آموزش طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله – مقدماتی

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله چیست؟ یکی از تجهیزات مهم پالایشگاهی، مبدل حرارتی است. اهمیت این تجهیزات از آن جهت است که در صورتی که شرایط دمایی سیال فرایندی، توسط مبدل‌های حرارتی به میزان مطلوب نرسد، عملیات واحد فرایندی، مختل می‌گردد. مبدل‌های حرارتی جهت تبادل حرارت بین دو سیال استفاده می‌شوند که هدف از این کار می‌تواند خنک‌سازی سیال گرم به وسیله سیال سرد و یا بالعکس باشد. بنابر نوع مبدل، امکان تماس بین دو سیال غیر قابل اختلاط می‌تواند وجود داشته باشد (برج‌های خنک‌کننده) و یا دو سیال به وسیله دیواره از یکدیگر جدا شده باشند (مبدل‌های پوسته و لوله). شکل هندسی مبدل‌های پوسته و لوله باعث می‌شود تا در برابر فشارهای مختلف کاربرد داشته باشند. اینگونه مبدل‌ها به لحاظ شکل، متنوع بوده و تقریبا قابلیت‌های طراحی مختلفی به منظور کاربردهای متنوع را دارند، به‌ طوری‌ که به جز موارد خاص کاربردی در مبدل‌های هواخنک، تنها مبدل‌های پوسته و لوله هستند که در سطوح حرارتی بالا، در فشار و دماهای بالاتر از 30 بار و 260 درجه سانتیگراد قابلیت استفاده دارند. دامنه وسیع کاربرد مبدل‌های پوسته و لوله، شامل انواع کندانسورها (Condenser)، اواپراتورها و مبدل‌های فشار بالا باعث شده است تا مطالعه و بررسی ویژگی‌های خاص این مبدل نسبت به سایر مبدل‌ها، برای مهندسین ذی‌ربط ضروری باشد. جای شگفتی نیست که بیش از 80% از تمام مبدل‌های حرارتی در صنعت را مبدل‌های لوله‌ای مانند پوسته و لوله، ایر کولر (Air Cooler) و دابل پایپ (Double-Pipe)، تشکیل می‌دهند. هرچند ممکن است در انواع مختلف مبدل‌های حرارتی، جذابیت‌هایی نسبت به انواع لوله‌ای وجود داشته باشد. اهمیت یادگیری طراحی مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله چیست؟ ایران کشوری با ذخایر عظیم نفت و گاز است که به منظور بهره‌برداری از ذخایر نفت و گاز موجود، به توسعه پالایشگاه‌های خود نیاز دارد. در این راستا لازم است تا متخصصین داخلی، علاوه بر آشنایی کلی با تجهیزات پالایشگاهی، توان طراحی خود را بهبود ببخشند. به علت رشد روز‌افزون قیمت انرژی در جهان، تحقیقات وسیعی در زمینه ارتقای تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت در حال انجام است. استفاده از نرم‌افزار‌های کامپیوتری برای تحلیل طراحی مبدل‌های حرارتی ضروری است، چرا که مهندس طراح می‌تواند برای رسیدن به یک طراحی بهینه، پارامترهای مختلف را تغییر دهد اما این ضرورت به معنای عدم نیاز به فراگیری روش‌های دستی نیست، چرا که مهارت، قضاوت مهندسی و تجربه مهندس طراح است که طراحی مبدل را نهایی می‌کند. هدف اصلی این فرادرس، تشریح ساخت و کاربرد بسیاری از انواع مبدل‌های حرارتی غیر‌ آتش‌خوار، همچنین متریال ساخت و هزینه آن‌ها است که در صنایع فرایندی استفاده می‌شوند. بسیاری از این اطلاعات با تجهیزات انتقال حرارت عمومی مشترک هستند، هرچند در رابطه با کاربردهای خاص مانند هیتر، کولر، اواپراتور یا کندانسور می‌تواند تفاوت‌هایی وجود داشته باشد. برج‌های خنک‌کننده و مبدل‌های مرتبط با صنایع برق مانند کندانسورهای صفحه‌ای و گرمکن‌های آب تغذیه، مستثنی شده‌اند. قسمت اعظم این آموزش به مبدل‌های پوسته و لوله می‌پردازد. این اثر بر پایه کتاب Heat Exchangers Design و Selection and Construction که توسط E.A.D. Saunders به نگارش درآمده، تهیه گردیده است. در این فرادرس، ضمن آشنایی با انواع مبدل‌های حرارتی و ویژگی‌های مکانیکی مبدل‌های پوسته و لوله، اصول طراحی، شامل محاسبات ضریب انتقال حرارت، افت فشار، اختلاف دمای میانگین، رسوب و ارتعاش روی لوله‌های مبدل به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در درس‌های پایانی، چرخه طراحی یک مبدل حرارتی از آغاز تا پایان، به همراه یک مثال شرح داده شده است. جامعه هدف این فرادرس، دانشجویان رشته‌های مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی فرایند و همچنین مهندسینی که در صنایع مختلف حرارتی مشغول‌اند، هستند. در این فرادرس چه چیزی یاد می‌گیریم؟ آنچه در این فرادرس یاد خواهیم گرفت انوع مبدل‌های حرارتی از جمله Double Pipe ،Air Cooled ،Plate fin ،Embossed Panel و Regenerator است. سپس اجزای استوانه‌ای و افت فشار را مورد بررسی قرار می‌دهیم و در پایان به اثربخشی مبدل‌های حرارتی می پردازیم.

فرادرس

محمدرضا رحیمی