مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله: طراحی، انتخاب و ساخت

مقدمه ای از کتاب مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله: طراحی، انتخاب و ساخت

ایران کشوری با ذخائر عظیم نفت و گاز است که بر اساس مطالعات و آمارهای مؤسسات بین‌المللی انرژی، جایگاه ویژه‌ای در بین سایر کشورهای نفتی دارد. به منظور بهره‌برداری از ذخایر نفت و گاز موجود، نیاز به توسعه‌ی پالایشگاه‌های کشور می‌باشد و در این راستا لازم است که متخصصین داخلی علاوه بر آشنایی کلی با تجهیزات پالایشگاهی، توان طراحی خود را افزایش داده تا بتوانند کشور را با گام‌های بلند رو به خودکفایی سوق دهند.

با رشد تجربه‌ی نیروی داخلی متخصص و فعال در این زمینه، شرایط را می‌توان به گونه‌ای تغییر داد که سازندگان داخلی علاوه بر ساخت تجهیزات داخلی، قادر به تأمین تجهیزات فرآیندی کشورهای خارجی نیز باشند. یکی از تجهیزات مهم پالایشگاهی مبدل‌های حرارتی می‌باشد که وظیفه‌ی خنک یا گرم کردن سیالات فرآیندی را به عهده دارد. اهمیت این تجهیزات از آن جهت است که چنان‌چه شرایط دمایی سیال فرآیندی توسط مبدل‌های حرارتی به میزان مطلوب نرسد، عملیات پالایشگاه مختل خواهد شد.

این کتاب یکی از مجموعه‌ کتاب‌های فنی در خصوص مهندسی انتقال حرارت می‌باشد. هدف اصلی این کتاب،ارائه‌ی اطلاعاتی در ارتباط با نحوه‌ی ساخت، طراحی و کاربرد مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله در صنایع شیمیایی و پالایشگاهی می‌باشد.

در سایر کتاب‌های موجود آن‌چه که بیش از همه مورد توجه قرار گرفته است، طراحی اواپراتورها و کندانسورها می‌باشد و چنین مبدل‌هایی با حالت‌های دوفازی مواجهه هستند. کسانی که به تازگی وارد عرصه‌ی صنایع مبدل‌های حرارتی می‌شوند، در صورت مطالعه‌ی موارد مربوط به سیستم‌های تک فاز، فهم بهتری از موضوع به دست می‌آورند. به همین علت این کتاب شامل محاسبات انتقال حرارت و افت فشار سیالات می‌باشد و علاوه بر این متد‌های طراحی حرارتی و مثال‌های مرتبط با مبدل‌های پوسته- لوله را نیز ارائه می‌کند. اصولاً در طراحی‌های دستی،در صورت امکان باید گام‌های نیل به جواب صریح و واضح باشد تا مهندس طراح حرارتی دچار سردرگمی نگردد.

در صنایع نفت و گاز و هم‌چنین صنایع شیمیایی انواع مبدل‌ها طراحی و نصب می‌شوند، ولی با توجه به تجربه‌ی مؤلفین و این مطلب که بیش از پنجاه درصد مبدل‌های نصب‌شده از نوع پوسته-لوله هستند، لذا این کتاب اختصاص به مبدل‌های پوسته-لوله یافت و بهتر دیده شد که مطالب مرتبط با سایر مبدل‌های حرارتی از قبیل مبدل‌های صفحه‌ای، اسپیرال و هوا خنک در کتاب دیگری ارائه گردد که این کتاب نیز در دست تهیه و تألیف می‌باشد.

کتاب حاضر برای دانشجویان رشته‌های مهندسی مکانیک، فرآیند و هم‌چنین کسانی که به تازگی وارد عرصه‌ی انتقال حرارت صنعتی شده و نیاز به داشتن اطلاعات اصلی در ارتباط با مبدل‌های حرارتی هستند، نگاشته شده است. علاوه بر این، برای آن‌دسته از مهندسین طراح حرارتی و یا مهندسین فرآیند که تمایل دارند دانش خود را در ارتباط با مبدل‌های حرارتی گسترش دهند، کتاب مفیدی خواهد بود.

امروزه اکثر قریب به اتفاق طراحی‌های مبدل‌های پوسته لوله به روش‌های کامپیوتری انجام می‌گیرد و لذا خوانندگان باید در جریان فعالیت‌های سازمان‌های تحقیقاتی HTRI و HTFS قرار گیرند. در بیست و پنج سال اخیر تأثیرگذاری این دو سازمان بر پیشرفت‌های مسائل انتقال حرارت، جریان سیالات و متدهای طراحی بسیار ارزنده بوده است.

