توضیحات

 

پروژه شبیه سازی مبدل حرارتی پوسته و لوله با یک گذر پوسته در کامسول

 

انتقال حرارت در سیال های فرآیندی یکی از ضروری ترین بخش ها در اغلب فرآیندهای شیمیایی است. مبدل حرارتی(دستگاه تبادل گر حرارت) مطابق شکل زیر وسیله ای است که انرژی حرارتی را از یک سیال به یک یا چند سیال دیگر که درجه حرارت های متفاوتی دارند، منتقل می کند.

شکل دستگاه تبادل گر حرارت یا مبدل حرارتی (از نوع پوسته و لوله).

 

کاربرد مبدل حرارتی بسیار وسیع است و در صنایع مختلفی مانند نیروگاه های تولید برق، پالایشگاه ها، صنایع غذایی، داروسازی، پتروشیمی، سردخانه ها و سیستم های گرمایش و سرمایش ساختمان ها و به طورکلی هرجا که مسئله تبادل انرژی و حرارت مطرح باشد، استفاده می شود.

 

لزوم صرفه جویی در مصرف انرژی و جلوگیری از اتلاف آن و توجه به مسائل آلودگی محیط زیست نیز نقش مبدل های حرارتی را روشن تر می کند. مبدل های حرارتی به صورت هایی مختلف مانند جوش آورها، سردکن­ها، تبخیرکننده ها و … وجود دارند. کلمه مبدل درواقع برای تمام تجهیزاتی به کار می رود که در آنها حرارت منتقل می شود. اگر در یک فرآیند، جریان فرآیندی سرد یا گرم شود، به مبدل خنک کننده یا گرم کننده می گویند و اگر جریان فرآیندی تبخیر شود، به مبدل تبخیرکننده گفته می شود. زمانی که در پایین برج تقطیر استفاده می شود، جوش آور و هنگامی که برای تغليظ یک محلول به کار می رود، سرد کننده نام می­گیرد.

دسته بندی مبدل های حرارتی:

مبدل های حرارتی را می توان از جنبه های مختلف به چهار گروه دسته بندی کرد:

• بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
• بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
• بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین دو سیال سرد و گرم
• بر اساس ساختمان مکانیکی آنها

نمودار درختی تقسیم بندی مبدل ها براساس ساختار مکانیکی آنها در شکل زیر ارائه شده است.

شکل نمودار درختی تقسیم بندی مبدل ها براساس ساختار مکانیکی.

 

مبدل های حرارتی پوسته و لوله

متداول ترین و پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد مبدل حرارتی پوسته و لوله می باشد که برای کاربردهای مختلف و در اندازه های گوناگون، طراحی و ساخته می شود. از این نوع مبدل­ها به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می شود. با توجه به گزارش ها، پیشرفت و توسعه مبدل های حرارتی پوسته و لوله، جایگاه مهمی را در صنایع امروزی دارد. در حال حاضر، بیش از ۵۰ درصد مبدل های حرارتی صنعت از نوع پوسته و لوله اند. از دلایل عمده این انتخاب، تحمل فشار و درجه حرارت های بالا است. اما بازده آنها از مبدل های حرارتی فشرده ۲۰ تا ۳۰ درصد کمتر است. مبدل های پیش گرمکن نفت خام در پالایشگاه های نفت و کندانسور نیروگاه های بخار از مهمترین و پراستفاده ترین کاربرد این نوع مبدل ها می باشند. طبق تحقیقات سال ۱۹۹۴، این نوع مبدل فروش سالیانه ۶۵۰ میلیون دلاری داشته است.

این مبدل ها با ساختمان بزرگشان به آسانی نگهداری می شوند و به راحتی نیز قابل توسعه اند. همچنین باید به این مهم توجه نمود که تأمین بسیاری از خدمات صنعتی نیازمند به کارگیری تعداد زیادی مبدل دو لوله ای از نوع دو شاخه است. این مبدل ها سطح قابل توجهی را اشغال نموده و در نقاط بسیاری امکان نشت سیال در آنها وجود دارد. هنگامی که سطح تبادل حرارت زیادی مورد نیاز باشد با استفاده از مبدل های پوسته و لوله ای می توان سطح لازم را بدست آورد. در مبدل های پوسته و لوله، لوله ها درون یک صفحه نگهدارنده قرار گرفته و به دلیل پهن شدگی لوله در سوراخ های این صفحه نوعی آب بندی ایجاد می شود که تحت شرایط عملیاتی مناسب، نشت صورت نمی گیرد.

