نيكل30-70 ، آلومينيوم برنز ، آلومنيوم وفولاد ضد زنگ مي گردند.اين لوله ها داراي ضخامت هاي متفاوتي هستند كه با درجه بندي بيرمنگام با علامتBWG يا درجه ي لوله مشخص مي شوند.اندازه ي لوله هايي كه عموما در دسترس مي باشند در مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت آمده است. استفاده از لوله هايي با قطر خارجي3/4 و1 in در طراحي مبدل هاي حرارتي رايج مي باشد.داده هاي جدول 10 به نحوي مرتب شده اند كه براي كاربرد در محاسبات انتقال حرارت سودمندتر باشند. گام لوله سوراخ محل نصب لوله ها را نمي توان خيلي نزديك به هم تعبيه كرد زيرا فاصله ي فلزي بين دو تا لوله ي مجاور هم بسيار ناچيز بوده ومقاومت ساختماني صفحه ي نگهدارنده ي لوله را ضعيف مي كند.كوتاهترين فاصله ي ميان دو سوراخ مجاور هم را فاصله ي آزاد يا لقي آزاد مي نامند كه در حال حاضر استاندارد شده اند.لوله ها با الگوي مربعي يا مثلثي استقرار مي يابند كه در شكلهاي (3-2الف) و(3-2ب) مشاهده مي شوند.
مزيت گام مربعي اين است كه سطح خارجي لوله ها براي تميز كردن در دسترس مي باشد ودر جهات نشان داده شده در شكل(3-2 الف) افت فشار كمتري ايجاد مي گردد.گام لولهpt كوتاهترين فاصله ي مركز به مركز بين لوله هاي مجاور هم مي باشد. گام رايج براي استقرار لوله هاي ¾ in.OD با گام مربعي معادل1-in وبراي لوله ي1 in-OD برابر1 ¼ است.براي استقرار لوله ها به روش مثلثي اين گام ها عبارتند از :لوله ي¾ in.OD با گام مثلثي 15/16 –in ، لوله ي ¾ in.OD با گام مثلثي 1-in ولوله ي1 in-OD با گام مثلثي ¼1 -inدر شكل(3-2 پ) آرايش لوله ها با گام مربعي را 450 چرخانده ايم ولي هنوز مشابه شكل(3-2الف) است. در شكل(3-2ت) آرايه ي اصلاح شده گام مثلثي كه قابل تمييز كردن با روش هاي مكانيكي است مشاهده مي گردد.اگر لوله ها به حد كافي با يكديگر فاصله داشته باشند امكان ايجاد فواصل لازم براي تميز كردن به صورت نشان داده شده در شكل نيز فراهم مي گردد.
پوسته ها: پوسته ها را از لوله ي فولادي (pipe) با قطر ناميipsتا 12.in مي سازند قطرهاي بيش از 12 از جمله24in داراي قطر خارجي واقعي ونامي مشابه هستند. ضخامت استاندارد براي پوسته از 12تا 24 in معادل 3/8 in است كه براي فشار عملياتي تا كه براي فشار عملياتي تا00psi مناسب مي باشد وضخامتهاي بيشتر از اين حد براي فشارهاي بالاتر بكار برده مي شود.پوسته هاي با قطر24in را با استفاده از صفحات فولادي نورد شده مي سازند. مبدل هاي داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده ي لوله ها ساده ترين نوع مبدل ، مبدل با صفحه ي ثابت يا ساكن نگهدارنده ي لوله ها مي باشد كه نمونه هايي از آنها در شكل(4-2) نشان داده شده است.
