مشاوره،طراحی و ساخت مبدل حرارتی

شرکت گسترش فرایند شریف در زمینه مشاوره و ساخت مبدل های حرارتی در ظرفیت های مختلف و مدل های مختلف مبدل های حرارتی سابقه ای طولانی دارد از این رو کارفرمایان محترم استقبال بی سابقه ای از این توانی مجموعه ما کره ان.

گسترش فرآیند شریف

 -«مقدمه»

---

مبدل‌هاي پوسته - لوله پر‌كاربردترين مبدل‌ها در صنعت مي‌باشند. اين مبدل‌ها داراي آرايش‌هاي جريان موازي همسو، غير همسو و يا جريان مخالف هستند. بسته به تعداد مسير پوسته و لوله، اين مبدل ها انواع مختلفي دارند. ساده‌ترين آنها شامل يک مسير پوسته و يک مسير لوله مي‌باشدکه در شکل (2-1) نماي ساده‌اي از آن نشان داده شده است. براي اينکه سيال سمت پوسته عمود بر لوله‌ها حرکت کند و اغتشاش جريان و در نتيجه ضريب انتقال حرارت در اين سمت افزايش يابد، از صفحات نگهدارنده استفاده مي‌شود. شکل‌هاي (2-1-الف) و (2-1- ب) مبدل‌هاي پوسته- لوله‌ با صفحات نگهدارنده با يک مسير پوسته و دو مسير لوله و دو مسير پوسته و چهار مسير لوله را نشان مي‌دهند.

  

                                                                        (الف)                                                                                (ب)

                شکل (3-1) مبدل‌هاي حرارتي پوسته - لوله (الف). يک مسير پوسته و دو مسير لوله.(ب). دو مسير پوسته و چهار مسير لوله

---

3-2- اجزاي مختلف مبدل‌هاي پوسته – لوله

در اين بخش براي آشنايي کلي با اجزاي مختلف مبدل‌هاي پوسته - لوله توضيحات کلي داده شده است. لازم به ذکر است باتوجه به تنوعي که اين مبدل‌ها دارند، برخي از اجزا فقط در نوع خاصي وجود دارند که از نوعي به نوع ديگر متفاوت هستند. ولي بطور کلي مبدل‌هاي پوسته - لوله داراي اجزاي زير مي‌باشند (شکل (2-2)):

1- پوسته[1]  و نازل‌هاي[2] روي آن

2- لوله ها

3- صفحه لوله‌ها[3]

4-  مجاري سيالات[4]

5- درپوش‌هاي مجرا[5]

6- بافل‌ها[6]

7. ميله‌هاي مهار و فاصله انداز بافل‌ها[7]: موانع مغشوش­ کننده با کمک ميله‌هاي نگهدارنده (كه بين لوله‌ها و موازي با آنها قرار مي‌گيرند) در جاي خود استقرار مي‌يابند (شكل (3-2)). اين ميله ها به صفحه نگهدارنده لوله‌ها پيچ شده‌اند و فاصله بين موانع را ثابت مي‌نمايند.

                                                                     شکل (3-2) اجزاي کلي مبدل‌هاي پوسته - لوله

موارد ذکر شده در بالا، اجزائي هستند که در همه مبدل‌هاي پوسته - لوله وجود دارند و ممکن است در هر نوع مبدل، طراحي مخصوص به خود را داشته باشند.

در ادامه هر يک از اين اجزاء با جزئيات بيشتري مورد بررسي قرار مي‌گيرند.

---

3-2-1- پوسته

قسمت مياني بدنه مبدل که بين دو کلگي قرار دارد، پوسته ناميده مي‌شود. دسته لوله‌ در فضاي خالي پوسته قرار مي‌گيرد و انتقال حرارت بين سيال جاري در لوله و سيال داخل پوسته در اين قسمت انجام مي‌گيرد. از جمله پارامترهاي مهم در طراحي يک مبدل، قطر پوسته و ضخامت آن است. اين پارامترها بر اساس ميزان انتقال حرارت مورد نياز و همچنين بسته به ميزان وجود عوامل خورنده که منجر به خوردگي پوسته خواهند شد تعيين مي‌شود. بديهي است هر چه قطر و ضخامت پوسته زيادتر شود هزينه ساخت مبدل نيز افزايش مي‌يابد. انواع مختلف پوسته بر اساس نوع آرايش نازل‌هاي سمت پوسته و بافل‌هاي عرضي و طولي موجود روي دسته لوله از يکديگر متمايز مي‌شوند.

با يک محاسبه سر انگشتي مي­توان گفت که هزينه پوسته معمولاً بيشتر از لوله‌ها مي‌باشد بنابراين براي تهيه مبدل با قيمت پايين‌تر بهتر است قطر پوسته کمتر بوده و سطح مورد نياز با افزايش طول جبران گردد[8].

در جدول (3-1) قطر‌هاي متداول براي پوسته آورده شده است. گرچه اجباري براي تعيين مقدار قطر ماكزيمم پوسته وجود ندارد، اما قطر ماکزيمم متداول براي كاربرد‌هاي عمومي، براي مبدل‌ها با دسته لوله جداشونده،60 اينچ (1524 ميليمتر) و براي مبدل با صفحه لوله ثابت، 80 اينچ (2032 ميلي‌متر) پيشنهاد مي‌شود[9].

جدول (3-1) قطرهای متداول پوسته

e Shell Diameter Rang
mm	in
489-591	19.5-23.5
635-991	25-39
1067-1829	42-72
78-120	78-120

---

3-2-2- لوله‌ها

دو سيالي که در مبدل در حال تبادل حرارت هستند به وسيله سطحي نفوذ ناپذير از يکديگر جدا شده‌اند. اين سطح در مبدل‌هاي پوسته – لوله، جداره لوله‌هاست. لوله، محل گذر يکي از سيالات و پوسته، محل گذر سيال ديگر است.

لوله‌ها درون پوسته مبدل قرار دارند و جداره آنها محل انتقال حرارت بين دو سيال مي‌باشد. بسته به ميزان خورندگي محيط بايستي لوله‌ها را از جنس‌هاي مختلفي مانند مس، فولاد ضدزنگ و غيره ساخت. بر طبق استاندارد، لوله‌ها داراي چهار قطر خارجي مي‌باشند:

1- ₈/⁵ اينچ يا 16 ميليمتر        2- ₄/³ اينچ  يا 20 ميليمتر          3- 1 اينچ   يا 25 ميليمتر      4- ₄/1¹ اينچ يا 31 ميليمتر

هر چه قطر خارجي لوله کوچکتر باشد، در يک حجم معين تعداد بيشتري لوله را مي‌توان قرار داد، در نتيجه سطح انتقال حرارت بيشتري نيز وجود خواهد داشت، ولي هميشه نمي‌توان از قطرهاي کوچک استفاده کرد چرا که بعضي مواقع سيال، رسوب زا بوده و جرم گرفتگي در لوله‌هاي با قطر کوچک بيشتر از لوله‌هاي با قطر بزرگ مي‌باشد. هر چه ضخامت لوله کمتر باشد بهتر است زيرا هزينه لوله­‌کشي کمتر مي‌شود و هر چه قطر مبدل کمتر و طول دسته لوله زيادتر باشد مبدل ارزانتر خواهد شد. در جدول (3-2) قطرهاي خارجي و ضخامت‌هاي استاندارد براي لوله هاي مبدل داده شده است.

 

جدول (3-2) استاندارد‌هاي قطر خارجي، ضخامت لوله و مينيمم گام لوله

31.75	25.40	19.05	15.88	mm	Tube Outside Diameter
	1			in
3.40	2.77	2.11	1.65	mm	Carbon and low alloy steels	Tube thikness
0.134	0.109	0.083	0.065	in
10	12	14	16	B.W.G
2.77	2.11	1.65	1.24	mm	Stainless steel, aluminium, copper and nikel alloys
0.109	0.083	0.065	0.049	in
12	14	16	18	B.W.G
39.69	31.75	23.81	19.84	mm	Clean service (30 or 60)	Minimum tube pitch
1.66	22/35	15/16	22/35	in
39.69	31.75	25.40	22.22	mm	Fouling Service (45 or 90)
1.66		1	7/8	in

---

لازم به ذکر است تعداد لوله‌ها در يک مبدل حرارتي پوسته – لوله بستگي به ميزان دبي سيال و افت فشار مجاز دارد. تعداد  لوله‌ها در يک مبدل طوري انتخاب مي‌شود که سرعت سيال داخل لوله (آب و يا سيال مشابه آن) بين 9/0 – 4/2 متر بر ثانيه (3 -8 فوت بر ثانيه) و سرعت داخل پوسته 6/0 – 5/1 متر بر ثانيه (2-5 فوت بر ثانيه) باشد[10]. ضخامت لوله با توجه به فشار داخلي و خارجي لوله‌ها و يا بيشترين اختلاف فشار تعيين مي‌شود. همچنين طول استاندارد براي لوله‌ها 2438، 3658، 4877، 6096 و 7315 ميليمتر (9، 12، 16، 20 و 24 فوت) مي‌باشد.

