نمایش مبدأ برای مبدل حرارتی پوسته و لوله

[[پرونده:Rotterdam Ahoy Europort 2011 (60).JPG|thumb|left|260px|برشی از یک نمونه نیمه صنعتی از یک مبدل پوسته و لوله که مسیرهای ورود و خروج و همچنین لوله‌های درون مبدل در آن دیده می‌شود.]]
'''مبدل حرارتی پوسته و لوله'''{{انگلیسی|Shell and tube heat exchanger}} نوعی [[مبدل حرارتی]] است که کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحدهای [[تقطیر]] [[نفت خام]] دارد. همان‌طور که از نام آن پیداست این مبدل از یک مخزن استوانه‌ای شکل بزرگ (پوسته) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. مایع در داخل لوله‌ها حرکت می‌کند و بخار داغ بر روی لوله‌ها و درون پوسته جریان دارد. به علت تعداد زیاد این لوله‌ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می‌کند، حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می‌آورد.<ref>[https://www.bamintahvie.com/category/heating/%D9%85%D8%A8%D8%AF%D9%84-%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B1%D8%AA%DB%8C-%D8%B5%D9%81%D8%AD%D9%87-%D8%A7%DB%8C SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGERS مرجع مبدل های حرارتی پوسته و لوله]</ref>


== مبانی طراحی ==
{{نوشتار اصلی|انتقال حرارت|مبدل حرارتی}}
[[پرونده:Heat transfer.JPG|thumb|left|400px|طرح کلی از تبادل حرارت در یک مقطع فرضی مبدل و جریان‌های ورودی و خروجی از آن.]]
[[پرونده:shell tube flow.png|thumb|left|260px|طرحی از یک مبدل پوسته و لوله]]
در مبدل‌های حرارتی معمولاً دو [[سیال]] بدون [[انتقال جرم|تماس جرمی]] با یکدیگر تبادل حرارت می‌کنند. سیال سرد تر در تماس با سیال گرم [[حرارت|انرژی حرارتی]] گرفته و دمای آن بالا می‌رود و در عوض سیال گرم تر با از دست دادن حرارت، سرد می‌شود. این تبادل بر اساس اصول ابتدایی انتقال حرارت یعنی [[رسانش گرمایی]] و [[همرفت]] قابل توصیف است. در مبدل‌ها در حالت ایده‌آل و بدون در نظر گرفتن پرت انرژی، مقدار گرمایی که سیال گرم از دست می‌دهد و مقدار گرمایی که سیال سرد می‌گیرد برابر بوده و طبق رابطه بنیادی زیر برای هر سیال قابل محاسبه است.<ref>{{پک|Incropera|Bergman|Lavine|۲۰۱۱|ک=Introduction to Heat Transfer|ص=677|زبان=en}}</ref>

<math>q_h=\dot m_h C_h \Delta T_h</math>

<math>q_c=\dot m_c C_c \Delta T_c</math>

که در حالت ایده‌آل مقدار گرمای از دست داده سیال گرم و گرمای به دست آمده برای سیال سرد با هم برابر است یعنی:

<math>q_c=q_h</math>

در روابط بالا <math>q_c</math> و <math>q_h</math> نشان دهنده گرمای مبادله‌ای سیال سرد و گرم،<math>\dot m_c</math> و <math>\dot m_h</math> نشان دهنده دبی جرمی سیال سرد و گرم و <math>\Delta T_c</math> و <math>\Delta T_h</math> نشان دهنده اختلاف دمای ورودی و خروجی سیال سرد و سیال گرم است.
از طرف دیگر ارتباط مقدار گرمای تبادل شده با سطح تماس دو سیال به صورت زیر تعریف می‌شود:<ref>{{پک|Incropera|Bergman|Lavine|۲۰۱۱|ک=Introduction to Heat Transfer|ص=678|زبان=en}}</ref><ref>{{پک|Incropera|Bergman|Lavine|۲۰۱۱|ک=Introduction to Heat Transfer|ص=679|زبان=en}}</ref>

