مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله ( به انگلیسی: Shell and tube heat exchanger ) نوعی مبدل حرارتی است که کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی مانند واحدهای تقطیر نفت خام دارد. همان طور که از نام آن پیداست این مبدل از یک مخزن استوانه ای شکل بزرگ ( پوسته ) در فشار بالا و تعدادی لوله در داخل آن تشکیل شده است. مایع در داخل لوله ها حرکت می کند و بخار داغ بر روی لوله ها و درون پوسته جریان دارد. به علت تعداد زیاد این لوله ها و سطح تماس بالایی که ایجاد می کند، حرارت بخار به مایع داخل لوله منتقل شده و مایع را به جوش می آورد. [ ۱]
در مبدل های حرارتی معمولاً دو سیال بدون تماس جرمی با یکدیگر تبادل حرارت می کنند. سیال سرد تر در تماس با سیال گرم انرژی حرارتی گرفته و دمای آن بالا می رود و در عوض سیال گرم تر با از دست دادن حرارت، سرد می شود. این تبادل بر اساس اصول ابتدایی انتقال حرارت یعنی رسانش گرمایی و همرفت قابل توصیف است. در مبدل ها در حالت ایده آل و بدون در نظر گرفتن پرت انرژی، مقدار گرمایی که سیال گرم از دست می دهد و مقدار گرمایی که سیال سرد می گیرد برابر بوده و طبق رابطه بنیادی زیر برای هر سیال قابل محاسبه است. [ ۲]
q h = m ˙ h C h Δ T h
q c = m ˙ c C c Δ T c
که در حالت ایده آل مقدار گرمای از دست داده سیال گرم و گرمای به دست آمده برای سیال سرد با هم برابر است یعنی:
q c = q h
در روابط بالا q c و q h نشان دهنده گرمای مبادله ای سیال سرد و گرم، m ˙ c و m ˙ h نشان دهنده دبی جرمی سیال سرد و گرم و Δ T c و Δ T h 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 می شود:[ ۳] [ ۴]
q = U A Δ T m
در رابطه بالا چند نکته حائز اهمیت است.
• مقدار گرمای مبادله شده، ارتباط مستقیم با میزان سطح تبادل حرارت دو سیال A {\displaystyle A} دارد. پس با بالا بردن سطح تماس دو سیال می توان بازدهی مبدل رار بالابرد. اما برای این منظور عمدتاً با موانع طراحی و عملیاتی مواجه هستیم.
• U {\displaystyle U} ضریب انتقال حرارت جابجایی است که برای مبدل ها با توجه به تغییر مداوم دما در طول مبدل و همچنین جریان های متلاطم، به سادگی قابل محاسبه نیست. برای محاسبه این پارامتر، معمولاً از روابط تجربی یا اعداد بدون بعدی چون عدد ناسلت استفاده می شود.
• در این رابطه از نماد Δ T m {\displaystyle \Delta T_{m}} به جای Δ T {\displaystyle \Delta T} 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 می توان از اختلاف دمای متوسط لگاریتمی که به صورت زیر تعریف می شود استفاده کرد:[ ۵]