قسمتهاي اصلي عبارتند از :پوسته(1) مجهز به نازل ها وصفحات نگهدارنده ي لوله ها(2) در هر دو انتها كه بعنوان فلانچ براي اتصال دو مجرا(3) نيز بكار مي رود و پوششهاي مجاري (4)مربوط به هريك از آنها.لوله ها درون صفحه ي نگهدارنده قرار گرفته و از موانع مغشوش كننده ي متقارب (5) روي پوسته استفاده شده است. محاسبه ي سطح تبادل حرارت موثر غالبابر مبناي فاصله ي ميان وجوهي از صفحات نگهدارنده ي لوله كه مقابل هم هستند صورت مي گيرد ، وطول كلي لوله مد نظر قرار نمي گيرد. موانع مغشوش كننده ي جريان واضح است كه ضرايب انتقال حرارت بالاتر هنگامي حاصل مي گردند كه مايع در حالت متلاطم و در هم نگه داشته مي شود براي ايجاد تلاطم ودرهم شدن جريان در خارج از لوله ها استفاده از موانع ومغشوش كننده كه باعث مي شوند سيال درون پوسته در جهات عمود بر محور لوله ها جريان يابد ، مرسوم است.به اين ترتيب تلاطم كافي وقابل توجه حتي در صورت كم بودن دبي مايع در پوسته فراهم مي گردد. فاصله ي مركز تا مركز بين موانع مغشوش كننده يا فاصله گذاري ميان موانع مغشوش كننده مي نامند.چون موانع مغشوش كننده ممكن است بسيار نزديك به هم يا بسيار دور از هم قرار گيرند ، سرعت جرمي بستگي به قطر پوسته ندارد.فاصله گذاري موانع مغشوش كننده معمولا بيش از فاصله اي معادل با قطر پوسته يا كمتر از فاصله معادل يك پنجم قطر پوسته نمي باشد موانع مغشوش كننده با كمك با كمك ميله هاي نگهدارنده(6) به ص.رتي كه به شكل(4-2) ديده مي شود در جاي خود استقرار مي يابند.اين ميله بر صفحه ي نگهدارنده لوله ها پيچيده شده اند وقطعاتي از لوله با قطري بيش از ميله وطولهاي كوتاه بر روي آنها قرار گرفته كه فاصله ي بين دو مانع مغشوش كننده ي مجاور هم را حفظ مي كند.جزئيات لازم در شكل(5-2) مشاهده مي گردد.
انواع متعددي از موانع مغشوش كننده در مبدل ها كاربرد دارند اما رايجترين آنها موانع مغشوش كننده ي قطاعي است كه در شكل(6-2)نشان داده شده است.موانع مغشوش كنننده ي قطاعي از صفحات سوراخ داري ساخته مي شود كه ارتفاع آن معمولا75 درصد قطر داخلي پوسته است. اين نوع را موانع مغشوش كننده با برش 25 درصد مي نامند و در تمامي مباحث كتاب از آنها استفاده مي شود .با اين همه از موانع مغشوش كننده ي قطاعي با برش هاي ديگر نيز در صنعت استفاده مي كنند. دان هو تاثير برش موانع مغشوش كننده بر ضريب انتقال حرارت را بررسي و ارائه كرده است.موانع مغشوش كننده را مي توان به نحوي قرار داد كه جريان از بالا به پايين و از پايين به بالا هدايت شود ويا اينكه آنها را 900 چرخانده وجريان را از يك سمت به سمت ديگر منحرف كرد.نوع اخير در مواردي كه مخلوطي از مايع يا گاز در پوسته جريان دارد مطلوب تر است.همانگونه كه بعدا گفته خواهد شد گام موانع مغشوش كننده ي سرعت موثر سيال در پوسته را نيز تعيين مي كند واين سرعت ارتباطي با برش 25 درصد ندارد. انواع ديگر مغشوش كننده نوع مدور وحلقوي (شكل7-2) ومانع مغشوش كننده ي اريفيسي (شكل8-2)مي باشد.اگرچه انواع ديگري از موانع مغشوش كننده نيز كاربرد دارند ولي اهميت چنداني ندارند.