---

3-2-3- صفحه لوله[11]

اين صفحه دايره‌اي شکل بوده و روي سطح خود داراي تعدادي سوراخ مساوي با تعداد لوله‌هاست. اين صفحات بين پوسته و کلگي‌ها قرار مي‌گيرند تا از اختلال سيالات سمت لوله و پوسته جلوگيري کنند. انتهاي لوله‌ها در اين سوراخ‌ها قرار گرفته و بسته به طراحي، با روش‌هايي نظير جوش دادن و يا رزوه کردن به صفحه لوله‌ها متصل شده و در جاي خود ثابت مي‌گردند. به قطر خارجي روي صفحه لوله که در آن لوله‌اي وجود ندارد، [12]OTL گويند. براي تسهيل قرار دادن لوله در اين سوراخ‌ها بين ديواره سوراخ و جداره خارجي لوله مطابق با استاندارد، فاصله‌اي در نظر مي­گيرند که به آن Tube Junction گفته مي‌شود. براي محکم کردن لوله در سوراخ‌هاي صفحه لوله از روش‌هاي گوناگوني مانند جوش دادن يا رزوه کردن  استفاده مي‌شود. براي سيالاتي که خورنده باشند روش جوش دادن مناسب نمي‌باشد زيرا در اين صورت بين جداره خارجي لوله و بدنه صفحه لوله فاصله‌اي باقي مي‌ماند و به مرور زمان سيال سمت پوسته وارد اين فضا شده و جوش را از بين مي‌برد.

در مبدل‌هاي صفحه لوله ثابت براي وصل کردن صفحه لوله به پوسته و درپوش دو حالت وجود دارد:

(الف) از هر دو طرف جوش داده مي­شود، (ب) از طرف پوسته جوش داده شده و از طرف درپوش بصورت اتصال فلنجي و واشري مي­باشد. براي مبدل‌هاي صفحه لوله متحرک براي اين اتصال علاوه بر دو مورد بالا، اتصال فلنجي از هر دو طرف نيز وجود دارد. همچنين نوع صفحه لوله تاثير زيادي روي طراحي حرارتي، قيمت، ايمني و قابليت اعتماد[13] مبدل دارد.

صفحه لوله را بر حسب نوع طراحي مي‌‌توان به سه دسته تقسيم بندي نمود[14] (شکل (3-3)):

1. Normal Single Tube Sheet

2. Double Tube Sheet

3. Double Tube Sheet gap

نوع double براي زمانيکه هيچگونه نشتي بين سيال‌ طرف لوله و پوسته مجاز نباشد، كاربرد دارد. اين نوع اغلب براي مبدل‌هاي با صفحه لوله ثابت استفاده مي‌شود. اگرچه مي‌تواند با لوله U شکل و کلگي Packed Floating نيز استفاده شود. نوع ” دو صفحه لوله” طول لوله را که در تماس با سيال طرف پوسته است، کاهش مي‌دهد، بنابراين باعث کاهش سطح موثر مي‌گردد و نيز بر روي موقعيت نازل‌هاي طرف پوسته و فاصله بافل‌ها تأثير مي‌گذارد. نوع gap double Tubesheet، يک فاصله معمولاٌ 150 ميليمتري (6 اينچي) بين صفحه لوله داخلي (طرف پوسته) و خارجي ( طرف لوله) دارد. نوع انتگرالي آن هر نوع نشتي سيال را به طرف پايين داخل صفحه لوله براي زهکشي روانه مي‌کند. اين نوع کمياب بوده و به ابزارهاي خاص و تجربه ساخت نياز دارد.

S

                                                                                          1.شکل (3-3)

---

3-2-4- آرايش لوله‌ها

2. به نحوه قرارگیری سوراخ‌های روی صفحه لوله، آرایش صفحه لوله و یا چیدمان صفحه لوله گفته می‌شود. این سوراخ‌ها محل تماس لوله‌ها به صفحه لوله هستند. بنابراین نحوه آرایش آن‌ها بستگی به نحوه قرار گرفتن لوله‌ها دارد. تعداد گذرهای لوله نیز با افزایش صفحه جداکننده[15] که در داخل کلگی قرار می‌گیرد روی نحوه آرایش تاثیر می‌گذارد. زیرا برای متصل کردن صفحه جداکننده، محلی را برای آن روی صفحه لوله‌ها در نظر می‌گیرند. از پارامترهای مهم در آرایش لوله‌ها، فاصله لوله‌ها از یکدیگر^[16] و زاویه قرارگیری آن‌ها نسبت به هم ^[17]  می‌باشد.

3. لوله‌ها میتوانند نسبت به یکدیگر چهار نوع آرایش داشته باشند: 1) مثلثی با زاویه 30 درجه 2) مثلثی با زاویه 60 درجه 3) مربعی با زاویه 90 درجه 4) مربعی با زاویه 45 درجه (شکل(3-4)). انتخاب هر یک از این چهار وضعیت بستگی به شرایط رسوب گذاری و عوامل دیگری نظیر افت فشار دارد. حداقل فاصله بین لوله‌ها معادل 25/1 برابر قطر لوله‌ها می‌باشد. در فرآیندهای رسوب زا که نیاز به تمیزکاری مکانیکی است از آرایش 90 درجه استفاده می‌گردد.

4.

                                                                                                   5.شکل (3-4)

6. لازم به ذکر است که آرایش 30 درجه بیشترین و 90 درجه کمترین تعداد لوله در پوسته را فراهم می‌نماید. در سیال تمیز سعی می‌شود از آرایش 30 درجه استفاده گردد. درمورد آرایش لوله‌ها به نکات زیر باید توجه شود.[18]

از آرایش مربعی برای مبدل‌های صفحه لوله ثابت استفاده نمی‌شود، به این علت که مبدل‌ها نیاز به تمیزکاری مکانیکی ندارند.

از آرایش‌های مربعی 45 درجه ( مربعی چرخش داده شده ) برای جریان‌های تک فازی با رژیم جریان آرام، سیال رسوب‌زا و فرآیند کندانس شدن در بخش پوسته استفاده می‌شود.

در ریبویلرها از آرایش مربعی 90 درجه استفاده می‌شود تا مسیر مناسبی برای فرار بخارهای حاصل فراهم گردد.

---

3-2-5- بافل‌ها

7. بافل‌ها از اجزای بسیار مهم مبدل می‌باشند که در شکل گیری جریان مناسب برای رسیدن به ضریب انتقال حرارت بالا نقش مهمی ایفا می‌کنند. معمولا در طول مبدل از چندین بافل استفاده می‌شود که، به فاصله بین این بافل‌ها baffle spacing گفته می‌شود. معمولا فاصله بافل‌ها را بین 0/2 تا 0/1 برابر قطر پوسته در نظر می‌گیرند. هرچه فاصله بافل‌ها کمتر باشد ضریب انتقال حرارت افزایش می‌یابد اما موجب افت فشار بیشتری هم می‌شود. فاصله بهینه بافل‌ها در حدود 3/0 تا 5/0 قطر پوسته است.

بافل‌ها به چهار گروه اصلی دسته‌بندی می‌شوند:

1. بافل‌های عرضی

2. بافل‌های طولی

3. بافل‌های نگهدارنده

4. بافل‌های صفحه برخورد

---

8. جدول (3-3) طراحی آرایش لوله‌ها براساس رژیم جریان و طبیعت سیال

9.آرايش لوله	10.زاويه (درجه)	11.طبعيت سيال طرف پوسته	12.رژيم جريان
13.مثلثي	14.30	15.تميز	16.براي همه رژيم‌ها
17.مثلثي چرخش داده شده	18.60	19.تميز	20.بندرت استفاده مي‌شود
21.مربعي	22.90	23.رسوب زا	24.جريان متلاطم
25.مربعي چرخش داده شده	26.45	27.رسوب زا	28.جريان آرام

---

3-2-5-1- بافل‌هاي عرضي

29. نقش بافل‌های عرضی، ایجاد جریان متقاطع درون پوسته مبدل می‌باشد. جریان متقاطع در پوسته باعث می‌شود که تمام لوله‌ها در فرآیند انتقال حرارت سهم داشته باشند. بدین ترتیب از ایجاد نقاط کور[19] در مبدل جولوگیری می‌شود. علاوه بر آن بافل‌های عرضی نقش نگهدارنده را نیز ایفا کرده و از ارتعاش لوله‌ها در شدت جریان‌های بالا جلوگیری می‌کنند.

بافل‌های عرضی به دو دسته اصلی تقسیم بندی می‌شوند: بافل‌های برشی[20] و شبکه‌ای[21].

بافل‌های برشی عبارت‌اند از صفحه‌هایی که به منظور عبور لوله‌ها سوراخ شده‌اند و قطعه‌ای از آن‌ها که به پنجره لوله[22] موسوم می‌باشد، بریده شده است.

30. بافل‌های برشی در یک تقسیم بندی دیگر به بافل‌های تک برشه^[23]وتری، دو برشه^[24] وتری، سه برشه^[25] وتری، تاج و دایره^[26] و بدون لوله، دسته بندی می‌شوند. نوع تک برشه، قطاعی از یک دایره کامل است با ضخامت کم ( مینیمم و ماکزیمم اینچ ) و سوراخ دار که لوله‌ها از درون سوراخ رد شده و در جای خود محکم می‌شوند. در شکل (3-5) نمونه‌ای از بافل تک برشه و توزیع جریان حاصل در بخش پوسته مبدل آورده شده است.

