اواپراتور پوسته لوله ای
تعریف اواپراتور پوسته لوله یا Shell & Tube
اواپراتور پوسته لوله ای یا شل اند تیوب یکی از انواع مبدل های حرارتی پوسته لوله ای است که از زمان شکل گیری سیکل تبرید تا به امروز در چیلر و سیستم های برودتی مورد استفاده قرار گرفته است.
سازندگان اواپراتور پوسته لوله بطور مستمر به دنبال افزایش کارایی، راندمان و بالا بردن میزان انتقال حرارت در آن می باشند. سیال خنک کننده در اواپراتور پوسته لوله، انواع مبرد و سیال خنک شونده آب و یا مخلوطی از آب و ضدیخ می باشد.
در حالت آدیاباتیک و صد در صد ایده آل، مبرد بصورت مایع اشباع و با دما و فشار پایین وارد اواپراتور پوسته لوله شده و پس از تغییر فاز در فشار ثابت به بخار اشباع تبدیل می گردد و در پروسه فوق گرمای مورد نیاز خود جهت تغییر فاز را از آب داخل مبدل دریافت کرده و سبب خنک شدن آن می گردد. مبرد تبخیر شده در اواپراتور پوسته لوله به سمت کمپرسور رفته و سیکل برودتی تکرار می گردد.
لازم به توضیح اواپراتور پوسته لوله یا شل اند تیوب در انواع تک مدار، دو مدار، سه مدار و چهار مدار طراحی و تولید می گردد.
انواع اوپراتور پوسته لوله ای یا شل اند تیوب
از نظر موقعیت قرار گرفتن سیال خنک شونده و مبرد، اواپراتور پوسته لوله ای به دو دسته تقسیم بندی می گردد:
- اواپراتور پوسته لوله ای نوع خشک Dry shell & tube evaporator
- اواپراتور پوسته لوله ای نوع مستغرق یا فلودد Flooded
اواپراتور پوسته لوله نوع خشک Dry shell & tube evaporator
در اواپراتور پوسته لوله ای نوع خشک، مبرد در داخل لوله و آب در درون پوسته جریان دارد. در این نوع اواپراتور مبرد به داخل لوله ها پاشش شده و پس از تغییر فاز حداقل به میزان 5K افزایش دما پیدا کرده و به سمت کمپرسور حرکت می کند. استفاده از این نوع اواپراتور در انواع چیلرها بسیار مرسوم بوده و تا ظرفیت های برودتی بالا مورد استفاده قرار می گیرد.
اواپراتور پوسته لوله نوع فلودد Flooded evaporator
از اواپراتور پوسته لوله ای نوع فلودد معمولا در چیلرهایی با ظرفیت های بالای 300 تن تبرید و مجهز به کمپرسورهای نوع سانترفیوژ استفاده می گردد. در این نوع اواپراتور، مبرد در داخل پوسته و آب در درون لوله ها جریان دارد.
منطق این نوع اواپراتور به گونه ای است که مبرد بایستی بصورت 100 درصد بخار اشباع و با سوپرهیت صفر به سمت کمپرسور روانه گردد. در خروجی این نوع اواپراتور قطعه ای نصب می گردد که تنها اجازه خروج بخار مبرد را داده و مبرد مایع را مجدد به داخل اواپراتور بای پس می نماید.
اواپراتور پوسته لوله نوع فلودد یا مستغرق به نسبت نوع انبساط خشک از راندمان بالاتری برخوردار است ولی حجم بالای مبرد مورد نیاز و همچنین تجهیزات جانبی بکار رفته جهت کنترل دقیق بخار مبرد خروجی باعث گردیده تا در ظرفیت های پایین تر بعلت توجیه اقتصادی، این نوع اواپراتور به ندرت مورد استفاده قرار بگیرد.
ساختار اواپراتور پوسته لوله یا شل اند تیوب
اجزای اصلی اواپراتور پوسته لوله یا shell & tube عبارتند از:
- لوله یا تیوب
- پوسته یا شل
- هدر جلویی
- هدر پشتی
- تیوب شیت
- بافل
که در ادامه بطور جامع تر به تشریح هر یک از این اجزای اواپراتور پوسته لوله می پردازیم:
لوله یا تیوب Tube
لوله بدون درز از جنس مس که متناسب با ظرفیت و طراحی اواپراتور در اندازه مشخص و تعداد مختلف در داخل پوسته قرار می گیرند. به مجموعه لوله های نصب شده در داخل پوسته، تیوب باندل یا دسته لوله اطلاق می شود.
