مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله یا شل اند تیوب (Shell and Tube Heat Exchanger): انواع، کاربرد، سفارش طراحی و ساخت

مبدل حرارتی پوسته و لوله یا شل اند تیوب یکی از پراستفاده‌ترین تجهیزات انتقال حرارت در صنایع مختلف است. این مبدل حرارتی با طراحی انعطاف‌پذیر و عملکرد قابل‌اعتماد، نقش حیاتی در فرآیندهای صنعتی دارد. از خنک‌کاری گازها در پالایشگاه‌های نفت گرفته تا انتقال حرارت در نیروگاه‌ها، این نوع مبدل توانسته جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف پیدا کند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست؟

در این نوع مبدل، دسته ای از لوله‌ها (Tube Bundle) درون یک پوسته استوانه‌ای (Shell) قرار می‌گیرد.

• یکی از سیالات در داخل لوله‌ها جریان دارد.

• سیال دیگر از روی لوله‌ها و درون پوسته عبور می‌کند.

نتیجه این فرآیند این است که حرارت از سیال گرم‌تر به سیال سردتر منتقل می‌شود بدون آن‌که دو سیال با هم مخلوط شوند.

به‌طور دقیق‌تر:

• اگر سیال درون لوله‌ها داغ‌تر باشد، گرما از طریق دیواره فلزی لوله به سیال سردتر در پوسته منتقل می‌شود.

• برعکس، اگر سیال داخل پوسته گرم‌تر باشد، گرما از پوسته به لوله‌ها و سپس به سیال درون لوله‌ها انتقال می‌یابد.

اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله (شل اند تیوب)

1. Shell (پوسته):
   محفظه‌ای استوانه‌ای که یکی از سیالات در آن جریان دارد. جنس پوسته معمولاً از Carbon Steel یا Stainless Steel ساخته می‌شود تا در برابر فشار بالا و خوردگی مقاوم باشد.

2. Tube Bundle (دسته لوله‌ها):
   مجموعه‌ای از لوله‌های باریک که سیال دوم از درون آن‌ها عبور می‌کند. این لوله‌ها معمولاً از Copper Alloys یا آلیاژهای نیکل ساخته شده‌اند که خاصیت هدایت حرارتی بالایی دارند.

3. Baffles (بافل‌ها):
   صفحات داخلی که برای هدایت جریان سیال و افزایش راندمان انتقال حرارت به کار می‌روند.

4. Tube Sheets (صفحات لوله):
   این صفحات وظیفه نگه‌داشتن لوله‌ها و جلوگیری از نشت سیال‌ها را بر عهده دارند.

5. Nozzles (نوزل‌ها):
   ورودی و خروجی سیالات که جریان را به داخل و خارج مبدل هدایت می‌کنند.

مزایای مبدل حرارتی پوسته و لوله

• ظرفیت بالا:
  این مبدل‌های شل اند تیوب می‌توانند حجم زیادی از سیالات را پردازش کنند، که آن‌ها را برای کاربردهای صنعتی ایده‌آل می‌کند.
• قابلیت استفاده در فشار و دمای بالا:
  طراحی مقاوم این مبدل‌ها امکان استفاده در شرایط سخت عملیاتی را فراهم می‌کند.
• تعمیر و نگهداری آسان:
  امکان جدا کردن دسته لوله‌ها (Tube Bundle) برای تمیزکاری یا تعمیرات، فرآیند نگهداری را ساده می‌کند.

کاربردها در صنایع مختلف

1. پتروشیمی (Petrochemical Industry):
   در فرآیندهایی مانند بازیابی حرارت (Gas Cooling ،(Heat Recovery و Condensation، مبدل‌های پوسته و لوله به طور گسترده استفاده می‌شوند.

2. نیروگاه‌ها (Power Plants):
   برای متراکم کردن بخار (Steam Condensing) و انتقال حرارت در سیکل‌های حرارتی و ترکیبی.

3. صنایع نفت و گاز (Oil & Gas):
   برای خنک کردن یا گرم کردن سیالات و همچنین بازیابی انرژی از جریان‌های هدررفته.

4. صنایع شیمیایی و غذایی:
   در فرآیندهای گرمایشی و سرمایشی مایعات و گازها.

انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله:

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله بر اساس نوع جریان سیال، تعداد پاس‌های لوله و آرایش لوله‌ها دسته‌بندی می‌شوند. برخی از انواع رایج عبارتند از:

• مبدل‌های تک پاس: سیال گرم و خنک هر کدام یک بار از مبدل عبور می‌کنند.
• مبدل‌های چند پاس: سیال گرم یا خنک چندین بار از مبدل عبور می‌کنند.
• مبدل‌های جریان موازی: سیال گرم و خنک در یک جهت جریان دارند.
• مبدل‌های شل اند تیوب جریان مخالف: سیال گرم و خنک در جهت مخالف جریان دارند.