 

                                          شکل (3-5) بافل تك برشه و توزيع جريان حاصل در بخش پوسته مبدل

---

31. در شکل (3-7) نمونه‌ای از بافل‌های دو برشه و سه برشه وتری همراه با توزیع جریان نشان داده شده است.

32.همچنين نوع ديگري از بافل‌هاي برشي وجود دارد که به بافل‌هاي بدون لوله و يا NTIW معروف است (شکل (3-6)). در بافل برشي فوق، لوله‌هايي که در پنجره بافل واقع مي‌شوند يک در ميان توسط بافل نگه داشته مي‌شوند. بنابراين، اين لوله‌ها مستعد ارتعاش مي‌باشند. براي حذف چنين مشکلي مي‌توان لوله‌هاي واقع در پنجره بافل را حذف نمود.

33. مشخصه‌های بافل‌های NTIW به شرح زیر است:

1. افت فشار این نوع بافل یک سوم افت فشار بافل تک برشه می‌باشد. 

2. تمایل کمی به رسوب گذاری و ضریب فیلم حرارتی بالا دارد.

3. میزان برش بافل و تعداد لوله‌هایی که باید از پنجره بافل حذف شود، بین 15 تا 25 درصد می‌باشد.

4. افت فشار کم در پنجره بافل و کاهش جریان‌های کنار گذر

---

در شکل‌های (3-8-الف) و (3-8-ب) نمونه‌ای از بافل دایره و تاج و بافل اریفیسی نشان داده شده است. در بافل‌های اریفیسی قطر سوراخ‌های بافل حداقل 1/16 و حداکثر 1/8 اینچ، بیشتر از قطر خارجی لوله، سوراخ میگردد. از بافل‌های اریفیسی به ندرت برای سیال بسیار تمیز استفاده می‌شود.

34.شکل (3-6) بافل‌هاي نوع NTIW

35.

36.شکل (3-7) بافل‌هاي عرضي دو برشه و سه برشه وتري

 

37.

38.شکل (3-8-الف) بافل دايره و تاج

39.

40.شکل (3-8-ب) بافل اريفيسي

41. بین لوله‌ها و سوراخ‌های بافل فاصله کمی وجود دارد که به آن Baffle Clearance گفته می‌شود. نحوه آرایش و قرارگیری پنجره بافل در یک مبدل، نحوه عبور سیال سمت پوسته را مشخص می‌کند. جدول (3-4) مقادیر استاندارد را برای این فواصل ارایه می‌کند.

---

42. بافل‌های برشی رایج ترین نوع بافل‌ها می‌باشند، مخصوصا بافل‌های تک برشه که بسیار مرسوم‌اند. و بالاترین ضریب فیلم طرف پوسته را دارند اما افت فشار آن‌ها از انواع دیگر بالاتر است. بافل‌های دو برشه با همان فاصله بافل‌ها باعث افت فشار کمتر ( از 50 تا 75 درصد ) شده اما ضریب فیلم طرف پوسته کمتری دارد.

جدول (3-4) فضاهاي باز استاندارد بين اتصال بافل با پوسته و تولرانس‌ها

Tolerance	Baffle diameter	Shell diameter Ds
		Pipe Shells
+1/32 in	Ds-1/16 in	6 to 25 in
		Plare Shells
+0, -1/32 in	Ds-1/8 in	6 to 25 in
+0, -1/16 in	Ds-3/16 in	27 to 42 in

 

45.

46.

47.شکل (3-9) مينيمم همپوشاني بافل‌ها براي بافل‌هاي تک برشه و دو برشه

شکل (3-10) تاثير فاصله بافل‌ها بر روي رژيم جريان

 

48. بافل‌های میله‌ای[29] و مارپیچی[30] نیز مثال‌هایی از بافل‌های شبکه‌ای می‌باشند. بافل‌های شبکه‌ای در مواردی که افت فشار مجاز پایین باشد و پشتیبانی لوله‌ها برای جلوگیری از ارتعاش مهم باشد، استفاده می‌شوند. بافل‌های میله‌ای براساس روابط توسعه داده شده توسط Phillips Petroleum طراحی می‌گردند. این نوع بافل‌ محدود به الگوی ارایش مربعی لوله‌ها می‌باشد. میله‌ها قطری حدود 6 میلی‌متر یا 0/25 اینچ دارند. میله‌ها بین هر ردیف لوله، به حلقه‌ای مدور جوش داده شده‌اند. (شکل 3-11)). بافل‌های مارپیچی معمولا برای الگوی آرایشی مثلثی لوله‌ها قابل استفاده است. نوارها معمولا 25 میلی‌متر (1اینچ) پهنا و 3 میلی‌متر (0/125 اینچ) ضخامت دارند.

---

3-2-5-2- بافل طولي

بافل طولي، صفحه‌ه­اي تخت و افقي است که بين لوله­‌ها قرار مي­گيرد و از يک سر به صفحه لوله متصل است. با قرار دادن بافل طولي مي­توان تعداد گذرهاي پوسته را افزايش داد. معمولاً ضخامت بافل طولي بين 6 تا 13 سانتيمتر در نظر گرفته مي­شود. همچنين بافل بايد تحمل اختلاف فشار بين دو گذر را داشته باشد. اگر اختلاف دماي دوگذر زياد باشد، بافل طولي بايد دو جداره ساخته شود تا هواي بين دو صفحه، عايق حرارتي بين دو گذر شود، زيرا نبايد بين دوگذر پوسته از طريق بافل طولي انتقال حرارت انجام گيرد. به منظور جلوگيري از نشتي در سرتاسر بافل طولي معمولاً از يک پوشش نيم دايره­اي که نيمي از دسته لوله داخل آن قرار مي گيرد، استفاده مي­شود. اين پوشش Shroud نام دارد و به بافل طولي و صفحه لوله، پيچ مي­شود و همراه دسته لوله جابجا مي­گردد (شکل (2-12-الف)). در شکل (2-12-ب) دو نوع اتصال بافل طولي به پوسته نشان داده شده است.

49.شکل (3-11) بافل‌هاي ميله‌اي

50.

شکل (3-12-الف) بافل طولي

شکل (3-12-ب) بافل طولي

 

 

 

3-2-5-3- بافل نگهدارنده

---

51.بافل‌های نگهدارنده، بافل‌هایی هستند که تنها برای نگه داشتن و تقویت لوله‌ها بکار برده می‌شوند و هیچ تاثیری در افزایش انتقال حرارت و یا افت فشار ندارند. شکل آنها به صورت دایره‌ای کامل و سوراخ‌دار است و در پوسته‌های نوع K، X و H از استاندار TEMA استفاده می‌شود.

---

3-2-5-4- بافل صفحه برخورد[31]

اگر جريان ورودي به پوسته داراي سرعت زياد باشد و يا حاوي ذرات جامد (و يا قطرات مايع در بخار) باشد، لوله به مرور زمان تحت سايش^[32] قرارگرفته و حتي تغيير شکل مي‌دهد. صفحه برخورد صفحه‌اي است که در زير نازل ورودي پوسته و بالاي لوله‌ها نصب مي‌شود و از آسيب ديدن لوله‌ها جلوگيري مي‌نمايد (شکل (3-13)).

شکل (3-13) شماتيکي از بافل صفحه برخورد و محل قرار گيري آن در مبدل

از سوي ديگر در صورتي که اين صفحه بطور مناسبي نصب شده باشد نقش بسزايي در توزيع جريان ورودي خواهد داشت و از ايجاد فضاي مرده در لوله‌هاي زير نازل ورودي جلوگيري خواهد کرد. ضخامت تقريبي اين صفحه mm3 و بصورت صاف و يا منحني شکل مي‌باشد. طول آن کمي بزرگتر از سوراخ نازل مي‌باشد. مطابق جدول (3-5) در صورتي که تابع PV²در ورودي نازل از مقادير داده شده بزرگتر گردد، بايد از صفحه برخورد استفاده نمود.

52.جدول (3-5) مقادير پيشنهادي براي PV²

		Type of fluid
1550	2230	Non-corrosive , non-abrasive single phase
500	744	All other liquids, including liquid at its boiling point
0	0	All other gases, vapors saturated vapors and liquid –vapor mixture

3-2-6- ميله‌هاي مهار و فاصله انداز بافل‌ها[33]

ميله مهار، يک ميله توپر است که در بين لوله‌ها قرار مي‌گيرد و وظيفه آن جلوگيري از ارتعاش دسته لوله است. اين ميله از يک سر به صفحه لوله وصل شده و سر ديگر آن آزاد است. تعداد اين ميله‌ها با افزايش قطر، افزايش مي‌يابد. استوانه فاصله انداز استونه‌اي توخالي با قطر بيشتر از ميله مهار است و وظيفه آن حفظ فاصله دو بافل مجاور يکديگر است. جنس ميله‌هاي مهار و فاصله انداز بايد مشابه جنس بافل‌ها و دسته لوله‌ها باشد. بر اساس توصيه TEMA تعداد و قطر ميله‌هاي مهار مطابق جدول (3-6) داده شده است.