در این کتاب علاوه بر مطالب عملی و روابط محاسباتی، مثال‌های گوناگونی نیز ارائه شده است که دیدگاه مهندسین را در مواجهه با مسائلی از این دست گسترده می‌نماید. پیشنهاد می‌شود که دانشجویان به هنگام حل مسائل، متغیرهای مسائل را تغییر دهند تا میزان اثرگذاری پارامترهای مزبور را درک نمایند.

یکی از مزایای این کتاب آن است که مؤلفان فقط به ارائه‌ی مسائل تئوری بسنده نکرده و در بسیاری از قسمت‌های کتاب موارد عملیاتی را ذکر نموده‌اند. علاوه بر این در حل مسائل از دو روش‌ دستی و نرم‌افزاری استفاده شده است تا دانشجویان جواب‌های دو روش را با هم مقایسه نمایند.

اسلوب این اثر بر پایه‌ی کتاب Heat Exchangers design and construction که توسط E.A.D Saunders نگاشته شده می‌باشد ولی تغییراتی در آن ایجاد شده و هم‌چنین از سایر مراجع مطالبی به عناوین کتاب اضافه گردیده است.

کتاب شامل ده فصل می‌باشد. در فصل یک و دو در خصوص انواع و ویژگی‌های حرارتی و مکانیکی مبدل‌های پوسته-لوله توضیحاتی ارائه شده است. در این راستا لازم به ذکر است فصل‌های اول و دوم کتاب حاوی مطالب بسیار با ارزش عملیاتی می‌باشد که مطالعه آن برای ارتقای سطح علمی و عملی دانشجویان و کارشناسان لازم است. فصول سه، چهار و پنج شامل مباحث انتقال حرارت، جریان سیالات، افت فشار، اختلاف دمای متوسط و رسوب می‌باشد.

با توجه به اینکه در سایر کتاب‌های موجود، در خصوص تبخیر و چگالش توضیحات مکفی وجود دارد، لذا در فصول سه، چهار و پنج فقط مطالب مربوط به جریان‌های تک‌فاز قید شده است چراکه تازه واردان باید درک صحیحی از مسائل تک‌فاز داشته باشند تا بتوانند پایه‌‌های استخراج روابط و فرمول‌‌های مسائل دوفازی را بدانند. به علت رشد روزافزون قیمت انرژی در جهان، در سال‌های اخیر تحقیقات وسیعی در راستای تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت در حال انجام می‌باشد.

در این راستا بسیاری از تحقیقات هنوز در فاز تئوری بوده و به مراحل آزمون عملی نرسیده‌اند. از این‌رو تئوری‌ها و روابط مربوط به لوله‌ها با سطوح گسترش‌یافته و پره‌دار در فصل شش ارائه شده است و در مسائلی که ضریب انتقال حرارت سیال کم باشد از آن‌ها استفاده می‌شود.

فصل هفتم به موضوع ارتعاشات تیوب‌ها در سمت پوسته‌ی مبدل‌های پوسته-لوله اختصاص دارد. این ارتعاشات عمدتاً ناشی از جریان سیال در سمت پوسته مبدل می‌باشد. این بحث مورد مطالعه‌ی بسیاری از تحقیقات از سال ۱۹۶۰ بوده که ناشی از افزایش توأمان حجم و سرعت سیال در سمت پوسته است. تا پیش از سال ۱۹۶۰ مهندس طراح حرارتی موضوع ارتعاشات ناشی از جریان سمت پوسته را کنترل نمی‌کرد ولی امروزه اگر این موضوع کنترل نشود طراحی مردود خواهد بود.

در این ارتباط مهندسین طراح حرارتی با مفاهیم جدیدی مانند عدد Strouhal، چرخش الاستیک سیال، طرح‌هایی برای قرار نگرفتن تیوب‌ها در فضای دریچه و مانند آن روبه‌رو خواهند بود. بعضی از مباحث این فصل بدون حل مسأله ممکن است نامفهوم باشد و لذا برای روشن شدن مفاهیم فصل هفت، ضروری است که دانشجویان مثال‌های فصل ده را با دقت دنبال نمایند.

در فصول هشتم و نهم متد‌های طراحی دستی مبدل‌های پوسته- لوله با تیوب‌های صاف (بدون پره) و تیوب‌های پره‌دار کم‌تراکم ارائه شده است.فصل هشتم یکی از مهم‌ترین فصل‌های کتاب می‌باشد که اختصاص به محاسبه‌ی ضریب انتقال حرارت و افت فشار سمت پوسته دارد. در این فصل مسائل انتقال حرارت سمت پوسته علاوه بر روش دستی به روش نرم‌افزاری نیز حل و فصل شده است.