   

انواع تيپ مبدلهای توليدی:

• تيوب باندل U تيوب مطابق تيپ هاي TEMA BEU/AEU
• مبدلهايی با تيوب شيت ثابت مطابق تيپ های TEMA BEM/AEL
• مبدلهايی با تيوب شيت متحرك مطابق تيپ های TEMA AEW,AES,AET,AEP
• تمامی مبدلهای كلاس TEMA B,C,R

طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله

   

طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله فرآیندی پیچیده است که نیازمند دانش تخصصی، تحلیل‌های حرارتی و مکانیکی، و استفاده از مواد اولیه با کیفیت بالا می‌باشد. این فرآیند باید بر اساس استانداردهای صنعتی مانند ASME، TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) و API انجام شود تا محصول نهایی از نظر کارایی، ایمنی و دوام کاملاً بهینه باشد.

طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله

1. تعریف شرایط عملیاتی (Operating Conditions):

   • نوع سیالات (مایع یا گاز) و خصوصیات فیزیکی آن‌ها مانند ویسکوزیته، چگالی و ظرفیت حرارتی.
   • دمای ورودی و خروجی سیالات (Inlet & Outlet Temperatures).
   • فشار کاری (Operating Pressure).

2. انتخاب نوع مبدل شل اند تیوب:
   بر اساس نوع کاربرد، مبدل می‌تواند به یکی از انواع زیر طراحی شود:

   • Single-Pass یا Multi-Pass: تعداد عبور سیال در لوله‌ها.
   • Fixed Tube Sheet: لوله‌ها به صورت ثابت متصل هستند.
   • Floating Head: طراحی انعطاف‌پذیر برای تمیزکاری آسان‌تر.
   • U-Tube: برای کاهش تنش‌های حرارتی.

3. محاسبات انتقال حرارت:
   محاسبات بر اساس Overall Heat Transfer Coefficient (U) و نرخ انتقال حرارت (Q) انجام می‌شود. این محاسبات با در نظر گرفتن اختلاف دما بین سیالات (LMTD یا Log Mean Temperature Difference) بهینه می‌شود.

4. طراحی مکانیکی:
   در این مرحله، مقاومت مبدل در برابر فشار داخلی و خارجی بررسی شده و ضخامت پوسته و لوله‌ها، همچنین ابعاد دقیق بر اساس استانداردها تعیین می‌شود.

5. انتخاب متریال:
   مواد اولیه باید با توجه به شرایط عملیاتی انتخاب شوند:

   • Carbon Steel: برای دما و فشار معمولی.
   • Stainless Steel: برای سیالات خورنده یا دماهای بالا.
   • Inconel یا Titanium: برای محیط‌های بسیار خورنده.

6. طراحی بافل‌ها:
   بافل‌ها جریان سیال داخل پوسته را بهینه می‌کنند و با ایجاد آشفتگی (Turbulence) انتقال حرارت را افزایش می‌دهند. فاصله و شکل بافل‌ها باید طوری طراحی شود که تعادل بین راندمان حرارتی و افت فشار حفظ شود.

ساخت مبدل حرارتی پوسته و لوله

1. برش و آماده‌سازی مواد اولیه:
   مواد پوسته و لوله‌ها به ابعاد دقیق برش داده شده و بازرسی‌های اولیه از نظر کیفیت انجام می‌شود.

2. مونتاژ دسته لوله‌ها (Tube Bundle):
   لوله‌ها از طریق جوش یا پرس به صفحات لوله (Tube Sheets) متصل می‌شوند. کیفیت این اتصال بسیار مهم است و باید مطابق استانداردهای جوشکاری بررسی شود.

3. ساخت پوسته (Shell):
   پوسته به صورت استوانه‌ای از جنس فلزات مقاوم تولید شده و اتصالات ورودی و خروجی سیالات روی آن نصب می‌شوند.

4. مونتاژ نهایی:
   دسته لوله‌ها درون پوسته قرار گرفته و تمامی اتصالات به صورت مکانیکی یا جوشکاری نصب می‌شود.

5. تست و بازرسی مبدل حرارتی شل اند تیوب:
   تست‌های زیر باید انجام شود:

   • Pressure Test: برای اطمینان از مقاومت در برابر فشار.
   • Leak Test: برای بررسی عدم نشت سیالات.
   • Performance Test: برای بررسی راندمان حرارتی.

نرم‌افزارهای مورد استفاده در مکانیک سیالات جهت طراحی مبدل‌های پوسته و لوله

• Aspen HYSYS: برای شبیه‌سازی حرارتی فرآیندها.
• HTRI (Heat Transfer Research, Inc.): برای تحلیل و طراحی مبدل‌های حرارتی.
• SolidWorks یا AutoCAD: برای مدل‌سازی سه‌بعدی و طراحی مکانیکی.