<math>q=UA \Delta T_m</math>

در رابطه بالا چند نکته حائز اهمیت است.
# مقدار گرمای مبادله شده، ارتباط مستقیم با میزان سطح تبادل حرارت دو سیال <math>A</math> دارد. پس با بالا بردن سطح تماس دو سیال می‌توان بازدهی مبدل رار بالابرد. اما برای این منظور عمدتاً با موانع طراحی و عملیاتی مواجه هستیم.
#<math>U</math> ضریب انتقال حرارت جابجایی است که برای مبدل‌ها با توجه به تغییر مداوم دما در طول مبدل و همچنین جریان‌های متلاطم، به سادگی قابل محاسبه نیست. برای محاسبه این پارامتر، معمولاً از روابط تجربی یا [[کمیت بدون بعد|اعداد بدون بعدی]] چون [[عدد ناسلت]] استفاده می‌شود.
# در این رابطه از نماد <math>\Delta T_m</math> به جای <math>\Delta T</math> استفاده شده، چرا که تغییرات دما در طول مبدل از یک نرخ خطی برخوردار نیست و از پیچیدگی بالایی برخوردار است. در شرایطی که عدد دقیق دمای ورودی و خروجی هر دو سیال از مبدل معلوم باشد می‌توان از [[اختلاف دمای متوسط لگاریتمی]] که به صورت زیر تعریف می‌شود استفاده کرد:<ref>{{پک|Incropera|Bergman|Lavine|۲۰۱۱|ک=Introduction to Heat Transfer|ص=680|زبان=en}}</ref>

:<math>\Delta T_m=LMTD=\frac{\Delta T_i - \Delta T_o}{\ln \left( \frac{\Delta T_i}{\Delta T_o} \right ) }</math>

در رابطه بالا<math>\Delta T_i</math> نشان دهنده اختلاف دماهای ورودی به مبدل و <math>\Delta T_o</math> نشان دهنده اختلاف دماهای خروجی از مبدل است.

همچنین در صورت نبودن اطلاعات کامل از دماهای ورودی و خروجی روش دیگری به نام [[روش ان تی یو]] به کار می‌رود که در آن تنها نیاز به دماهای ورودی به مبدل است.

=== مبدل‌های جریان موازی و متقابل ===
در مبدل‌ها به طور کلی ممکن است مسیر حرکت سیال‌های سرد و گرم نسبت به هم دو وضعیت داشته باشند. در حالت اول ممکن است دو سیال از یک ناحیه از مبدل وارد شده و به طور هم مسیر با هم در طول مبدل، تبادل حرارت کنند و از ناحیه دیگر به طور هم‌زمان خارج شوند. این نوع مبدل به مبدل با جریان‌های موازی معروف است. در نقطه مقابل مبدل‌های با [[تبادل متقابل|جریان متقابل]] قرار دارند که در آن سیال سرد و گرم از دو نقطه مقابل هم وارد می‌شوند به طوری که در محل خروج سیال سرد، سیال گرم وارد و در نقطه خروج سیال گرم، سیال سرد وارد می‌شود.<ref>{{پک|Incropera|Bergman|Lavine|۲۰۱۱|ک=Introduction to Heat Transfer|ص=678,679,680|زبان=en}}</ref>
[[پرونده:PF-CF exchenger.JPG|thumb|center|700px|طرحی از یک مبدل جریان موازی و نمودار دما در مقابل طول مبدل برای آن (سمت چپ) و یک مبدل جریان متقابل و نمودار دما در مقابل طول برای آن (سمت راست)]]