53.جدول (3-6) تعداد و قطر ميله‌هاي مهار بر اساس قطر پوسته طبق توصيه TEMA

Minimum Number of Tie Rods	Tie Rod Diameter	Nominal Shell Diameter
4	3/8	6—15
6	3/8	16—27
6	1/2	28—33
8	1/2	34—48
10	1/2	49—60

مجموعه لوله‌ها و اتصالات داخلي مبدل که در داخل پوسته قرار مي‌گيرد، دسته لوله نام دارد. اين مجموعه متصل به هم را مي‌توان در هنگام شستشو و تعميرات داخلي، از مبدل خارج نموده و بعد از تعميرات، دوباره در پوسته قرار داد. اجزاي يک دسته لوله عبارتند از: لوله‌ها، بافل‌ها، صفحه لوله، ميله‌هاي مهار، فاصله انداز بافل‌ها و صفحه برخورد.

قطر دسته لوله تنها بستگي به تعداد لوله‌ها ندارد بلکه به تعداد گذرهاي لوله نيز بستگي دارد زيرا بايد به ازاي اين گذرها فضاي خالي روي صفحه لوله در نظر گرفته شود تا صفحات جداکننده گذرها روي آن تعبيه گردد. از روابط زير مي‌توان قطر دسته لوله و تعداد لوله‌ها را به دست آورد. اين روابط بر حسب نتايج تجربي از آرايش­‌هاي استاندارد حاصل شده اند. ثابتهايي که در اين روابط موجود است را مي‌توان براي آرايش‌هاي مثلثي و مربعي از جدول (3-7) استخراج کرد:

(3-1-الف)                                                                                                                 N_t=K₁(D_b/d₀)^n₁

                                                                                                          

که در آن:

N_t= تعداد لوله‌ها                                                                                      

D_b= قطر دسته لوله

d_o= قطر خارجي لوله، بر حسب mm

 

جدول(3-7) مقادير ثابت مورد استفاده در روابط (3-1)

Triangular pitch Pt
8	6	4	2	1	No Passes
0.0365	0.0743	0.175	0.249	0.319	K1
2.675	2.285	2.207	2.142		n1
Square pitch Pt
8	6	4	2	1	No Passes
.0331	0.0420	0.158	0.153	0.215	K1
2.643	2.617	2.263	2.291	2.207	n1

---

3-2-8- اتصالات انبساطي^[35]

به علت نوسانات دمايي ناگهاني، لوله‌ها و ديگر تجهيزات داخل مبدل دچار تغيير طول مي‌شوند. اگر اين تغيير طول در طراحي مبدل لحاظ نشده باشد، ممکن است باعث شکستگي لوله و خرابي مبدل گردد. براي جلوگيري از اين امر از قطعه‌‌اي به نام Expansion Joint استفاده مي‌شود. اين قطعه نيروي ناشي از تغيير طول را كاهش مي‌دهد. اين قطعه معمولاً به شکل دايره و يا مربع، از جنس فولاد و يا از جنس پوسته ساخته مي‌شود و معمولاً در مبدل‌هاي صفحه لوله ثابت بکار گرفته مي‌شود (شکل (3-14)).

شکل (3-14) نمايي از قطعه Expansion Joint روي پوسته

نکته

تعداد گذر در یک مبدل به این معنی است که سیالات چند بار طول مبدل را طی می‌کنند. اگر افزایش مسیر در لوله باشد، آن را گذر لوله و اگر در پوسته باشد آن را گذر پوسته نامند. تعداد گذرهای لوله معمولا 8، 6، 4، 2، 1می‌باشد، از مبدل با تعداد گذر بالاتر از 16 به علت مشکلات ساخت و طراحی استفاده نمی‌شود[36] برای مبدل‌های چند گذر لوله، تعداد زوج ترجیح داده می‌شود و تعداد گذر فرد، غیر معمول بوده و مشکلات مکانیکی و حرارتی خواهد داشت. نکاتی که باید مورد توجه قرار گیرند عبارتند از:

. براي مبدل‌هاي صفحه لوله ثابت، در نظر گرفتن تعدادگذر‌هاي فرد و زوج امکان پذير بوده و صفحه جداکننده گذر‌ها[37] را مي‌توان در هر دو کلگي جلو و عقب جاي داد.

. براي مبدل‌هاي U شکل، هر تعداد گذر زوج با قرار دادن صفحه جدا کننده گذر‌ها در کلگي جلو امکان پذير است.

. براي مبدل‌هاي با کلگي متحرک، در انواع مختلف توجه به موارد زير ضروري است:

. در کلگي‌هاي نوع T و S، تعداد گذر زوج محدوديتي ندارد. اگر تعداد گذر لوله‌ها فرد باشد خروجي کلگي عقب بوسيله تجهيزاتي مانند Bellows و يا Oring به انتهاي مبدل متصل مي‌شود تا تغيير طول در مبدل به لوله خروجي آسيبي نرساند (شکل (3-15)).

. براي کلگي نوع W، تعداد گذر به يک و حداکثر دوگذر محدود مي‌شود.

. براي کلگي نوع P، هيچ محدوديتي وجود ندارد.

شکل (3-15)

. براي افزايش سرعت در داخل لوله‌ها بهتر است تعداد گذر‌هاي لوله‌ها افزايش يابد.

. براي جريان‌هاي دو فازي در داخل لوله (تبخير و يا کندانس شدن) بهتر است لوله، يکبارگذر مستقيم و يا بصورت U شکل باشد.

. زماني‌که ضريب انتقال حرارت در بخش پوسته خيلي کمتر از طرف پوسته باشد، افزايش انتقال حرارت در بخش لوله‌ها با افزايش گذر و سرعت، منطقي نيست.

جدول (3-8) تعداد گذر‌هاي لوله متداول

نوع مبدل	تعداد گذر‌هاي متداول	تعداد گذر‌هاي ممکن اما غير متداول
مبدل نوع صفحه لوله ثابت	1، 2، 4، 6، 8	3، 5، 10، 12، 14
نوع U شکل	2، 4	6، 8
مبدل‌هاي نوع صفحه لوله متحرک
نوع W	1، 2 (1)	-
نوع P	2، 4، 6، 8	1، 3، 10 (2)
نوع Tو S	1، 2، 4، 6، 8 (3)	10، 12، 14
(1). براي دو گذر، نازل لوله‌ها بايد در کلگي جلو قرار گيرد. (2). بايد نازل در گذر‌هاي فرد جابجا شود. (3). در يک گذر بايد در انتهاي مبدل Bellows قرار داده شود.

• Vent و Drain

کليه مبدل‌ها نياز به خروجي Vent و Drain دارند. بنابراين اين خروجي‌ها بايد در دو بخش پوسته و لوله در محل مناسبي تعبيه شوند.

3-3- انواع مبدل‌هاي پوسته- لوله

مبدل‌هاي حرارتي پوسته- لوله بر حسب نوع كاربرد، شرايط عملياتي و خواص سيالات گرم و سرد، طراحي خاص خود را دارند. تفاوت در طراحي، به طور عمده از تغييراتي ناشي مي‌شود که بر حسب نياز در هر يک از اجزاي تشريح شده در بالا اعمال مي‌شود تا براي كاربردهاي خاص مناسب گردد. به طور کلي مي‌توان مبدل‌هاي پوسته- لوله را به صورت زير تقسيم بندي کرد:

 

---

3-3-1- مبدل با صفحه نگهدارنده ثابت[38] لوله‌ها

در اين نوع مبدل‌ها صفحه لوله‌ها به پوسته جوش داده مي‌شوند. داخل لوله‌ها را مي‌توان با جدا کردن درپوش و يا کل کلگي عقب، بصورت مکانيکي تميز‌کرد. ولي از آنجا که نمي‌توان پوسته را جهت تميزکاري خارج لوله‌ها باز کرد، تنها از روش‌هاي شيميايي مي‌توان استفاده نمود. تعويض دسته لوله در اين مبدل‌ها جز با بريدن پوسته امکان پذير نيست. اما مي‌توان لوله‌هاي معيوب را جايگزين نمود. در صورت عدم تعويض لوله‌ها مي‌توان لوله‌هاي معيوب را کور نمود. از سوي ديگر چنانچه پوسته و صفحات نگهدارنده لوله‌ها يکپارچه بوده و اختلاف دما بين پوسته و لوله زياد باشد، انبساط‌هاي حرارتي جزئي به وجود آمده و در هنگام عمليات، ايجاد تنش‌هايي روي صفحات نگهدارنده مي‌نمايد. اين تنش‌ها علاوه بر اينکه بايد در حين عمليات معمول مبدل در نظر گرفته شود، بايد در شرايط حاد راه ‌اندازي نيز لحاظ گردد. بعنوان مثال براي کاهش اين تنش‌ها از يک سري اتصالات انبساطي[39] روي پوسته استفاده مي‌شود.