جهت افزایش راندمان حرارتی لوله های مسی مورد استفاده در اواپراتور پوسته لوله می توانند از نوع داخل شیاردار Inner grooved بوده و یا از ستاره های آلومینیومی در داخل آنها استفاده گردد. سایز تیوب بکار رفته در اواپراتور پوسته لوله Shell & Tube متناسب با نوع مبرد و ظرفیت مورد نیاز بوده و معمولا در سایزهای 3/8، 1/2 و 5/8 مورد استفاده قرار می گیرد.
مفهوم مسیر یا پاس Pass در اواپراتور پوسته لوله ای
به تعداد مسیرهای موازی عبور سیال در مبدل حرارتی پاس Pass اطلاق می گردد. افزایش تعداد پاس باعث افزایش سطح انتقال حرارت و بالا رفتن راندمان حرارتی اواپراتور پوسته لوله می گردد.
بدلیل کنترل افت فشار آب و همچنین محدودیت های نصب اواپراتور، مسیر آب در اواپراتور پوسته لوله ای دارای تک پاس می باشد. در سمت مبرد نیز با در نظر گرفتن حداقل افت فشار و حفظ سرعت مجاز مبرد، معمولا اواپراتور پوسته لوله Shell & tube به شکل دو پاس یا چهار پاس طراحی می گردد.
پوسته یا شل Shell
پوسته یا شل در اواپراتور پوسته لوله استوانه ای بزرگ معمولا از جنس کربن استیل بوده که به منظور قرار گرفتن تیوب باندل در داخل آن مورد استفاده قرار می گیرد.
قطر شل در اواپراتور پوسته لوله ای متناسب با تعداد لوله مورد نیاز و طول آن نیز مطابق با طراحی و طول لوله ها انتخاب می گردد. قطر پوسته در اواپراتورهای آب معمولا بین 6 تا 20 اینچ می باشد. بر روی پوسته اتصالات مربوط به ورود و خروج سیال آب، اتصال هواگیری، تخلیه و اتصالات مربوطه جهت نصب پراب های دما نصب می گردد.
هدر جلویی و پشتی Front & Rear headers
هدرها صفحاتی فولادی می باشند که در آخرین مرحله مونتاژ اواپراتور پوسته لوله ای در قسمت جلو و پشت آن نصب شده و شامل مجاری پخش و اتصالات ورود و خروج مبرد (متناسب با طراحی) می باشد. هدر اواپراتور پوسته لوله دارای طرح های مختلفی بوده و بر اساس استاندارد اتحادیه بین المللی سازندگان مبدل های حرارتی (TEMA) طبقه بندی می شوند.
تیوب شیت یا صفحه لوله Tube sheet
صفحات فولادی که متناسب با نوع چیدمان لوله های مسی، تعداد پاس و تعداد مدار اواپراتور پوسته لوله ای طراحی شده و لوله های مسی از داخل آن عبور داده می شوند. پس از عبور لوله های مسی، این لوله ها توسط دستگاه والس زن آب بندی شده و یا به بدنه تیوب شیت جوش داده می شوند.
انواع مختلف چیدمان تیوب در اواپراتور پوسته لوله
در اواپراتور پوسته لوله ای چیدمان لوله ها Tubes layout با توجه به زاویه قرار گیری لوله ها تعریف می گردد و معمولا به چهار صورت 30, 45, 60 و 90 درجه انجام می پذیرد.
در اکثر مبدل های حرارتی پوسته لوله از جمله اواپراتور پوسته لوله ای که جهت سیالات با ویسکوزیته و ضریب رسوب پذیری معمول طراحی گردیده اند از چیدمان 30 استفاده می گردد. در حالت 30 درجه بیشترین تراکم لوله و همچنین بالاترین میزان ضریب انتقال حرارت را خواهیم داشت. کمترین میزان تراکم لوله و انتقال حرارت نیز در چیدمان 90 درجه می باشد.
انواع تیوب باندل Tube bundle در اواپراتور پوسته لوله
اواپراتور پوسته لوله از حیث شکل تیوب باندل به دو دسته تقسیم می گردد:
- نوع U شکل
- نوع تیوب شیت ثابت
اواپراتور پوسته لوله با تیوب باندل U شکل
در این نوع ساختار تیوب باندل که تنها در اواپراتور پوسته لوله ای دو پاس Two Pass کاربرد دارد، تیوب های مسی، بصورت U شکل در آمده و در داخل پوسته اواپراتور قرار می گیرند. به دلیل حذف تیوب شیت انتهایی و قرارگیری ساده، این نوع اواپراتور اقتصادی تر بوده ولی دارای محدودیت های طراحی بیشتری بوده و در بحث سرویس و نگهداری نیز تعویض لوله در این نوع اواپراتور دشوار می باشد.