=== دسته‌بندی در بین انواع مبدل‌ها ===
مبدل‌های حرارتی بر اساس شکل، کابرد، محل نصب و بسیاری پارامترهای دیگر طراحی می‌شوند. در نتیجه می‌توان آن‌ها را بر اساس این ویژگی‌ها در دسته‌بندی‌های مختلف قرار داد. در نمودارهای زیر دسته‌بندی انواع مبدل‌ها بر اساس آرایش جریان در داخل مبدل و ساختار کلی مبدل و جایگاه مبدل پوسته و لوله در هر دسته‌بندی قابل مشاهده است:<ref>{{پک|Ullmann|۲۰۰۵|ک=Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry|ص=7|زبان=en}}</ref>

{{کلاد|style=font-size:75%
|label1=بر اساس ساختار
|1={{کلاد
 |label1= Tubular
 |1={{کلاد
  |label1= '''پوسته و لوله'''
  |1={{کلاد
  |1=جریان موازی
  |2=جریان متقابل
  }}
  |2=double-pipe
  |3=spiral tube
  |4=pipecoils
  }}
 |label2= plate type
|2={{کلاد
  |1=plate
  |2=spiral
  |3=lamella
  |4=platecoils
  }}
 |label3= extended-surface
|3={{کلاد
  |1=plate-fin
  |label2= tube-fin
  |2={{کلاد
  |1=ordinary seprating wall
  |2=heat-pipe wall
  }}
  }}
 |label4= regenerative
|4={{کلاد
 |label1= rotary
  |1={{کلاد
  |1=disk-type
  |2=drum-type
  }}
  |2=fixed-matrix
  }}
 }}
}}
در مبدل های پوسته و لوله، تعداد یک یا دسته ای از '''لوله های فلزی''' (تیوب) در داخل یک لوله ی بزرگتر (شل یا پوسته)قرار می گیرند، تیوب ها یا از یک طرف پوسته و یا از دو سر آن توسط صفحه ای گرد و حفره دار جمع آوری می شوند که این صفحه در حقیقت عمل هدر یا جمع آوری [[سیال]] داخل تیوب ها را انجام میدهد که به آن تیوپ شیت نیز گفته میشود.

اگر شکل تیوب بصورت U باشد هر دو سر تیوب ها در یک طرف پوسته قرار گرفته و از یک صفحه ی جمع کننده استفاده میشود و اگر مستقیم باشد از یک طرف پوسته ورودی و از انتهای آن خروجی در نظر گرفته می شود.

پوسته مبدل حرارتی در واقع لوله ای است با طول مشخص که تیوب ها در آنجا داده می شود و خود نیز داری ورودی و خروجی بوده که معمولاً به صورت عرضی روی آن قرار دارد. بدین ترتیب دو سیال قرار گرفته در داخل مجموعه اختلاطی با هم ندارند و صرفا از طریق دیواره تیوب های فلزی ([[مس]]، [[آلومینیوم]]، [[استیل]]، [[تیتانیوم]] و …) '''تبادل حرارت''' میکنند.

مبدل پوسته لوله به شکل های گوناگون در صنعت تولید می شود که کلی ترین آنها در 3 شکل U تیوب، تیوب مستقیم و اسپیرال قرار می گیرد.

مبدل حرارتی مدل اسپیرال این تفاوت را دارد که تیوب های آن در داخل پوسته به شکل مارپیچی دور هم پیچیده شده و بدین ترتیب سطح تماس بیشتر و [[راندمان]] بالاتری نسبت به حالت معمول دارند.
<ref>[https://payadama.com/products-56/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c مبدل حرارتی Heat Exchanger]</ref>