 

شکل (3-16) مبدل حرارتي از نوع صفحه نگهدارنده ثابت لوله‌ها.

نکته: عموماً اتصالات انبساطي جهت اختلاف دماي حداقل 100 درجه فارنهايت تا 200 درجه پيشنهاد مي‌شود. از مزاياي مبدل‌هاي صفحه لوله ثابت اين است که به علت نداشتن اتصالات داخلي، از پتانسيل مخلوط شدن سيالات پوسته و لوله کاسته مي‌شود. از ديگر مزاياي اين نوع مبدل مي‌توان به جاي دادن تعداد زيادي لوله در پوسته اشاره کرد که بدليل نداشتن اتصالات داخلي امکان پذير مي‌باشد.

3-3-2- مبدل با درپوش شناور[40] – صفحه نگهدارنده شناور لوله‌ها[41]

در موارد حاد در صورتی که اختلاف دما از 200 درجه فارنهایت بیشتر باشد، از درپوش شناور استفاده می‌شود. همانطور که در شکل (3-17) دیده می‌شود، انتهای دسته لوله‌ها در یک صفحه نگهدارنده شناور یک سرپوش دارد که قابلیت تحرک فوق العاده‌ای داشته و حتی کل مجموعه لوله‌ها را می‌توان از انتهای مجرا بیرون کشید. در یک دسته بندی این نوع مبدل را می‌توان به صورت زیر تقسیم بندی نمود:

• Spilt Backing Device
• Pull Thourgh
• Externally Sealed
• Outside Packed

شکل (3-17) مبدل حرارتي از نوع صفحه نگهدارنده شناور

3-3-3- مبدل با خم U شکل لوله‌ها

این نوع مبدل دارای یک دسته لوله‌ می‌باشد و سر دیگر لوله‌ها در داخل پوسته آزاد می‌باشد. بنابراین مشکل انبساط لوله‌ها به علت اختلاف دما رفع می‌گردد. دیواره خارجی لوله‌ها جهت تمیزکاری مکانیکی و یا شیمیایی قابل جدا شدن از پوسته می‌باشد. اما تمیزکاری بخش داخلی لوله‌ها تنها به روش شیمیایی امکان پذیر است.

اين نوع مبدل داراي يک دسته لوله مي‌باشد و سر ديگر لوله‌ها در داخل پوسته آزاد مي‌باشد. بنابراين مشکل انبساط لوله‌ها به علت اختلاف دما رفع مي‌گردد. ديواره خارجي لوله‌ها جهت تميزکاري مکانيکي و يا شيميايي قابل جدا شدن از پوسته مي‌باشد. اما تميزکاري بخش داخلي لوله‌ها تنها به روش شيميايي امکان پذير است. بنابراين در اين نوع مبدل، سيال رسوب‌زا نبايد به بخش لوله‌ها فرستاده شود.

از لحاظ مکانيکي ساخت مبدل درپوش شناور چندان ساده نيست لذا ترجيح داده مي‌شود که از مبدل با لوله‌هاي U شکل استفاده شود. در اين نوع مبدل مطابق شکل (3-18)، لوله ها داراي خمي به شکل U مي‌باشند، لذا مي‌توانند آزادانه منبسط شوند و به اين ترتيب به صفحه نگهدارنده شناور و درپوش شناور نيازي نيست. حداقل قطر خم‌هاي U شکل را که مي‌توان بدون تغيير شکل خارجي لوله در محل خميدگي مورد استفاده قرار داد، معادل سه تا چهار برابر قطر خارجي است. اين بدان معناست که حذف لوله‌ها در مرکز دسته لوله‌ها با توجه به نحوه چيدن آنها ضرورت دارد، به همين جهت تعداد لوله‌هاي آن از مبدل صفحه نگهدارنده ثابت کمتر است. از كاربرد‌هاي اين نوع مبدل مي‌توان به Tank Suction Heater و ريبويلر Stab-in اشاره نمود.

شکل (3-18) مبدل حرارتي با خم U شکل لوله ها

3-3-4- مبدل Kettle Reboiler

در مواردي که سيال عبورکننده از پوسته، در حال جوشيدن است معمولا پوسته بزرگ در نظر گرفته مي‌شود تا جوشش و آزاد شدن بخارها به راحتي صورت پذيرد. چنين مبدل‌هايي به Kettle Reboiler (شکل (3-19)) معروفند. حجم فضاي بخار بستگي به تعداد نازل‌هاي بخار، ميزان بخار توليدي، چگالي بخار توليدي و کيفيت بخار از نظر ميزان ماندگي مايع، دارد. اما معمولاً اين فضا يک سوم قطر برج در نظر گرفته مي‌شود. از سوي ديگر عمق فضاي لازم براي بخار نبايد کمتر از 9 اينچ باشد.

شکل (3-19) مبدل Kettle Reboiler

3-3-5- انواع مبدل‌هاي پوسته‌- لوله بر اساس تقسيم بندي TEMA ^[42]

آشنايي با واژه‌ها و اصطلاحات فني[43] سازندگان تجهيزات انتقال حرارت براي يک مهندس فرآيند بسيار مهم است. بر اساس نحوه نامگذاري TEMA، بر حسب اينکه اجزاي مختلف يک مبدل چگونه انتخاب و ساخته شوند نامگذاري صورت مي‌پذيرد. براي نام هرمبدل، سه حرف اختصاري بکار مي‌رود. حرف اول و سوم نوع کلگي جلو وعقب و حرف وسط نوع پوسته و تعداد مسيرگذرهاي آن را معين مي‌نمايد. در شکل (3-20) انواع مختلف کلگي جلو و عقب و پوسته که ممکن است در ساخت مبدل‌هاي پوسته - لوله مورد استفاده قرار گيرد بر اساس استاندارد TEMA آورده شده است.

در شکل‌هاي(3-21- الف) تا (3-21- و) انواع اصلي مبدل‌ها بر اساس استاندارد TEMA آورده شده است. اجزاي تشکيل دهنده مبدل‌هاي مذکور در شکل‌هاي مختلف شماره‌گذاري شده است. اسامي اين اجزاءکه به ترتيب شماره در جدول (3-9) آورده شده است، نشان مي­دهد که در نرم افزار ASPEN Hetran نيز از همين تقسيم بندي استفاده مي‌شود. مطالبي که در اينجا آورده  مي‌شود تنها اطلاعاتي کلي در اين خصوص است.

 

شکل (3-20)

 

شکل (3-21-الف) مبدل حرارتي با صفحه نگهدارنده ثابت

شکل (3-21-ب) مبدل حرارتي با درپوش شناور

شکل (3-21-ج) مبدل حرارتي با درپوش شناور همراه با پکينگ خارجي

                                                  شکل (3-21-د) مبدل حرارتي با کلاف لوله با شکل قابل جابجايي

                                                                           شکل (3-21-ح) ريبويلر کتل

                                                شکل (3-21-و) مبدل حرارتي با جريان دو قسمتي سيال در پوسته

                                                                                                                                        جدول (3-9) ليست اجزاي مبدل‌هاي حرارتي پوسته – لوله مطابق شکل‌هاي (3-21–الف) تا (3-21-و)

1. Stationary Head—Channel 2. Stationary Head—Bonnet 3. Stationary Head Flange—Channel. Packing Box 4. Channel Cover 5. Stationary Head Nozzle 6. Stationary Tubesheet 7. Tubes 8. Shell 9. Shell Cover 10. Shell Flange—Stationary Head End 11. Shell Flange—Rear Head End 12. Shell Nozzle 13. Shell Cover Flange 14. Expansion Joint 15. Floating Tubesheet 16. Floating Head Cover 17. Floating Head Cover Flange 18. Floating Head Backing Device 19. Split Shear Ring 20. Slip-on Backing Flange

21. Floating Head Cover—External 22. Floating Tubesheet Skirt or Bonnet 23 24. Packing 25. Packing Gland 26. Lantern Ring 27. Tie rods and Spacers 28. Transverse Baffles or Support Plates 29. Impingement Plate 30. Longitudinal Baffle 31. Pass Partition 32. Vent Connection 33. Drain Connection 34. Instrument Connection 35. Support Saddle 36. Lifting Lug 37. Support Bracket 38. Weir 39. Liquid Level Connection

