مبدل حرارتی لوله پوسته و طراحی آن
در این مقاله ابتدا به بیان پارامترهای اصلی در طراحی مبدل لوله پوسته خواهیم پرداخت و سپس به بیان روش های موجود برای تعیین ضریب انتقال حرارت و افت فشار سیال سمت پوسته شامل روش کرن، تابورک و بل-دلاور خواهیم پرداخت.
مبدل حرارتی لوله و پوسته
پارامترهای اصلی در طراحی مبدل لوله پوسته
طراحی حرارتی لوله پوسته در واقع یافتن حالتی است که در ضریب انتقال حرارت بیشترین مقدار خود را داشته باشد، در حالی که افت فشار مبدل از حد مجاز تجاوز نکند به طور معمول روش های افزایش ضریب انتقال حرارت، مانند افزایش سرعت سیال، باعث افزایش افت فشارنیز می گردد؛ لذا باید ایجاد توازن بین پارامترهای مختلف مبدل به طرحی که خواسته های مسئله را برآورده مینماید، برسیم.
نوع ساخت مبدل
انواع مبدل های لوله و پوسته شامل لوله ثابت، دسته لوله ای U شکل و سرشناور می باشد. طراح باید بر اساس میزان تمیزکاری مورد نیاز مبدل، هزینه نسبی ساخت مبدل، انبساط حرارتی، سمی بودن سیالات سرد و گرم و برخی موارد دیگر به انتخاب نوع مبدل مناسب بپردازد.
تعیین سمت جریان
بعضاً یک انتخاب اشتباه در تعیین این مورد که کدام سیال داخل لوله و کدام سمت پوسته باشد می توان هزینه های فراوانی را در ساخت مبدل و پس از ساخت، در مرحله تعمیر و نگهداری و تمیز کاری ایجاد کند.
براساس این موارد طراح باید به موارد زیر نیز توجه نماید:
- سیال خورنده باید سمت لوله ها قرار گیرد
- سیال رسوب گذار باید سمت لوله ها جریان سابد.
- سیال با فشار زیاد، سمت لوله ها قرار گیرد.
- بهتر است جریان با دبی کوچک سمت پوسته قرار گیرد.
- ترجیحاً سیال داغ سمت پوسته نباشد.
- سعی شود سیال دارای لزجت بالا سمت لوله قرار گیرد.
لوله ها
در مبدلهای لوله و پوسته اغلب از استاندارد BWG برای لوله ها استفاده می شود بر این اساس طراح باید برای انجام محاسبات گرمایی مبدل، ابعاد لوله شامل قطر خارجی، ضخامت و قطر داخلی آن را انتخاب کند.
آرایش لوله ها
طراح می بایست توجه ویژه ای به هر کدام از آرایش ها و خواسته های مساله نموده و نوع آرایش صحیح را انتخاب کند.
تعداد پوسته و تعداد مسیر
انتخاب پوسته چندگذر نیاز به استفاده از دیوارک طولی و پوسته از نوع F دارد. از آنجا که آب بندی دیوارک طولی دشوار است اغلب به جای استفاده از چند گذر از سیال سمت پوسته از پوسته های سری استفاده شود.
تعداد لوله و تعداد مسیر های آن
برای یک سطح انتقال حرارت مشخص هر چه قدر تعداد لوله ها بیشتر باشد طول لوله ها کوچکتر خواهد بود. ولی در این صورت چون به زمان و کار بیشتری برای اتصال لوله ها به صفحه لوله نیاز است، هزینه کارگری نیز افزایش خواهد یافت و همچنین با تعداد لوله های بیشتر باید قطر صفحه لوله و پوسته زیادتر شود که این نیز می تواند هزینه را افزایش دهد.
همچنین با افزایش تعداد لوله ها سطح عبور جریان داخل لوله ها زیاد می شود در نتیجه سرعت سیال و ضریب انتقال حرارت سمت داخل لوله کاهش می یابد.
نوع دیوارک، فاصله میان آنها و میزان برش دیوارک صفحه ای
رایجترین نوع دیوارک، دیوارک تکه ای است. در انتخاب فاصله بین دیوارک توجه زیادی شود.
ضریب انتقال حرارت و افت فشار
ΔPtot=ΔPf+ΔPe
ΔPf افت های اصطکاکی به سمت حرکت سیال در طول لوله می باشد.
ΔPe افت های اضافی حاصل از خم ها و اتصال های مبدل می باشد.
ΔPf=ƒnlG²/di2p
ΔPe=aG²/۲P
G سرعت جرمی یا شدت دبی جرمی می باشد که بصورت
G=mN/Ac
مدلها
-
مدل ایده آل سیال سمت پوسته
-
مدلهای تینکر برای سیال سمت پوسته ( جریان A- جریانB- جریان C- جریان E-جریان F)