استفاده از نرم‌افزارهای کامپیوتری برای تحلیل طراحی حرارتی مبدل‌های حرارتی ضروری است چرا که با استفاده از برنامه‌های کامپیوتری مهندس طراح قادر خواهد بود پارامترهای مختلف را تغییر دهد تا در نهایت به یک طراحی بهینه دست یابد. بنابراین ممکن است چنین به نظر آید که نیازی به فراگیری روش‌های دستی نیست ولی بر اساس تجربیات مؤلفان چنین نبوده و برای دوره‌ی آمادگی و آموزش اولیه نیاز به فراگیری روش‌های دستی بسیار ضروری است.علی‌رغم پیچیده بودن نرم‌افزارها، مهارت، قضاوت مهندسی و تجربه‌ی مهندس حرارتی است که طراحی را نهایی می‌نماید.

مهندس طراح در صورتی می‌تواند در برابر تأثیر متقابل پارامترهای مختلف آمادگی لازم را داشته باشد که در مراحل اولیه و پایه، روش‌های دستی را به درستی فرا گرفته باشد. در فصل ده مثال‌های حل‌شده‌ای آمده است که دانشجویان و مهندسین طراح با مطالعه و رهگیری محاسبات، به راحتی می‌توانند نحوه‌ی تحلیل و آنالیز یک مبدل حرارتی پوسته- لوله را درک نمایند. در این خصوص در مثال‌ها، حالات مختلفی از قبیل انواع آرایش مبدل‌ها و انواع تیوب‌ها مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته‌اند.

در این فصل مثال‌های مبدل‌های پوسته- لوله علاوه بر روش دستی، توسط نرم‌افزار HTRI نیز مورد حل و فصل و بررسی قرار گرفته‌ است و جواب‌های روش دستی با روش نرم‌افزاری مقایسه شده است. ملاحظه و بررسی جداول مقایسه‌ای بین دو روش دستی و کامپیوتری نشان می‌دهد که در جداول و فرمولاسیون روش‌های دستی ضرایب اطمینان وجود دارد که این امر به دلیل آن است که در گذشته چون امکانات محاسباتی مانند امروزه وجود نداشته مهندسین و محققین جهت ساده‌سازی فرمول‌ها مجبور بودند تا محاسبات را گرد نمایند و برای جلوگیری از کاهش کارآیی مبدل، لازم بوده است که محاسبات را دست بالا بگیرند تا پس از ساخت تجهیزات با مشکل زیر ظرفیت بودن مبدل مواجه نشوند.

فهرست مطالب کتاب مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله: طراحی، انتخاب و ساخت

فصل اول: مبدل‌هاي پوسته- لوله: ساختار و خصوصيات حرارتي

• 1-1- مقدمه
• 1-2- استاندارد TEMA
• 1-3- انواع مبدل‌هاي حرارتي پوسته- لوله
• 1-4- انواع سر/کلگی (Head Types)
• 1-5- ويژگي‌هاي طراحي حرارتي
• مراجع

فصل دوم: مبدل‌هاي پوسته- لوله: ويژگي‌‌ها، طراحي مكانيكي و ساخت

• 2-1- کدهاي طراحي
• 2-2- سيستم‌هاي فلنجي
• 2-3-اتصال پوسته به هدر تيوب (كانال)
• 2-4-محفظه‌هاي پيچ و مهره شده‌ی فشار بالا
• 2-5- محفظه‌‌هاي فشار بالا بدون پيچ(TEMA D)
• 2-6- مبدل‌هاي تيوبشيت ثابت
• 2-7- اجزاي استوانه‌اي
• 2-8- کانال‌هاي کلاهکي شکل(Bonnet type channel)
• 2-9- نازل‌ها
• 2-10- فلنج‌ها
• 2-11- بستن پيچ و نحوه‌ی سفت نمودن آن
• 2-12- گسكت‌ها
• 2-13- تيوب شيت‌ها
• 2-14- اتصالات انبساط‌پذير
• 2-15- اتصال تيوب به تيوب شيت به روش انبساطي(Expand)
• 2-16- اتصالات تيوب به تيوب شيت به روش جوش ترکيبي
• 2-17- اتصالات تيوب به تيوب شيت به روش انفجاري
• 2-18- آزمايش نهايي
• مراجع