                                                                                                                                                                     جدول (3-10-الف) راهنماي انتخاب انواع مبدل‌هاي پوسته - لوله

نوع مبدل	مدل	ويژگي‌هاي مهم	مناسب ترين كاربردها	محدوديتها
صفحه نگهدارنده ثابت ( Stationary tube sheet)	BEM	هر دو صفحه نگهدارنده به پوسته متصل و ثابت هستند.	چگالنده(کندانسور) مايع –مايع، گاز گاز، گاز – مايع، سرد کردن و گرم کردن، افقي يا عمودي جوشاندن	حداکثر اختلاف دما در دو انتها حدود F°200 و براي انبساطهاي جزئي است
درپوش يا صفحه نگهدارنده شناورFloating head or Tube Sheet دسته لوله‌اي (bundle) قابل تعويض يا غير قابل تعويض	AES AEP AJW AFS BET	يکي از صفحه نگهدارنده‌ها درون پوسته يا به همراه پوسته شناور مي‌باشد، کلاف لوله‌اي ممکن است از پوسته جداشدني يا غير قابل جدا شدن باشد، اما درپوش مي‌تواند جهت بازبيني انتهاي لوله‌ها باز شود.	اختلاف دماي بالا حدوداً بالاتر از F°200، جهت سيالات کثيف که به تميز کردن داخلي و يا خارج پوسته نياز داشته باشد، افقي يا عمودي	آب بندي هاي داخلي (Internal gasket) مي‌تواند خطرساز بوده و نشتي وجود داشته باشد، خطر خوردگي بخشهاي داخلي وجود دارد.
دسته لوله‌هاي U شکل	CFU AES	فقط به يک صفحه نگهدارنده نياز است. لوله‌ها به شکل U خم مي‌خورند. کلاف لوله‌اي قابل تعويض و جابجايي است.	براي اختلاف دماهاي زياد که ممکن است نياز به جلوگيري از انبساط در واحدهاي Fixed باشد. جهت سرويسهاي تميز با شرايط ساده در هر دو بخش لوله و پوسته. افقي يا عمودي	زانويي‌ها بايد با دقت ساخته شوند، زيرا ممکن است تخريب مکانيکي يا خطر گسيختگي ايجاد شود.سرعتهاي درون لوله مي‌تواند باعث سايش در زانويي‌ها شود. سيال حتما بايد عاري از ذرات معلق باشد.
کتل(kettle)	AKT	کلاف لوله‌اي همانند نوع U و درپوش شناور و قابل تعويض و جابجايي است. اندازه پوسته بزرگ انتخاب مي‌شود تا جوشش و آزاد شدن بخارها براحتي صورت پذيرد.	در مواردي که سيال جوشان بايد از درون پوسته عبور کند مثل زماني که سيال فرآيندي بايد تبخير شود. جهت خنک کردن يا سرد کرن سيال درون لوله‌هاي فرآيندي بوسيله تبخير	براي تاسيسات افقي است. براي كاربردهاي ديگر از نظر فيزيکي بزرگ است.

براي آشنايي و نحوه انتخاب سه بخش کلگي جلو، پوسته و کلگي عقب توضيحات مختصر و مفيدي در ادامه آورده شده است.

3-3-5-1- کلگي جلو[44]

به قسمت جلوي مبدل که سيال ورودي به لوله وارد آن مي­شود کلگي جلوگويند. براي اتصال هد‌ها به مبدل، يا از اتصالات پيچ و فلنج استفاده مي‌شود و يا آنها را به بدنه جوش مي‌دهند. اتصالات پيچي موجب افزايش هزينه مي­شوند، اما در عوض در هنگام تعمير، خارج کردن قطعات را ممکن مي‌سازد. اتصالات جوشي ارزانتر بوده و از آنها براي کار در فشار‌هاي بالا استفاده مي­شود.

 

                                                                                                                                                                                                             جدول (3-10-ب) ادامه

Design features	Fixed tubesheet	Return bend (U-tube)	Outside-packed stuffing box	Outside-packed Lantern ring	Pull-through bundle	Inside split backing ring
Is tube bundle removable?	No	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
Can spare bundles be used?	No	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
How is differential thermal Expansion relieved?	Expansion joint in shell	Individual tubes free to expand	Floating head	Floating head	Floating head	Floating head
Can individual tubes be replaced?	Yes	Only those in outside rows without special Design	Yes	Yes	Yes	Yes
Can tubes be chemically Cleaned, both inside and utside?	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
Can tubes be physically Cleaned on insidel?	Yes	With specia Tools	Yes	Yes	Yes	Yes
Can tubes be physically cleaned on Outside?	No	With Square or Wide Triangular Pitch	With Square or Wide Triangular Pitchr	With Square or Wide Triangular Pitch	With Square or Wide Triangular Pitch	With Square or Wide Triangular Pitch
Are internal gaskets and bolting required	No	No	No	No	Yes	Yes
Are double tubesheets practical?	Yes	Yes	Yes	No	NO	No
What number of tubeside passes is available?	Number limited by number of Tubes	Number limited by number of U-Tubes	Number limited by number of Tubes	One or Two	Number limited by number of Tubes odd Number of Passes requires Packed Joint or Expansion Joint	Number limited by number of Tubes odd Number of Passes requires Packed Joint or Expansion Joint
Relative coat in ascending order, least expensive = 1	2	1	4	3	5	6

• (A): Channel with Removal Cover
• (B): Bonnet Bolted or Integral with Cover
• (C): Integral Tubesheet & Removable Bundle
• (N): Integral Tubesheet & Non Removable Bundle
• (D): High Pressure Enclosure

3-3-5-1-الف- نوع A و يا Removable Chanel and Cover:

در اين نوع كلگي تمام اتصالات بصورت فلنجي مي‌باشد و امکان بازرسي کردن و دسترسي به لوله‌ها آسانتر است. مطابق شکل (3-23) در اين نوع كلگي، Cover بر روي كلگي، كلگي بر روي دسته لوله و دسته لوله به پوسته پيچ شده است. به منظور آب‌بندي مناسب بايد از دو Gasket استفاده شود. يکي از Gasket‌ ها بايد بين درپوش و کلگي و ديگري بين کلگي و صفحه لوله نصب گردد. زماني که فشار و دماي عملياتي بالا باشد بايد در انتخاب جنس و نحوه نصب Gasket‌‌ ها دقت زيادي نمود. يکي از ويژگيهاي ديگر اين نوع کلگي، مربوط به تحمل نسبتاً کم درپوش صاف آن نسبت به درپوش‌هاي مقعر مانند درپوش موجود در کلگي نوع B در ضخامت يکسان مي‌باشد. از اين نوع كلگي زماني استفاده مي‌شود كه سيال ورودي به واحد، بسيار رسوب‌زا باشد. براي تميزکاري نياز به باز کردن کلگي نيست و اين امر تنها با باز کردن درپوش امکان پذير است. لازم به ذکر است که هزينه آن نسبت به کلگي نوع B بالاست.

                                 

                                                                            شکل (3-23) کلگي نوع A در تعداد گذر‌هاي مختلف لوله

   

3-3-5-1-ب- نوع B و يا Bonnet (Integral Cover):

اين نوع كلگي فاقد Cover مي‌باشد و در آن كلگي به دسته لوله و دسته لوله به پوسته پيچ شده است. قسمت انتهايي آن معمولاً بصورت بيضي است. همچنين مي‌تواند به شکل نيمکره (زماني که مبدل يک گذر لوله است) و يا مخروط بدون رأس باشد. به علت داشتن شکل‌هاي مقعر، تحمل اين کلگي در مقابل فشار بالا زياد بوده، در نتيجه در هزينه و وزن مبدل تاثير بسزايي خواهد داشت. دسترسي به لوله جهت بازرسي و يا تميزکاري مکانيکي بعد از جدا کردن کلگي و Gasket امکان پذير مي‌باشد. اين نوع كلگي در مواردي که سيال تميز باشد بكار مي­رود (شکل (3-24)).

3-3-5-1-ج- نوع C و يا Integral With Tubesheet Removable Cover:

در اين نوع كلگي، Cover به كلگي پيچ شده ولي دسته لوله به كلگي جوش خورده است و مجموعاً به پوسته پيچ شده است. از اين نوع كلگي زماني استفاده مي‌شودکه سيال ورودي به سيستم رسوب‌زا نباشد، فشار سيستم زياد بوده و سيال سمي ‌باشد. همانطور که در شکل (3-26) ديده مي‌شود، در اين نوع کلگي نمي‌توان كلگي را از دسته لوله جدا نمود. اين نوع کلگي ارزانتر از نوع A مي‌باشد.

3-3-5-1-د- نوع N يا Channel Integral With Tubesheet and Removable Cover:

در اين نوع كلگي، Cover به كلگي پيچ شده،كلگي به دسته لوله و دسته لوله به پوسته جوش خورده است. كاربرد اين نوع كلگي همانند نوع C مي‌باشد با اين تفاوت كه در اين نوع كلگي ديگر نمي‌توان دسته لوله را از داخل پوسته بيرون کشيد (شکل (3-27)).

 

شکل (3-27) کلگي نوع N

3-3-5-1-ه- نوع D و يا Special High Pressure Closures:

در اين نوع كلگي، تمام اتصالات جوش داده مي‌شوند و براي استفاده  در فشار‌هاي بالا طراحي شده است (شکل (3-28)).

شکل (3-28) کلگي نوع D

براي کلگي جلو مي‌توان گفت:

از آنجا که برداشتن کلگي‌هاي A، C و N بسيار راحت‌تر است، اگر طرف لوله مکرراً نياز به تميزکاري داشته باشد اين سه نوع کلگي مناسب مي‌باشند. نوع D براي فشارهاي بالا مناسب است و نوع B اقتصادي‌ترين نوع کلگي جلو مي‌باشد.