== اجزا ==
=== لوله‌ها ===
[[پرونده:WTU-Email.jpg|thumb|left|200px|دسته‌ای از لوله‌ها به صورت U شکل که داخل پوسته اصلی قرار می‌گیرند.]]
لوله‌ها<ref group="واژه‌نامه">tube</ref> قسمت اصلی تبادل حرارت در مبدل است. سطح بیرونی آن در معرض [[سیال]] داخل پوسته قرار دارد و از داخل آن نیز سیال دیگری عبور می‌کند. این لوله‌ها معمولاً از <math>\tfrac{1}{4}</math> تا <math>2\tfrac{1}{2}</math> [[اینچ]] قطر دارند. در مبدل‌های معمولی از لوله‌های با قطر ۱ و <math>\tfrac{3}{4}</math> اینچ استفاده می‌شود. در مبدل‌های فشرده نیز از لوله‌های با قطر <math>\tfrac{1}{2}</math> و <math>\tfrac{5}{8}</math> اینچ استفاده می‌شود. طول این لوله‌ها از ۱۶ تا ۲۴ [[فوت]] متغیر است. جنس این لوله‌ها اغلب از [[فولاد کربنی|فولاد کم کربن]]، [[فولاد زنگ نزن]]، [[آلیاژ]]های [[مس]]، [[نیکل]] و [[آلومینیوم]]، [[تیتانیوم]]، [[برنج (آلیاژ)|برنج]] و دیگر فلزات است.<ref>{{پک|خشنودی|نوعی|۱۳۸۴|ک= انتقال حرارت:اصول و کاربرد|ص=۲۵۲ و ۲۵۳}}</ref>

هنگامی که [[ضریب انتقال حرارت]] برای سیال بیرون لوله نسبت به سیال داخل بسیار کمتر باشد از لوله‌های با [[فین (سطح اضافه)|سطوح اضافه]] استفاده می‌شود. البته پره دار کردن لوله‌ها هزینه تمام شده محصول را نسبت به لوله‌های صاف بیشتر می‌کند.<ref>{{پک|خشنودی|نوعی|۱۳۸۴|ک= انتقال حرارت:اصول و کاربرد|ص=۲۵۳}}</ref>

=== پوسته ===
پوسته<ref group="واژه‌نامه">Shell</ref> که عمدتاً به شکل یک لوله بزرگ است، فضایی است که لوله‌های مبدل در آن قرار می‌گیرند و عمل انتقال حرارت در داخل آن صورت می‌گیرد. به عبارتی شکل بیرونی و قابل رویت مبدل را پوسته می‌گویند. بر اساس استاندارد '''تما''' (TEMA)<ref group="واژه‌نامه">Tubular Exchanger Manufacturers Association, Inc یکی از مهمترین استانداردهای موجود در طراحی مبدل‌های پوسته و لوله است.</ref> پوسته‌های استاندارد از [[قطر (هندسه)|قطر]] ۶ [[اینچ]] (۱۵۰[[میلی‌متر|mm]]) تا ۶۰ اینچ (۱۵۲۰mm) را شامل می‌شود. به دلیل محدودیت در ساخت لوله‌های پیش ساخته، پوسته تا قطر ۲۴ اینچ (۶۱۰mm) به وسیله لوله‌های استاندارد و قطر بیش تر از آن به وسیله شکل‌دهی به ورق‌های استاندارد به شکا استوانه، ساخته می‌شوند. باید توجه داشت که ضخامت پوسته-به خصوص در مواردی که با [[گاز]] یا [[بخار]] تحت فشار درگیر است- از اهمیت بالایی برخوردار است. نسبت ضخامت، قطر و فشار داخلی به وسیله جداولی در کتب طراحی مبدل‌ها ذکر می‌شود.<ref>{{پک|مولوی|۱۳۸۵|ک=طراحی تجهیزات نفت|ص=۱۶۳}}</ref>

=== صفحات لوله گیر ===
==== آرایش لوله‌ها در لوله گیر ====
[[پرونده:Baffle Arrangement.PNG|thumb|left|260px|آرایش لوله‌ها در لوله گیر. اشکال بالایی نوع مثلثی و اشکال پایینی نوع مربعی را نشان می‌دهند. مسیر حرکت جریان سیال نیز با فلش‌های مشکی نماش داده شده است.]]