مبدل هاي داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده با مجاري يكپارچه

يكي ديگر از انواع مبدل ها با صفحه ي ثابت نگهدارنده ي لوله در شكل (9-2) مشاهده مي گردد كه در آن صفحات نگهدارنده ي درون پوسته قرار گرفته ومجرايي ايجاد مي كنند كه بخشهاي يكپارچه اي از پوسته هستند.
براي بهره گيري از مبدل هاي داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده ي غالبا لازم است انبساط هاي حرارتي جزئي بين لوله ها وپوسته در هنگام عمليات ويا تنش هاي حرارتي كه در صفحه ي نگهدارنده ايجاد مي گردد را پيش بيني كرد.اين كار را مي توان با در نظر گرفتن اتصالات انبساطي روي پوسته انجام داد.انواع مختلفي از اتصالات قابل ارتجاع موجود و در دسترس است. مبدل2-1 با صفحه ثابت نگهدارنده ي لوله

مبدل هايي از انواع نشان داده شده در شكل هاي (4-2)و(9-2) را مي توان با جريانهاي مختلف الجهت در نظر گرفت بدون آنكه به حركت جريان سيال داخل پوسته در طول لوله ها توجه كنيم.از نقطه نظر عملي در هنگامي كه يك سيال در تمام لوله ها در يك مسير عبور ميكند دستيابي به جريان با سرعت زياد بسيار مشكل است.اين مشكل را مي توان با اصلاح طرح به گونه اي كه سيال درون لوله هاي متوالي فقط در بخشي از لوله ها جريان يابد برطرف كرد.مثالي از مبدل حرارتي يا صفحه ي نگهدارنده ودو مسير گذر در شكل(10-2) مشاهده مي گردد كه در آن تمام سيال لوله ها متواليا از درون لوله ها عبور مي كند.
مبدل هايي كه سيال جاري در پوسته يك مسير را طي مي كند وسيال درون لوله ها در دو يا چند مسير جريان مي يابد را مبدل 2-1 مي نامند.يك مجراي نفوذ داراي تيغه ي جدا كننده اي است كه براي ورود وخروجي سيال درون لوله ها از يك مسير به مسير ديگر تعبيه مي شود.همانند مبدلهاي داراي كلاهك براي عبور سيال لوله ها ، سطح خارجي لوله ها جهت بازديد وتمييز كردن با روشهاي مكانيكي در دسترس مي باشند. سطح خارجي لوله ها را نيز مي توان فقط با برداشتن پوشش مجرا واستفاده ازيك تمييزكننده ي دوراني ويا برس سيمي تميز كرد.مسائل انبساط در مبدل هاي 2-1 داراي صفحه ي ثابت نگهدارنده ي لوله ها نسبتا بحراني تر هستند زيرا هر دو گذر لوله پوسته در جهات مخالف هم تمايل به انبساط از خود نشان داده و بر صفحه ثابت نگهدارنده ي لوله ها تنش وارد مي گردد. مبدل هاي داراي دسته ي لوله هاي قابل برداشت

در شكل(11-2) يك مبدل 2-1 با جريانهاي مختلف الجهت نشان داده شده است كه دسته ي لوله ها را مي توان از درون پوسته خارج كرد.اين مبدل شامل يك صفحه ي نگهدارنده ي ثابت لوله است كه بين دو فلانچ مجر اوپوسته بسته شده است.
در انتهاي ديگر دسته ي لوله ها در يك صفحه ي نگهدارنده شناور يا در پوش شناور قرار دارد.در پوش شناور به صفحه ي نگهدارنده ي لوله ها پيچ شده است وكل مجموعه را مي توان از انتهاي مجرا بيرون كشيد.پوسته به كمك كلاهك پوسته بسته شده است.درپوش شناور نشان داده شده سبب حل مسائل انبساط در اغلب موارد شده ومرسوم به در پوش شناوربا قابليت تحرك مي باشد. نقص استفاده از درپوش با قابليت تحركشكل ساده ي هندسي آن است.براي استحكام در پوش شناور لازم است آن را به صفحه ي نگهدارنده ي لوله پيچ كنيم ولي بكار بردن اين پيچ ها نيازمند به كارگيري فضايي است كه امكان قراردادن تعداد زيادي پيچ در آن وجود داشته باشد.پيچ كردن نه تنها تعداد لوله هاي قابل تعبيه در مجموعه را كاهش مي دهد بلكه مجاري عبور جريان نامطلوبي بين دسته ي لوله ها وپوسته ايجاد ميكند. اين نقيص را مي توان با كمك مبدل هاي 2-1 داراي درپوش شناور وحلقه ي شكاف دار نشان داده شده در شكل(12-2)برطرف كرد.اگر چه ساخت اين نوع مبدل گرانتر است ولي داراي مزاياي مكانيكي متعددي است.
اين نوع مبدل ها با نوع داراي قابليت تحرك تفاوت دارند كه دليل اين تفاوت وجود مجموعه ي حلقه ي شكاف دار در صفحه ي نگهدارنده ي شناور است كه مي تواند بزرگتر از پوسته بوده وآن را در خود جاي دهد.جزئيات يك حلقه ي شكاف دار در شكل(13-2) مشاهده مي گردد. صفحه ي شناور نگهدارنده ي لوله ها تعبيه شده است.اين حلقه به دونيم تقسيم شده وامكان باز كردن آن وجود دارد.هريك از سازندگان مبدلهاي در طرح مورد بحث اصلاحاتي انجام داده اند اما هدف همه ي آنها تامين سطح بيشتر نسبت به درپوش هاي شناور با قابليت تحرك براي پوسته هاي داراي قطر مشابه است .مجاري ورودي چدني با پوشش غير متحرك نيز در شكل(12-2) نشان داده شده اند.
نحوه ي استقرار لوله ها وشمار لوله ها