 

3-3-5-2- پوسته

به بدنه مبدل که بين دو كلگي آن قرار گرفته پوسته گويند. لوله‌هاي مبدل درون پوسته قرار مي‌گيرند. روي پوسته تعدادي نازل وجود دارد که مسير ورود و خروج سيال سمت پوسته را فراهم مي‌کند. تعداد و نحوه قرارگرفتن نازل‌هاي روي پوسته يکي از پارامتر‌هايي است که مي‌توان با استفاده از نوع آن، پوسته را بر اساس استاندارد TEMA مشخص­کرد. پوسته بر اساس آرايش نازل‌ها به انواع زير تقسيم ‌بندي مي‌شود (شکل (3-29)):

• (E): One Pass Shell,
• (F): Two Pass Shell
• (G): Spilt Flow,
• (H): Double Spilt Flow
• (J): Divided Flow (1 Inlet & 2 Outlets)
• (K): Kettle,
• (X): Cross Flow
• (V): Vapor Belt

شکل (3-29)

3-3-5-2-الف- نوع E و يا One Pass Shell:

اين نوع پوسته رايج‌ترين نوع پوسته مي‌باشد و به دليل سادگي و ارزاني، ساير پوسته‌ها را با اين نوع پوسته مي‌سنجند. پوسته نوع E انتقال حرارت بسيار خوبي را فراهم مي‌کند اما در مقابل، بيشترين افت فشار را در طرف پوسته داراست. زمانيکه به جريان کاملاً غير همسو نياز باشد، براي مواردي چون  تقاطع دمايي^[45] و جريان‌هاي تک فازي كاربرد دارد (شکل (3-30)).

شکل (3-30)

3-3-5-2-ب- نوع F و يا Two Pass Shell With LongitudinalBaffle:

اين نوع پوسته داراي يک بافل طولي و در نتيجه دوگذر مي‌باشد. پوسته دوگذره نوعF مي‌تواند انتقال حرارت طرف پوسته را افزايش دهد، همچنين براي كاربردهاي تقاطع دمايي مي‌تواند جريان را به صورت غيرهمسو نگه دارد (شکل (3-31)).

 

 

3-3-5-2-ج- نوع J و يا Divided Flow:

اين نوع پوسته تعداد نازل‌هايي متفاوت با نوع E داشته و سيال ورودي به دو بخش تقسيم مي‌شود. نيمي از آن نصف طول مبدل و نيمي ديگر، نصف ديگر طول مبدل را طي مي‌کند. در نتيجه افت فشار نسبت به نوع E کمتر است (بين يک هشتم تا يک چهارم). از اين نوع پوسته زماني استفاده مي­شود كه نياز به تبخير و ميعان باشد. در اين پوسته از بافل Cross Type استفاده مي‌گردد (شکل (3-32)).

شکل (3-32)

3-3-5-2-د- نوع X و يا Cross Flow:

در اين نوع پوسته، سيال سمت پوسته فقط يکبار از روي دسته لوله مي‌گذرد. افت فشار در اين نوع پوسته از نوع J و E کمتر است. بعد از نازل ورودي يک توزيع کننده وجود دارد. بافل‌هاي اين نوع پوسته از نوع "نگهدارنده^[46]" مي‌باشند (شکل (3-33)). پوسته نوع X زماني مناسب مي‌باشدکه افت فشار در طرف پوسته کم باشد. اين نوع پوسته با داشتن بافل نگهدارنده باعث بوجود آمدن جريان کاملاً متقاطع بر روي دسته لوله مي‌گردد. از اين پوسته براي کندانسور‌ها (بويژه براي مصارف نيروگاهي)، تبادل حرارت براي جريان‌هاي گازي فشار پايين و همچنين براي تقطير در خلأ استفاده مي‌گردد.

                                                                                                                                            شکل (3-33)

3-3-5-2-ه- نوع G و يا Spilt Flow:

صفحه داخل اين نوع پوسته، مشابه بافل طولي بوده وکار آن تقسيم جريان مي‌باشد. درمقايسه با پوسته نوع E به ازاي دما‌هاي يکسان، در پوسته G اختلاف دما‌هاي متوسط بيشتري حاصل مي‌شود، همچنين ضريب فيلمي را که براي اندازه مبدل داده شده، افزايش خواهد داد. اين نوع پوسته اغلب به عنوان تبخيرکننده ترموسيفون افقي بکار برده مي‌شود(شکل (3-34)). وجود بافل طولي باعث اختلاط بهتر هيدروکربن‌هاي سبک وسنگين مي‌گردد.

3-3-5-2-و- نوع H و يا Double Split Flow:

اين نوع پوسته داراي دو صفحه داخلي جدا کننده جريان مي‌باشد. نوع H براي كاربردهايي که فشار عملياتي طرف پوسته پايين باشد، انتخاب مناسبي بوده، بنابراين در ترموسيفون بکار مي‌رود. (شکل (3-35)).

 

                                                                                                                                         شکل (3-36)

3-3-5-2-ز- نوع K و يا Kettle –typr Reboiler:

از پوسته نوع K زماني استفاده مي‌شود که در طرف پوسته، جوشش اتفاق مي‌افتد بنابراين در ريبويلر نوع Kettle كاربرد دارد (شکل (3-37)). مجموعه لوله‌ها داخل مايع غوطه ور بوده و بخار ايجاد شده در محفظه بالاي پوسته جمع آوري مي‌گردد.

                                                                                                                                        شکل (3-37)

لازم به ذکر است پوسته نوع V جزء استانداردهاي TEMA نيست. اين نوع براي افت فشار بسيار بسيار کم طرف پوسته، استفاده مي‌شود و براي کندانسور خلاء مناسب مي‌باشد.

3-3-5-3- کلگي عقب[47]

به كلگي قسمت انتهايي مبدل کلگي عقب گويند. نوع کلگي عقب بر روي طراحي حرارتي تأثير مي‌گذارد، زيرا نوع کلگي تعين كننده مرز لوله‌هاي لايه بيروني و درنتيجه تعداد لوله‌ها و تعداد گذر لوله‌ها مي­باشد. انواع کلگي عقب شامل 8 نوع L,M,N,P,S,T,U,W  مي­باشد (شکل (3-39)):

• (L): Removable Channel with Flat Cover
• (M): Bonnet
• (N): Integral Channel with flat Cover
• (P): Outside Packed Floating Head
• (S): Spilt Ring Floating Head
• (T): Pull Through Floating Head
• (U): U Tube
• (W): Floating Head with Lantern Ring

 

                                                                                             شکل (3-39)

3-3-5-3-الف- نوع S و يا Flaoting Head with Backing Device:

اين کلگي در مبدل‌هاي شناور مجهز به Backing Device بکار برده مي‌شود (شکل (3-40)).

                                                                                   شکل (3-41)

3-3-5-3-ب- نوع L و يا Fixed Tube Sheet:

اتصالات اين نوع کلگي به صورت فلنج بوده و براي سيالات رسوب‌زا بکار مي‌رود. امکان باز کردن و دسترسي به لوله‌ها راحت‌تر است. اين نوع کلگي شبيه کلگي جلوي نوع A مي‌باشد ( شکل (3-42))

                                                              شکل (3-42)

3-3-5-3-ج- نوع M و يا Fixed Tube Sheet:

اين نوع کلگي فاقد Cover بوده و در مواردي که سيال تميز باشد از آن استفاده مي‌شود. اين کلگي شبيه کلگي جلوي نوع B مي‌باشد (شکل (3-43)).

                                                              شکل (3-43)

3-3-5-3-د- نوع N و يا Fixed Tube sheet:

در اين نوع کلگي، Cover به كلگي پيچ شده و بقيه اتصالات به هم جوش خورده‌اند. زماني‌که سيال رسوب‌زا نباشد و يا وقتي فشار سيستم زياد باشد از اين نوع کلگي استفاده مي‌شود (شکل (3-44)).

                                                                شکل (3-44)

3-3-5-3-ه- نوع P و يا Outside Packed Floating Head:

اين نوع کلگي در مبدل‌هاي معروف به OutsidePacked Floating Head بکار برده مي‌شود (شکل (3-45)).

                                                                                                      شکل (3-45)

3-3-5-3-و- نوع T و يا Pull – Through Flaoting Head:

اين نوع کلگي در مبدل‌هاي معروف به Pull – Through Flaoting Head بکار برده مي‌شود شکل (3-46)).

                                                                                                           شکل (3-46)

3-3-5-3-ز- نوع W و يا Externally Scaled Floating Haed:

اين نوع کلگي در مبدل‌هاي معروف به Externally Scaled Floating Haed بکار برده مي‌شود شکل (3-47)).

                                                                                                         شکل (3-48)

3-3-5-3-ح- نوع U و يا U-Tube Bundle:

اين نوع کلگي در مبدل‌هايي که دسته لوله آنها به شکل U باشد استفاد مي‌شود (شکل (3-48-الف) و (3-48-ب)).

متغير مينيمم قطر خم U شکل

اين مينيمم فاصله مرکز- مرکز لوله خميده به صورت U مي‌باشد. پيش فرض نرم‌افزار B-JAC، حداقل سه برابر قطر خارجي لوله مي‌باشد. مينيمم واقعي، تابعي از جنس لوله، ضخامت ديواره لوله و فرآيند خم کردن مي‌باشد. اين مورد تأثير زيادي برروي طراحي حرارتي دارد، زيرا تعداد لوله‌ها، آرايش لوله U شکل را مشخص مي‌کند.