=== بافل‌ها ===
طراحی بافل مبدل حرارتی پوسته لوله، به‌گونه‌ای است که سیال درون پوسته را به‌خوبی هدایت کرده و راندمان انتقال حرارت را افزایش می‌دهد. <ref>[https://www.arkasadr.com/%D9%85%D8%AD%D8%B5%D9%88%D9%84%D8%A7%D8%AA/%D9%85%D8%A8%D8%AF%D9%84-%D9%87%D8%A7%DB%8C-%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B1%D8%AA%DB%8C/%D9%85%D8%A8%D8%AF%D9%84-%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B1%D8%AA%DB%8C-%D9%BE%D9%88%D8%B3%D8%AA%D9%87-%D9%88-%D9%84%D9%88%D9%84%D9%87 SHELL AND TUBE HEAT COMPONENTS اجزای مبدل های حرارتی پوسته و لوله]</ref>
{{نوشتار اصلی|بافل}}

== انواع ==
در جدول زیر انواع مبدل‌های پوسته و لوله به تفکیک شکل بررسی شده است:
{| class="wikitable"
|-
! تصویر !! توضیحات
|-
| <center>[[File:U-tube_heat_exchanger.svg|500px]]</center> || نوع یو(U) شکل
|-
| <center>[[File:Straight-tube heat exchanger 1-pass.svg|500px]]</center> || مثال
|-
| <center>[[File:Straight-tube heat exchanger 2-pass.svg|500px]]</center> || مثال
|}

== کاربردها ==
* {{پک|Perry|Green|۱۹۸۴|ک=Perry's Handbook|ص=|زبان=en}}
* {{پک|E. Ludwig|۱۹۸۴|ک= Applied Process Design|ص=|زبان=en}}
* {{پک|مولوی|۱۳۸۵|ک=طراحی تجهیزات نفت|ص=}}
* {{پک|خشنودی|نوعی|۱۳۸۴|ک= انتقال حرارت:اصول و کاربرد|ص=}}
* {{پک|McCabe|Smith|۲۰۰۱|ک=Unit Operations|ص=|زبان=en}}
* {{پک|Ullmann|۲۰۰۵|ک=Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry|ص=|زبان=en}}

== ایجاد رسوب در مبدل ==
== واژه‌نامه و توضیحات ==
{{پانویس|گروه=واژه‌نامه|۲}}

== جستارهای وابسته ==
{{درگاه|مهندسی|مهندسی شیمی}}
{{colbegin|2}}
* [[انتقال حرارت]]
* [[اختلاف دمای متوسط لگاریتمی]]
* [[بویلر]]ها
* [[روش ان تی یو]]
* [[ریبویلر]]ها
* [[کوره]]‌ها
* [[مبدل حرارتی]]
* [[مبدل حرارتی صفحه‌ای]]
* [[مخزن تحت فشار]]
{{colend}}