نمونه اي از نحوه ي استقرار لوله ها براي يك مبدل با درپوش شناور داراي حلقه ي شكاف دار را در شكل (14-2) مشاهده مي كنيد.استقرار واقعي براي پوسته اي با قطر13 ¼ in.ID ولوله هايي با قطر 1 in.ID و گام مثلثي 1 ¼ in مسير گذر در لوله ها مي باشد.
تيغه ي جداكننده نيز براي مجراي ورودي ودر پوش شناور همراه با جهت گيري مسيرهاي جريان نشان داده شده است.معمولا لوله ها را بصورت متقارن در صفحه ي نگهدارنده ي تعبيه نمي كنندوهمواره فضاي خالي اضافي براي پوسته با حذف لوله هايي كه مستقيما در مقابل نازل ها قرار مي گيرند.در نظر گرفته مي شودتا اثرات انقباض ناگهاني سيال در ورود به پوسته از ميان برود. هنگامي كه لوله ها با حداقل فاصله ي بين تيغه ها ولوله ها ودر قطري عاري از هرنوع انسداد موسوم به حد لوله ي خارجي چيده شوند.تعدادلوله ها در آرايش استقرار لوله ها را شمار لوله مي نامند.همواره اين امكان وجود ندارد كه تعداد لوله هاي مساوي در هر مسير گذر درنظر گرفت ، اگرچه در مبدل هاي بزرگ اين عدم توازن نبايد بيش از 5درصد باشد.در جدول9 ضميمه شمارلوله ها براي لوله هاي ¾ و1 in OD در پوسته اي با يك مسير گذر ويك ، دو ، چهار ، شش ، هشت مسير گذر در لوله ها داده شده است.
شمار لوله ، شامل يك مسير ورود آزاد در زير نازل ورودي است كه مساوي با سطح مقطع نازل ها مي باشد ودر جدول (1-2) داده شده است.هنگامي كه نازل ورودي بزرگتري بكار برده مي شود ، فضاي خالي اضافي را مي توان با بزرگتر كردن پايه ي نازل ورودي يا حذف لوله هايي كه بطور معمول در نزديكي نازل ورودي قرار ميگيرند ، تامين كرد.
درپوش شناور آب بندي شده

يكي ديگر از اصطلاحاتي كه در مبدل 2-1 با در پوش شناور صورت مي گيرد.استفاده از مبدل با درپوش آبندي شده است كه در شكل(15-2) مشاهده مي گردد.اين مبدل داراي الحاقاتي بر صفحه ي نگهدارنده ي شناور است كه با استفاده از كاسه نمد تامين مي گردد. اگرچه اين اقدام براي پوسته هايي تا قطر36in.ID كاملا رضايت بخش است كاسه نمدهاي بزرگتر براي فشارهاي بالاتر يا كاربردهاي همراه با ارتعاش توصيه نمي گردد. مبدل هاي با خم U شكل

مبدل2-1 نشان داده در شكل(16-2) شامل لوله هايي است كه داراي خمي به شكل u است واين لوله ها درون صفحه ي نگهدارنده ي نورد مي شوند.لوله ها مي توانند آزادانه منبسط شوند وبه اين ترتيب به صفحه ي نگهدارنده ي شناور ، درپوش شناور ، فلانچ پوسته وپوسته ي قابل برداشتن نيازي نخواهد بود.موانع مغشوش كننده را مي توان به همان شيوه هاي معمول با گام مربعي يا مثلثي نصب كرد. حداقل قطر خم هاي u شكل را كه مي توان بدون تغيير شكل قطر خارجي لوله در محل خميدگي مورد استفاده قرار داد قطري معادل سه تا چهار برابر قطر خارجي لوله است اين بدان معني است كه معمولا حذف لوله ها در مركز دسته ي لوله ها با توجه به نحوه ي چيدن آنها ضرورت دارد.
يكي از انواع جالب مبدل هاي داراي خمU شكل در تصوير(17-2) نشان داده شده است.در اين مبدل از يك صفحه ي نگهدارنده ي ثابت دوگانه استفاده شده است كه در مواردي كه نشت ونفوذ يك سيال به درون سيال ديگر باعث خوردگي شديد ومخرب مي گردد كاربرد دارد. با استفاده از دوصفحه ي نگهدارنده ي لوله با فاصله ي موجود بين آنها ، هريك از سيالاتي كه از درون صفحه ي متصل به آن نشت كنند به بيرون هدايت مي شوند.به اين ترتيب در اثر نشت جريان هيچ كدام از سيالات آلوده به سيال ديگر نخواهند شد مگر آنكه خود لوله دچار خوردگي گردد.در عين حال مي توان از شكستگي لوله ها با استفاده از آزمون دوره اي شوك فشار لوله ها ممانعت وجلوگيري كرد.
منبع : كتاب طراحي مبدلهاي حرارتي -انتقال حرارت فرآيند ها