 

 

 

                                             شکل (3-48-ب) انواع نگهدارنده‌هاي لوله‌هاي­U  شکل

نکته:

نوارهاي آب بندي براي کاهش جريانهاي کنار گذر اطراف دسته لوله بين قطر داخلي پوسته و قطر خارجي دسته لوله استفاده مي‌شوند. براي صفحه لوله هاي ثابت (کلگي‌هاي عقب L,M,N) و مبدل‌هاي با لوله‌هاي U شکل، لقي بين قطر داخلي پوسته و قطر دسته لوله نسبتاٌ کم است؛ بنابراين نوارهاي آب بندي بندرت براي آنها استفاده مي‌شود. پتانسيل استفاده از نوارهاي آب بندي در داخل کلگي‌هاي شناور( کلگي‌هاي عقب T,S)، خارج کلگي شناور packed (کلگي عقب P) و صفحه لوله شناور (کلگي عقب W) به علت پتانسيل بالا براي جريانهاي کنار گذر، بالا مي‌باشد. محاسبات طراحي حرارتي در Hetran با فرض وجود هميشگي نوارهاي آب بندي در مبدلهاي T,S,PوW انجام مي‌گيرد. برنامه به صورت پيش فرض براي انواع N,M,LوU از نوار آب بندي استفاده نکرده و براي انواع P,T,SوW به ازاي هر 5 رديف لوله، يک جفت نوار آب بندي بکار مي‌برد.

1.3-4-1- ملاحظات کلي در طراحي مبدلهاي پوسته - لوله

2.3-4-1-1- مکان مناسب سيال: پوسته يا لوله

اگر در سيال، تغيير فاز اتفاق نيفتد، عوامل زير تعيين مي‌کنند که چه سيالي بايد در پوسته و چه سيالي بايد در لوله جريان داشته باشد.

الف- خوردگي: سيالي که خاصيت خورندگي بيشتري داشته باشد بايد در سمت لوله قرار گيرد. با اين کار هزينه تعويض سطوح آسيب ديده کاهش مي‌يابد.

ب- جرم گرفتگي: سيالي که پتانسيل بيشتري براي ايجاد رسوب يا جرم زايي دارد بايد در سمت لوله قرار گيرد. زيرا در لوله‌ها امکان کنترل سرعت سيال بيشتر است و سرعت بالاتر در لوله‌ها امکان تشکيل رسوب را کاهش مي‌دهد. همچنين تميز کردن لوله‌ها آسانتر خواهد بود.

ج- دماي سيال: در صورتيکه دما به حدي بالاست که بايد از مواد خاصي که قادر به تحمل اين دما هستند استفاده نمود، قرار دادن سيالي که دماي بيشتري دارد در سمت لوله منجر به کاهش کلي هزينه‌ها خواهد شد. در دماهاي متوسط، قرار دادن سيال گرمتر در لوله‌ها منجر به کاهش دماي پوسته شده، در نتيجه از لحاظ اتلاف دمايي و ايمني ارجحيت دارد.

د- فشار عملياتي: سيالي که فشار بالاتري دارد بايد در سمت لوله قرار گيرد. لوله‌هاي فشار بالا ارزانتر از پوسته فشار بالا هستند.

ه- افت فشار: براي يک افت فشار يکسان، ضريب انتقال حرارت در لوله‌ها بيشتر از پوسته است. بنابراين سيالي که افت فشار مجاز آن کمتر است بايد در لوله قرار گيرد.

و- ويسکوزيته: بطور کلي، ضريب انتقال حرارت بالاتر زماني حاصل مي‌شود که ماده با ويسکوزيته بالاتر در سمت پوسته قرار گيرد زيرا امکان به وجود آمدن جريان درهم در پوسته بيشتر است. عدد رينولدز بحراني براي جريان درهم در پوسته در محدوده 200 است. اگر امکان ايجاد جريان درهم در پوسته وجود نداشته باشد بهتر است سيال با ويسکوزيته بالاتر در سمت لوله قرار گيرد. زيرا پيش بيني مقدار ضريب انتقال حرارت در سمت لوله با قطعيت بيشتري امکان پذير است.

ز- دبي جريانها: قرار دادن سيالي که دبي و شدت جريان کمتري دارد در سمت پوسته معمولاً از لحاظ اقتصادي به صرفه تر است.

3.3-4-1-2- سرعت سيال در پوسته و لوله

هر چه سرعت سيال بيشتر باشد ضريب انتقال حرارت نيز بيشتر خواهد بود در عوض افت فشار بيشتري هم وجود خواهد داشت. سرعت سيال بايد به اندازه‌اي باشد که مانع ته‌نشيني ذرات معلق شود اما از طرفي نبايد به حدي هم بالا باشد که منجر به فرسايش شود. سرعت بالا موجب کاهش جرم‌گرفتگي در مبدلها مي‌شود. گاهي از مواد پلاستيکي خاصي در ورودي مبدلها استفاده مي‌شود تا فرسايش را کاهش دهند. سرعتهاي طراحي که معمولاً مورد استفاده قرار مي‌گيرند در زير ارائه شده است.

الف- سرعت مايعات

سمت لوله: سرعت سيالات فرآيندي بين 1 تا‌ 2، و در صورتي‌که کاهش جرم گرفتگي ضروري باشد حداکثر 4. در صورتي كه سيال، آب باشد مقدار 5/1 تا  5/2 پيشنهاد مي‌شود.

سمت پوسته: 3/0تا 1

ب- سرعت بخار

سرعتي که براي بخار مورد استفاده قرار مي‌گيرد به فشار عملياتي و چگالي سيال بستگي دارد. مقادير کمتر از آنچه در زير ارائه شده است براي موادي که وزن مولکولي زيادي دارند، كاربرد دارد.

مکش (فشار منفي)	50 تا  70
فشار اتمسفريک	10 تا  30
فشار بالا	5 تا  10

4.3-4-1-3- دماي جريانها

در بار حرارتي مشخص، هر چه دماي دو سيال در هر پايانه مبدل (اختلاف دماي بين دماي خروجي يک جريان و دماي ورودي جريان ديگر در مبدلهاي غير همسو) به هم نزديکتر بوده و اختلاف کمتري داشته باشند، سطح مورد نياز براي انتقال حرارت، بيشتر خواهد شد. مقادير بهينه، بستگي به نوع عملکرد مبدل دارد و تنها با انجام آناليز اقتصادي طراحي‌هاي مختلف، قابل تعيين است. به عنوان يک راهنمايي کلي حداقل اختلاف دما ^◦C 20، حداقل اختلاف دما براي کولرهايي که از آب کولينگ استفاده مي‌کنند 5 تا ^◦C 7 و براي يخچال‌هايي که از آب نمک استفاده مي‌کنند بين 3 تا ^◦C 5 باشد. همچنين حداکثر افزايش دماي آب کولينگ در حال گردش در حدود ^◦C 30 است. بايد توجه شود که دماي سيال سرد كننده همواره بايد بالاتر از نقطه انجماد مواد فرآيندي نگه داشته شود. در صورتيکه از مبدل حرارتي براي بازيافت حرارتي سيالات فرآيندي استفاده مي‌شود، اختلاف دماي سيالات نبايد کمتر از ^◦C20 شود.

5.3-4-1-4- افت فشار

در اغلب موارد افت فشار مورد نياز براي به جريان درآوردن سيالات در داخل مبدل بايد منطبق با شرايط فرآيندي باشد. اين افت فشار ممکن است از چند ميلي بار (در تجهيزاتي که تحت خلاء عمل مي‌کنند)، تا چندين بار( در تجهيزات تحت فشار) متفاوت باشد. اگر طراح در انتخاب افت فشار محدوديت فرآيندي نداشته باشد لازم است با انجام تحليل‌هاي اقتصادي مشخص نمايد که کداميک از طرحهاي قابل انتخاب، هزينه‌هاي عملياتي کمتري از لحاظ سرمايه‌گذاري و پمپاژ در بر دارد. البته انجام تحليل اقتصادي کامل تنها براي مبدلهاي بسيار بزرگ و گرانقيمت به صرفه است. از مقادير پيشنهاد شده در زير مي‌توان به عنوان يک راهنمايي کلي استفاده كرد. با استفاده از اين مقادير مي‌توان مبدلي با شرايط نزديک به حالت بهينه طراحي نمود:

مايعات
شرايط	افت فشار
ويسکوزيته < mNs/m2 1	kN/m2 35
ويسکوزيته بين 1 تا mNs/m2 10	kN/m2 70-50
گازها و بخارات
خلأبالا	kN/m2 4/0-8/0
خلأ متوسط	1/0* فشار مطلق
1 تا 2 بار	5/0 * فشار نسبي سيستم
بالاي 10 بار	1/0 * فشار نسبي سيستم

در مواقعي که از افت فشار بالا استفاده مي‌شود بايد مطمئن شد که سرعت بالاي حاصل از آن موجب فرسايش يا ارتعاش نشود.