چالش‌ها و نکات کلیدی در طراحی مبدل‌های پوسته و لوله

1. رسوب‌گیری (Fouling):
   یکی از مشکلات رایج این مبدل‌ها، تجمع رسوبات روی سطح لوله‌ها است که باعث کاهش راندمان حرارتی می‌شود. استفاده از مواد با مقاومت بالا در برابر رسوب و تمیزکاری دوره‌ای می‌تواند این مشکل را کاهش دهد.

2. طراحی بافل‌ها:
   طراحی مناسب بافل‌ها می‌تواند جریان سیال را بهینه کند و انتقال حرارت را افزایش دهد. اما طراحی نادرست ممکن است باعث افت فشار (Pressure Drop) غیرضروری شود.

3. انتخاب مواد اولیه:
   انتخاب متریال مناسب برای لوله‌ها و پوسته با توجه به نوع سیال و دمای عملیاتی بسیار مهم است.

نحوه انتخاب Shell and Tube Heat Exchanger

برای انتخاب مناسب، باید پارامترهای زیر را در نظر گرفت:

• دما و فشار عملیاتی سیالات
• نوع سیال (مایع یا گاز)
• مقدار انتقال حرارت موردنیاز (Heat Duty)
• مقاومت در برابر خوردگی و رسوب‌گیری

متريال لوله های بكار رفته در ساخت مبدلهای اين شركت شامل :

• لوله های كربن استيل بدون درز و درزدار
• لوله های استينلس استيل گروه 300 و 400
• لوله های مسی
• لوله های كاپرنيكل
• لوله های آلومينيوم برنج ، آدميرال تی برس و برنج

آزمایش مبدل حرارتی پوسته و لوله

فرآیند آزمایش مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger Testing Process) یکی از مراحل حیاتی پس از ساخت و پیش از بهره‌برداری صنعتی است.
هدف از این آزمایش‌ها، اطمینان از صحت عملکرد حرارتی، مکانیکی و آب‌بندی دستگاه می‌باشد.

مراحل و روش‌های استاندارد آزمایش مبدل پوسته و لوله

۱. بازرسی چشمی و ابعادی (Visual & Dimensional Inspection)

پیش از هرگونه تست فشار یا عملکرد:

• بررسی جوش‌ها، درزها و اتصالات از نظر کیفیت و نشت احتمالی.

• کنترل ابعاد کلی، ضخامت پوسته و قطر لوله‌ها مطابق نقشه و استاندارد TEMA.

• بررسی سالم بودن تیوب‌شیت‌ها، بافل‌ها و هدها.

۲. تست نشتی با مایع نافذ یا ذرات مغناطیسی (PT / MT Test)

برای تشخیص ترک‌های ریز یا عیوب جوشکاری در سطوح فلزی:

• در فلزات غیرمغناطیسی (مثل استنلس استیل) از تست مایع نافذ (PT) استفاده می‌شود.

• در فلزات مغناطیسی (مثل فولاد کربنی) تست ذرات مغناطیسی (MT) به‌کار می‌رود.

هدف: تشخیص عیوب سطحی پیش از تست فشار.

۳. تست هیدرواستاتیک (Hydrostatic Test)

این تست یکی از مهم‌ترین و الزامی‌ترین مراحل آزمایش مبدل است.

روش اجرا:

1. هر دو مدار (لوله‌ها و پوسته) به‌صورت جداگانه تست می‌شوند.

2. مدار مورد آزمایش با آب پر شده و هوای داخل آن تخلیه می‌شود.

3. فشار تا حدود ۱.۵ برابر فشار طراحی (Design Pressure) افزایش می‌یابد.

4. فشار برای مدت ۳۰ دقیقه تا ۱ ساعت ثابت نگه داشته می‌شود.

5. تمام اتصالات و درزها برای مشاهده نشتی یا تغییر شکل بررسی می‌شوند.

هدف: اطمینان از استحکام مکانیکی و عدم وجود نشتی در لوله‌ها و پوسته.

۴. تست نشت لوله‌ها (Tube Leak Test)

برای اطمینان از جدا بودن کامل دو سیال (یعنی عدم نشت بین مدار لوله و پوسته):

روش‌های متداول:

• تست هوا در آب (Air Under Water):
  در حالی‌که مبدل در تانک آب غوطه‌ور است، داخل لوله‌ها هوای فشرده (مثلاً ۵ تا ۷ بار) تزریق می‌شود. در صورت وجود سوراخ یا نشت، حباب‌ها ظاهر می‌شوند.

• تست وکیوم (Vacuum Test):
  در شرایط خاص، یکی از طرف‌ها تحت خلأ قرار می‌گیرد تا نشتی احتمالی شناسایی شود.

