مبدل حرارتی تولید شده با قطعات استیل

مقدمه

اگرچه طیف گسترده‌ای از مبدل‌های حرارتی در طرح‌ها و مواد مختلف وجود دارد، ولی برخی از اجزاء آن نظیر نوع ورق استیل ضدسایش، در تمام طرح‌های پوسته و لوله مشترک هستند. اکثر مبدل‌های حرارتی دارای پوسته و لوله از جنس ورق استیل 321 بوده که جزء پرکاربردترین دستگاه‌ها برای انتقال حرارت در کاربردهای فرآیندی محسوب می‌شوند. به دلیل منطقی بودن قیمت ورق استیل 321، این مبدل‌ها مورد توجه صنعتگران قرار گرفته و در کاربردهای ساده تا پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرند. وظیفه مبدل‌های حرارتی در چند دسته‌بندی کلی قابل بیان است.  
1-    فرآیند خنک سازی مایع یا گاز
2-    فرآیند مبرد یا متراکم شدن بخار
3-    فرآیند تبخیر مایع
4-    فرآیند حذف حرارت و پیش گرم کردن آب
5-    تلاش برای حفظ انرژی حرارتی و بازیابی گرما
در همه مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله‌های ساخته شده از ورق استیل ضد سایش نظیر ورق استیل 321،  به صورت مکانیکی به صفحات لوله متصل می‌شوند و همگی در درون پوسته‌ای با پورت‌هایی برای مایع یا گاز ورودی و خروجی قرار دارند. آنها برای جلوگیری از مخلوط شدن مایعی که در داخل لوله‌ها جریان دارد با مایع خارج از لوله‌ها طراحی شده‌اند. این لوله‌ها را می‌توان به پوسته فیکس کرد یا اجازه داد تا با تنش‌های حرارتی منبسط و منقبض شوند. تعدادی دستورالعمل عملی وجود دارد که در صورت رعایت آنها، می‌توان به طراحی بهینه یک مبدل حرارتی دست یافت. با توجه به اینکه وظیفه اصلی مبدل حرارتی انتقال و جابجایی حرارت با کمترین هزینه (به دلیل مقرون به صرفه بودن مواد نظیر مناسب بودن قیمت ورق استیل 321) و در عین حال اطمینان در حین سرویس است، انتخاب سیّال مناسب برای انتقال حرارت باید دغدغه اصلی طراح باشد.

هنگام طراحی، باید نکات زیر را مدنظر قرار داد:

-     سیّال با فشار بالاتر معمولاً در درون لوله جریان می‌یابد. لوله‌های با قطر کوچک و ضخامت دیواره مناسب، بهتر می‌توانند فشارهای بالا را تحمل کنند و این رویکرد از طراحی قطعات گرانتر و قطر بزرگتر برای فشار بالا، جلوگیری می‌کند. در صورت نیاز به قرار دادن جریان سیّال با فشار بالاتر در پوسته، باید آن را در یک پوسته با قطر کم و بلند قرار داد.
-     در صورت مساوی بودن سایر موارد، سیّالات خورنده را در لوله‌ها قرار می‌دهند. استفاده از آلیاژهای ویژه طراحی شده برای مقاومت در برابر خوردگی برای لوله‌ها بسیار کمتر از پوسته است. سایر اجزای کنار لوله را می توان با مواد مقاوم در برابر خوردگی یا روکش اپوکسی پوشاند.
-     مایعات با قابلیت رسوب بالا را از طریق لوله‌ها جریان می‌دهند. تمیز کردن لوله‌ها با استفاده از روش‌های مکانیکی رایج نسبت به پوسته آسان‌تر است.
-     بسیاری از طرح‌ها و پیکربندی‌های متنوع که بر گام لوله، وضعیت بافل و فاصله، و تعداد نازل تأثیر می‌گذارند، می‌توانند هنگام چیدمان مدار پوسته استفاده شوند. به همین دلیل، بهتر است سیّالاتی که نیاز به افت فشار کم دارند در مدار پوسته قرار گیرند.
-     سیّال با ضریب انتقال حرارت کمتر به طور معمول در مدار پوسته قرار می‌گیرد. با این تنظیم، لوله‌های باله‌دار، که سطح موجود را افزایش می‌دهد، می‌تواند برای جبران نرخ انتقال حرارت پایین استفاده شود.

لوله‌های مبدل‌های حرارتی

 مبدل‌های حرارتی با قطر پوسته 10 تا 100 اینچ معمولاً مطابق با استانداردهای تعیین شده توسط انجمن تولیدکنندگان مبدل‌های لوله‌ای ساخته می‌شوند. در بخش‌های مختلف مبدل‌های حرارتی از آلیاژهای دمای بالا نظیر آلیاژ مس- نیکل، فولاد ضد زنگ، هاستالوی، اینکونل، تیتانیوم و ... استفاده می‌شود. لوله‌های استفاده شده در مبدل‌های حرارتی در انواع مختلف بدون درز و یا جوش داده شده می‌باشند. لوله‌های جوشکاری شده دارای ساختار کریستالوگرافی و دانه‌بندی خوبی می‌باشند ولی با این وجود، در کاربردهای خاص از لوله‌های اکسترود شده با باله‌های کم استفاده می‌شود. 
عملیات آماده‌سازی سطحی بر روی لوله‌ها انجام می‌گیرد. این عملیات با هدف افزایش سطح فلزی موجود یا کمک به تلاطم سیّال استفاده می‌شود و در نتیجه نرخ انتقال حرارت موثر افزایش می‌یابد. استفاده از لوله‌های پره‌ای زمانی توصیه می‌شود که سیّال سمت پوسته دارای ضریب انتقال حرارت بسیار کمتری نسبت به سیّال سمت لوله باشد. نکته قابل توجه اینکه، لوله‌های پره‌دار در نواحی فرود خود، یعنی جایی که با صفحات لوله در تماس است، فاقد پره می‌باشد و همچنین قطر بیرونی قسمت‌های پره‌دار کمی کوچکتر از نواحی بدون پره است. این ویژگی‌ها به لوله‌ها اجازه می‌دهد تا در حین مونتاژ به راحتی از میان بافل‌ها و تکیه‌گاه‌های لوله بلغزند و در عین حال عبور سیّال را به حداقل می‌رسانند.

از لوله‌هایU  شکل زمانی استفاده می‌شود که اختلاف حرارتی بین سیّالات و جریان‌ها منجر به انبساط حرارتی بیش از حد لوله‌ها شود. در این نوع لوله‌ها به دلیل شعاع خمش، سطح مفید در تماس با سیّال خارجی نسبت به لوله‌های مستقیم کمتر است و انتهای منحنی را نمی‌توان به راحتی تمیز کرد. علاوه بر این، تعویض لوله‌های داخلی دشوار است و اغلب نیاز به برداشتن لایه‌های بیرونی یا بستن لوله‌ها دارند. برای سهولت در ساخت و سرویس، استفاده از طرح دسته لوله قابل جابجایی هنگام استفاده از لوله‌های U رایج است.