== پانویس ==
{{پانویس|۳|چپ‌چین=بله}}

== منابع ==
* {{یادکرد کتاب |  نام خانوادگی = نوعی| نام = سید حسن| پیوند نویسنده = | نام خانوادگی۲ = خشنودی| نام۲ = محمد| پیوند نویسنده۲ = | نام ویراستار = | نام خانوادگی ویراستار = | پیوند ویراستار = | فصل = | نشانی فصل = | نویسندگان سایر بخش‌ها = | عنوان =انتقال حرارت:اصول و کاربرد| ترجمه عنوان = | کوشش = | ترجمه = | دیگران = | نشانی = | نشانی بایگانی = | تاریخ بایگانی = | فرمت = | تاریخ بازبینی = | نوع = | ویرایش = | سری = | جلد = ۲| تاریخ = | سال = ۱۳۸۴|  سال اصلی = | ناشر = [[دانشگاه فردوسی مشهد|انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد]]| مکان = | زبان = | شابک = 964-6335-93-4| oclc = | doi = | id = | صفحه = | صفحات = | در = | گفتاورد = | ref = | bibcode = | laysummary = | laydate = | جداکننده = | پی‌نوشت = | lastauthoramp =}}
* {{یادکرد کتاب | نام خانوادگی = مولوی| نام = حامد | عنوان = طراحی و بهره‌برداری از تجهیزات نفت، گاز و پتروشیمی | سال = ۱۳۸۵| ناشر =اندیشه سرا |مکان = تهران| شابک = 964-8407-39-8}}
* {{یادکرد کتاب | نام خانوادگی = بهبودی‌املشی| نام = علی | عنوان = فرهنگ و زبان فنی تصویری شیمی و مهندسی شیمی | سال = ۱۳۸۸| ناشر =نشر طراح |مکان = تهران| شابک = 978-964-2917-30-3}}
{{چپچین}}
* {{یادکرد کتاب| نام خانوادگی =Incropera| نام = Frank P. | پیوند نویسنده =فرانک اینکروپرا| نام خانوادگی۲ =Bergman| نام۲ =Theodore L.| نام خانوادگی۳ = Lavine| نام۳ = Adriene S.| ویراستار =| کوشش = | دیگران = | فصل = | عنوان = Introduction to Heat Transfer| جلد = | عنوان جلد =| سال = ۲۰۱۱| ناشر =[[جان وایلی و پسران|John Wiley & Sons]]| مکان = New York| شابک = 978-0470-50196-2|زبان=en}}
* {{یادکرد کتاب| نام خانوادگی =Perry| نام = Robert H. | پیوند نویسنده =رابرت اچ. پری| نام خانوادگی۲ =Green| نام۲ =Don W.| نام خانوادگی۳ = | نام۳ = | ویراستار =| کوشش = | دیگران = | فصل = ۱۰| عنوان = [[هندبوک مهندسین شیمی پری|Perry's Chemical Engineers' Handbook]]| جلد = ۲| عنوان جلد =| سال = ۱۹۸۴| ناشر =[[مک گرا-هیل|McGraw-Hill]]| مکان = | شابک = 0-07-049479-7|زبان=en}}
* {{یادکرد کتاب| نام خانوادگی =Ullmann| نام = Fritz | پیوند نویسنده = فریتس اولمان | نام خانوادگی۲ =| نام۲ =| نام خانوادگی۳ = | نام۳ = | ویراستار = | کوشش = | دیگران = | فصل = Heat Exchange| عنوان = [[دانشنامه شیمی صنعتی اولمان|Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]]| جلد = | عنوان جلد = | سال =۲۰۰۵| ناشر = [[انتشارات جان وایلی و پسران|John Wiley & Sons, Inc.]]| مکان = | شابک = ۹۷۸-۳-۵۲۷-۳۰۶۷۳-۲۶|زبان=en}}
{{پایان چپچین}}

== پیوند به بیرون ==
{{Commonscat|Heat exchangers}}
*[http://www.hcheattransfer.com/shell_and_tube.html Shell-and-Tube Heat Exchangers Construction Details ]
*[https://www.bamintahvie.com/category/heating/%D9%85%D8%A8%D8%AF%D9%84-%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B1%D8%AA%DB%8C-%D8%B5%D9%81%D8%AD%D9%87-%D8%A7%DB%8C Shell and tube heat exchanger design]
*[http://www.cheresources.com/designexzz.shtml Basics of Shell and Tube Exchanger Design]
*[http://www.cheresources.com/heat_transfer_basics.shtml Basics of Industrial Heat Transfer]
*[http://www.cheresources.com/shell_tube_heat_exchanger_1.shtml Specifying a Liquid_Liquid Heat Exchanger]
*[https://web.archive.org/web/20120223185058/http://www.satcap.co.uk/index_files/Page445.htm A Free Book - Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchangers]
*[http://www.enggcyclopedia.com/calculators/equipment-sizing/shell-tube-heat-exchanger-sizing-calculator-shellside/ Shell and tube heat exchanger calculator for shellside]
*[https://gak.vn gak.vn]

{{مهندسی شیمی}}

[[رده:تقطیر]]
[[رده:مبدل‌های حرارتی]]
[[رده:انتقال گرما]]