اواپراتور پوسته لوله از نوع تیوب شیت ثابت
بر خلاف نوع U-Type در این مدل اواپراتور پوسته لوله، تیوب شیت و پوسته اواپراتور به یکدیگر وصل شده و امکان دسترسی به قسمت بیرونی تیوب باندل وجود نخواهد داشت. در این حالت هر مسیر یا Pass دارای لوله های مجزا بوده و در صورت بروز ایراد می توان با بازکردن هدر جلویی و پشتی اواپراتور، لوله مربوطه را به راحتی از آن خارج نمود. اکثر اواپراتورهای پوسته لوله ای مورد استفاده از این نوع می باشند.
لازم به ذکر است که نوع سومی از چیدمان مبدل نیز وجود دارد که به آن نوع تیوب شیت یک طرف شناور اطلاق می شود که در مورد اواپراتور پوسته لوله به ندرت استفاده می گردد. در این حالت یک تیوب شیت به پوسته فیکس شده و تیوب شیت دیگر آزاد است و تیوب باندل می تواند تا حدودی در برابر انبساط حرارتی جابجا شود. از این نوع مبدل در مورد سیالاتی با ضریب فولینگ بالا استفاده می گردد.
بافل Baffle
بافل ها، صفحاتی از جنس گالوانیزه و یا پلیمر هستند که به منظور جلوگیری از لرزش، مهار و افزایش مقاومت لوله ها در برابر نیروهای وارده از جریان آب و همچنین افزایش راندمان انتقال حرارت در اواپراتور پوسته لوله ای مورد استفاده قرار می گیرند. در ابتدای کار جهت تنظیم فاصله بافل ها و فیکس کردن آنها از تعدادی میله نگهدارنده استفاده می شود.
انتخاب بافل Baffle در اواپراتور پوسته لوله
انتخاب بافل در اواپراتور پوسته لوله ای بایستی با دقت انجام گیرد. افرایش بیش از حد تعداد بافل در داخل پوسته اواپراتور باعث افزایش شدید افت فشار آب و کم بودن تعداد آن نیز باعث کاهش راندمان حرارتی مبدل می گردد. فاصله بین هر دو بافل را Baffle spacing می نامند. فاصله بهینه بین هر دو بافل متناسب با قطر پوسته و در محدوده 0.4 تا 0.6 قطر پوسته قرار می گیرد.
بافل ها متناسب با نوع مبدل حرارتی و کاربری آن در شکل ها و مدل های مختلفی استفاده می شوند. در مورد اواپراتور پوسته لوله ای از بافل نوع تک بخشی (Single segmental) و با برش بافل 25 تا 35 درصد قطر بافل استفاده می گردد.
نکات مهم در استفاده از اواپراتور پوسته لوله
نصب فیلتر
جهت جلوگیری از ورود ذرات معلق به اواپراتور پوسته لوله ای حتما می بایست از استرینر (فیلتر) با تراکم مش مناسب در ورود آب به اواپراتور پوسته و لوله استفاده نمود.
نصب فلوسوئیچ
قرار گرفتن فلوسوئیچ در مدار آب ورودی به اواپراتور پوسته لوله ای ضروری است. فلو سوئیچ میزان آب در گردش را کنترل کرده و در صورت کاهش دبی آب، جهت جلوگیری از یخ زدگی اواپراتور، سیستم را متوقف می نماید.
باید در نظر داشت هر نوع اواپراتور از جمله اواپراتور پوسته لوله ای می تواند دچار یخ زدگی گردد که در اینصورت مشکلات فراوانی را برای مصرف کننده رقم خواهند زد. لذا تمهیدات لازم برای گردش مناسب آب و تخلیه مدار اواپراتور در هنگام خاموش بودن دستگاه به میژه در فصل زمستان را نباید فراموش نمود.
استفاده از ضد یخ
در چیلرهای دائم کار و در پروسه هایی که نیاز به تامین آب با دمای کمتر از 5 درجه سانتیگراد می باشد، توصیه میگردد از ترکیب آب و ضد یخ در اواپراتور پوسته لوله ای استفاده گردد.
- اواپراتور پوسته لوله ای FTA