اجزای مختلف مبدل های پوسته و لوله:

در این بخش برای آشنایی کلی با اجزای مختلف مبدل های پوسته و لوله توضیحات کلی داده شده است. لازم به ذکر است باتوجه به تنوعی که این مبدل ها دارند، ممکن است برخی از اجزا فقط در یک نوع خاص از مبدل ها وجود داشته باشد. اما به طور کلی مبدل های پوسته و لوله دارای اجزای زیر می باشند:

١- پوسته و نازل های روی آن

۲- لوله ها

٣- صفحه لوله ها

۴- مجاری سیالات

۵- درپوش های مجراه

۶- بافل ها

7- میله های مهار و فاصله انداز بافل ها: موانع مغشوش کننده با کمک میله های نگهدارنده، که بین لوله ها و موازی با آنها قرار می گیرند در جای خود استقرار می یابند. این میله ها به صفحه نگهدارنده لوله ها پیچ شده اند و فاصله بین موانع را ثابت می نمایند.

شکل اجزای کلی مبدل پوسته و لوله.

 

موارد ذکر شده در بالا، اجزائی هستند که در همه مبدل های پوسته و لوله وجود دارند و ممکن است در یک نوع خاص مبدل، اجزای دیگری نیز وجود داشته باشد. همچنین در شکل زیر تصویر چند مجموعه لوله مربوط به یک مبدل پوسته و لوله، ساخته شده با بافل قطاعی ارائه شده است.

شکل تصویر چند مجموعه لوله ساخته شده با بافل های قطاعى.

 

معرفی مبدل پوسته لوله

مبدل حرارتی لوله پوسته پرکاربردترین مدل در صنعت است؛ به نحوی که آن را «اسب کاری» صنایع انتقال حرارت فرایندی به حساب می آورند. این مبدل در صنایع فرایندی، در نیروگاه های بخار و هسته ای به عنوان چگالنده، در برخی سیستم های تهویه مطبوع و تبريد، در صنایع پتروشیمی و نفت، در صنایع غذایی و شیمیایی و بسیاری دیگر از موارد به کار می رود.

مبدل لوله پوسته در مقایسه با سایر مبدل ها نسبت های بزرگی از سطح انتقال گرما به حجم و وزن را فراهم می­کند. این مبدل توانایی کار در شرایطی که سیال گرم و سرد اختلاف فشار زیادی دارند را نیز دارد.

اجزای اصلی مبدل های پوسته لوله:

قسمت های اصلی یک مبدل لوله پوسته شامل «سرجلویی ، پوسته و سرعقبی» است. برای هرکدام از این بخش ها تعدادی طراحی مختلف وجود دارد که در استاندارد TEMA این طراحی ها با حروف الفبای لاتین مشخص شده اند. همان طور که در شکل زیر مشخص است برای سر جلویی، پنج گونهه برای پوسته، هفت و برای سرعقبی نیز هشت نوع طراحی مختلف وجود دارد. هر مبدل پوسته لوله به صورت ترکیبی از سه حرف لاتین مشخص می شود که اولین حرف مربوط به سر جلویی، دومی مشخص کننده نوع پوسته و حرف سوم تعیین کننده نوع سرعقبی است، در شکل های زیر به ترتیب مبدل هایAES، BEM، AEP، CFU، AKT وAJW  مشخص شده است. در جدول زیر نام بخش های مختلف نشان داده شده روی این شکل ها، بر اساس شماره­گذاری آنها، آورده شده است.

شكل انواع سر جلویی، پوسته و سرعقبی طبق استاندارد TEMA.

 

شكل مبدل لوله پوسته از نوع BEM.

 

شكل مبدل لوله پوسته از نوع AEP.

 

شكل مبدل لوله پوسته از نوع CFU.

 

شكل مبدل لوله پوسته از نوع AKT.

 

شكل مبدل لوله پوسته از نوع AJW.

 

 

شكل شماتیک انواع پوسته ها در استاندارد TEMA به همراه نمایش مسیر جریان سمت پوسته، فلش های خط چین نشان دهنده مسیر حرکت بخار، فلش های پر نشان دهنده مسیر حرکت مایع با گاز و خطوط خط چین نمایانگر ديوارک هستند.

 

شرح پروژه

در این پروژه مبدل حرارتی پوسته و لوله با یک گذر پوسته در کامسول شبیه سازی شده است.

 

پارامترها:

 

هندسه مبدل حرارتی پوسته لوله:

 

 

مش بندی مبدل حرارتی پوسته لوله:

 

 

نتایج سرعت و دما:

 

توزیع سرعت در مبدل حرارتی پوسته لوله:

 

 

توزیع دما در مبدل حرارتی پوسته لوله: