مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله: طراحی، انتخاب و ساختShell-Tube Heat Exchangers: Design, Selection and Construction

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: مبدل‌های پوسته- لوله: ساختار و خصوصیات حرارتی

• 1-1- مقدمه
• 1-2- استاندارد TEMA
• 1-3- انواع مبدل‌های حرارتی پوسته- لوله
• 1-4- انواع سر/کلگی (Head Types)
• 1-5- ویژگی‌های طراحی حرارتی
• مراجع

فصل دوم: مبدل‌های پوسته- لوله: ویژگی‌‌ها، طراحی مكانیكی و ساخت

• 2-1- کدهای طراحی
• 2-2- سیستم‌های فلنجی
• 2-3-اتصال پوسته به هدر تیوب (كانال)
• 2-4-محفظه‌های پیچ و مهره شده‌ی فشار بالا
• 2-5- محفظه‌‌های فشار بالا بدون پیچ(TEMA D)
• 2-6- مبدل‌های تیوبشیت ثابت
• 2-7- اجزای استوانه‌ای
• 2-8- کانال‌های کلاهکی شکل(Bonnet type channel)
• 2-9- نازل‌ها
• 2-10- فلنج‌ها
• 2-11- بستن پیچ و نحوه‌ی سفت نمودن آن
• 2-12- گسكت‌ها
• 2-13- تیوب شیت‌ها
• 2-14- اتصالات انبساط‌پذیر
• 2-15- اتصال تیوب به تیوب شیت به روش انبساطی(Expand)
• 2-16- اتصالات تیوب به تیوب شیت به روش جوش ترکیبی
• 2-17- اتصالات تیوب به تیوب شیت به روش انفجاری
• 2-18- آزمایش نهایی
• مراجع

فصل سوم: انتقال حرارت و اُفت فشار

• 3-1- مکانیزم جریانگرمایی
• 3-2- جریان آرام و متلاطم
• 3-3- ضریب انتقال حرارتی “فیلم سیال”
• 3-4- تعیین ضرایب انتقال حرارت
• 3-5- ضریب کلی انتقال حرارت
• 3-6- سطح حرارتی
• 3-7- کنترل ضریب انتقال حرارت
• 3-8- دمای سطح
• 3-9-سازمان‌های تحقیقاتی
• 3-10- روابط انتقال حرارت و افت فشار در حالت جریان سیال تك فاز
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل چهارم: اختلاف دمای میانگین

• 4-1- جریان‌های هم‌جهت و خلاف جهت(countercurrent, concurrent)
• 4-2- حد نزدیکی دمایی، حالت مماسی دمایی و تلاقی درجه حرارت
• 4-3- اختلاف دمای میانگین در جریان‌های هم‌جهت و خلاف جهت
• 4-4- تغییرات خطی ضریب کلی انتقال حرارت U بین ورودی و خروجی
• 4-5- تغییرات غیرخطی ضریب کلی انتقال حرارت Uبین ورودی و خروجی
• 4-6- اختلاف دمای میانگین برای جریان‌هایی كه نه آرایش خلاف جهت(مختلف الجهت) دارند و نه آرایش هم‌جهت
• 4-7- کاربرد فاکتور تصحیح اختلاف دمای میانگین F در طراحی
• 4-8- تعداد یونیت‌های انتقال حرارت
• 4-9- روش θ(Theta method)
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل پنجم: رسوب

• 5-1- مکانیزم‌های رسوب
• 5-2- رشد رسوب
• 5-3- هزینه‌ی رسوب
• 5-4- ملاحظات طراحی
• 5-5- تحقیقات رسوب
• 5-6- طراحی به منظور ایجاد حداقل رسوب
• مراجع

فصل ششم: سطوح گسترش یافته (سطوح پره دار)

• 6-1- کارآیی پره
• 6-2- محاسبات انتقال حرارت
• 6-3- محاسبات افت فشار
• 6-4- صرفه جویی در فضا
• 6-5- دمای سطح: تیوب‌های پره‌دار طولی
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل هفتم: ارتعاش تیوب‌ها ناشی از جریان سیال در سمت پوسته

• 7-1- پیش‌زمینه
• 7-2- شکست‌های تیوب
• 7-3- دلایلی برای افزایش شکست‌ها
• 7-4- مکانیزم‌های تحریک
• 7-5- روش‌های پیش‌بینی
• 7-6- کاربرد برای طراحی
• 7-7- مبدل‌های ضد ارتعاشی با طرح Phillips RODbaffle
• 7-8- مفهوم NESTS
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل هشتم: طراحی حرارتی، مبدل‌های حرارتی پوسته- لوله با تیوب‌های بدون پره

• 8-1- لزوم حل مسائل به روش‌های دستی
• 8-2- مسائل جریان در سمت پوسته
• 8-3- رویه‌ی طراحی حرارتی
• 8-4- محاسبات سمت تیوب
• 8-5- محاسبات سمت پوسته
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل نهم: طراحی حرارتی مبدل‌های پوسته لوله، تیوب‌های پره‌دار كم تراكم

• 9-1- شرح موضوع
• 9-2- مقایسه‌‌ی اقتصادی تیوب‌های پره‌دار کم‌تراکم با تیوب‌های صاف
• 9-3- ملاحظات طراحی
• 9-4- طراحی حرارتی
• مراجع
• فهرست اصطلاحات

فصل دهم: مثال‌های حل شده

• • 10-1- رویه‌ی طراحی
  • 10-2- رویه‌ی طراحی مبدل‌های پوسته- لوله با تیوب‌های بدون پره
  • 10-3- مبدل‌های پوسته-لوله، لوله‌های پره‌دار كم تراكم

• ضمیمه الف- تعداد تیوب‌ها (Tube count)
• الف-1- جداول تعداد تیوب‌ها
• الف-2- كاهش تعداد تیوب‌ها به علت فضاهایی كه قابلیت نصب تیوب ندارند
• ضمیمه ب- ضرایب معمول کلی انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی 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