فصل سوم: انتقال حرارت و اُفت فشار

• 3-1- مکانيزم جريانگرمایی
• 3-2- جريان آرام و متلاطم
• 3-3- ضريب انتقال حرارتی “فيلم سيال”
• 3-4- تعيين ضرايب انتقال حرارت
• 3-5- ضريب کلی انتقال حرارت
• 3-6- سطح حرارتي
• 3-7- کنترل ضريب انتقال حرارت
• 3-8- دماي سطح
• 3-9-سازمان‌هاي تحقيقاتي
• 3-10- روابط انتقال حرارت و افت فشار در حالت جريان سيال تك فاز
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل چهارم: اختلاف دمای ميانگين

• 4-1- جريان‌هاي هم‌جهت و خلاف جهت(countercurrent, concurrent)
• 4-2- حد نزدیکی دمایي، حالت مماسی دمایی و تلاقی درجه حرارت
• 4-3- اختلاف دماي ميانگين در جريان‌هاي هم‌جهت و خلاف جهت
• 4-4- تغييرات خطي ضریب کلی انتقال حرارت U بين ورودي و خروجي
• 4-5- تغييرات غيرخطي ضریب کلی انتقال حرارت Uبين ورودي و خروجي
• 4-6- اختلاف دماي میانگین براي جريان‌هايي كه نه آرايش خلاف جهت(مختلف الجهت) دارند و نه آرايش هم‌جهت
• 4-7- کاربرد فاکتور تصحيح اختلاف دمای میانگین F در طراحي
• 4-8- تعداد يونيت‌هاي انتقال حرارت
• 4-9- روش θ(Theta method)
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل پنجم: رسوب

• 5-1- مکانيزم‌هاي رسوب
• 5-2- رشد رسوب
• 5-3- هزينه‌ی رسوب
• 5-4- ملاحظات طراحي
• 5-5- تحقيقات رسوب
• 5-6- طراحي به منظور ايجاد حداقل رسوب
• مراجع

فصل ششم: سطوح گسترش يافته (سطوح پره دار)

• 6-1- کارآیی پره
• 6-2- محاسبات انتقال حرارت
• 6-3- محاسبات افت فشار
• 6-4- صرفه جويي در فضا
• 6-5- دماي سطح: تيوب‌هاي پره‌دار طولي
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل هفتم: ارتعاش تيوب‌ها ناشي از جريان سيال در سمت پوسته

• 7-1- پيش‌زمينه
• 7-2- شکست‌هاي تيوب
• 7-3- دلايلي براي افزايش شکست‌ها
• 7-4- مکانيزم‌هاي تحريک
• 7-5- روش‌هاي پيش‌بيني
• 7-6- کاربرد براي طراحي
• 7-7- مبدل‌هاي ضد ارتعاشي با طرح Phillips RODbaffle
• 7-8- مفهوم NESTS
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل هشتم: طراحي حرارتي، مبدل‌هاي حرارتي پوسته- لوله با تيوب‌هاي بدون پره

• 8-1- لزوم حل مسائل به روش‌هاي دستي
• 8-2- مسائل جريان در سمت پوسته
• 8-3- رويه‌ی طراحي حرارتي
• 8-4- محاسبات سمت تيوب
• 8-5- محاسبات سمت پوسته
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل نهم: طراحي حرارتي مبدل‌هاي پوسته لوله، تيوب‌هاي پره‌دار كم تراكم

• 9-1- شرح موضوع
• 9-2- مقايسه‌‌ی اقتصادي تيوب‌هاي پره‌دار کم‌تراکم با تيوب‌هاي صاف
• 9-3- ملاحظات طراحي
• 9-4- طراحي حرارتي
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل دهم: مثال‌هاي حل شده

• 10-1- رويه‌ی طراحي
• 10-2- رویه‌ی طراحی مبدل‌هاي پوسته- لوله با تيوب‌هاي بدون پره
• 10-3- مبدل‌هاي پوسته-لوله، لوله‌هاي پره‌دار كم تراكم
• ضمیمه الف- تعداد تيوب‌ها (Tube count)
• الف-1- جداول تعداد تيوب‌ها
• الف-2- كاهش تعداد تيوب‌ها به علت فضاهايي كه قابليت نصب تيوب ندارند
• ضميمه ب- ضرايب معمول کلی انتقال حرارت در مبدل‌هاي حرارتي پوسته- لوله
• ضمیمه ج- خواص ترموفیزیکی
• ضمیمه د- مقایسه‌ی مبدل‌های مختلف کلاس R، C و B استاندارد TEMA
• ضمیمه ه- راهنمای انتخاب انواع مبدل‌های پوسته- لوله
• ضمیمه و- ضریب کلی انتقال حرارت تقریبی در صنایع پتروشیمی