هدف: جداسازی کامل مدار پوسته و لوله و جلوگیری از مخلوط شدن سیالات.

۵. تست عملکرد حرارتی (Performance Test)

پس از تأیید سلامت مکانیکی، عملکرد حرارتی مبدل آزمایش می‌شود.

مراحل:

1. دو سیال با دمای مشخص از دو سمت وارد مبدل می‌شوند.

2. دمای ورودی و خروجی هر دو سیال، دبی، فشار و افت فشار ثبت می‌شود.

3. ضریب انتقال حرارت کلی (U) و بازدهی حرارتی محاسبه و با مقادیر طراحی مقایسه می‌شود.

4. هرگونه اختلاف زیاد (بیش از ۵–۱۰٪) نشان‌دهنده وجود خطا در طراحی، رسوب، یا جریان غیر یکنواخت است.

هدف: بررسی کارایی واقعی مبدل نسبت به مشخصات طراحی.

۶. تست لرزش و نویز (Vibration & Noise Test)

در شرایطی که سیالات با سرعت بالا جریان دارند:

• ارتعاش بیش از حد در دسته لوله‌ها ممکن است منجر به شکست یا سایش شود.

• با استفاده از حسگرها، لرزش لوله‌ها در نقاط بحرانی بررسی می‌شود.

هدف: اطمینان از پایداری مکانیکی و عمر طولانی تجهیز.

۷. تست نهایی و مستندسازی (Final Inspection & Documentation)

پس از اتمام تمام تست‌ها:

• کلیه نتایج، فشارهای تست، دماها، نوع سیالات آزمایشی و زمان تست در فرم مخصوص ثبت می‌شود.

• مدارک مطابق استانداردهای TEMA، ASME Section VIII یا API 660 تأیید و بایگانی می‌گردد.

نتیجه گیری

مبدل حرارتی پوسته و لوله با ساختاری مقاوم و عملکردی مؤثر در انتقال حرارت، یکی از بهترین گزینه‌ها برای استفاده در صنایع مختلف از جمله نفت، گاز، پتروشیمی و تهویه مطبوع است؛ این نوع مبدل با قابلیت تحمل فشار و دمای بالا، انتخابی ایده‌آل برای فرآیندهای صنعتی حساس به شمار می‌رود.

سوالات متداول (FAQ)

1. مبدل حرارتی پوسته و لوله چیست و چگونه کار می‌کند؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله نوعی مبدل است که برای انتقال حرارت بین دو سیال مجزا طراحی شده است. در این تجهیز، سیال اول داخل لوله‌ها (تیوب‌ها) جریان دارد و سیال دوم از فضای بیرون لوله‌ها (درون پوسته) عبور می‌کند؛ از طریق جداره لوله‌ها حرارت از یک سیال به سیال دیگر منتقل می‌شود.

2. در چه صنایعی از مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می‌شود؟

این نوع مبدل در صنایع گوناگونی مانند نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها، صنایع شیمیایی و تأسیسات بزرگ گرمایی و سرمایشی کاربرد دارد، چرا که قابلیت تحمل دماها و فشارهای بالا را دارد.

3. چه فاکتورهایی در انتخاب مبدل حرارتی پوسته و لوله باید مدنظر قرار گیرد؟

از جمله موارد مهم: دمای ورودی و خروجی سیالات، نوع سیال‌ها (گاز یا مایع، خورنده یا غیرخورنده)، فشار کاری، افت فشار مجاز، جریان سیال، جنس لوله و پوسته، شرایط محیط نصب، تعداد پاس‌ها (passes) و استانداردهای ساخت.

4. جنس لوله‌ها و پوسته چگونه انتخاب می‌شود؟

بسته به نوع سیال و شرایط کاری، لوله‌ها و پوسته ممکن است از فولاد کربن، فولاد ضدزنگ، مس یا آلیاژهای خاص ساخته شوند. مقاومت در برابر خوردگی، فشار و دمای کاری از عوامل تعیین‌کننده هستند.

5. آیا شرکت مکانیک سیالات خدمات طراحی و ساخت سفارشی مبدل حرارتی پوسته و لوله ارائه می‌دهد؟

بله، شرکت امکان ارائه طراحی مهندسی، انتخاب متریال مناسب، ساخت، تست و ارسال مبدل مطابق با شرایط پروژه مشتری را دارد.

6. نگهداری و تعمیرات مبدل حرارتی پوسته و لوله چگونه انجام می‌شود؟

برای حفظ راندمان مبدل، توصیه می‌شود بازدید دوره‌ای انجام شود، رسوبات و گرفتگی‌ها پاک سازی شوند، لوله‌ها و پوسته از نظر خوردگی یا ترک بررسی شوند، و در صورت لزوم تست‌های نشتی انجام شود.