فرض کنید دو سیال متفاوت یکی در داخل و دیگری در خارج لوله و در یک جهت در طول لوله جریان دارند و سیال داخلی گرمتر از سیال خارجی است. بنابراین گرما از سیال داخلی به سیال خارجی منتقل می‌شود و درنتیجه دمای سیال گرمتر کاهش و دمای سیال سردتر افزایش می‌یابد. با توجه به شکل (۴-۳) سیال داخلی (گرمتر) در نقطه‌ی A بیشترین و در نقطه‌ی C کمترین دما را دارد. همچنین سیال خارجی(سردتر) در نقطه‌ی A کمترین و در نقطه‌ی C بیشترین دما را دارد.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل(۴-۳): آرایش موازی در مبدل‌های حرارتی[۴۰]
شکل (۴-۴) چگونگی تغییر دمای دو سیال را در طول لوله نمایش می دهد.
شکل(۴-۴): چگونگی تغییر دمای دو سیال را در طول لوله[۴۰]
همانطور که در شکل نشان داده شده‌ است، در نقطه‌ی A بیشترین اختلاف دما و در نتیجه بیشترین نرخ انتقال حرارت را داریم ولی در نقطه‌ی C کمترین اختلاف دما و در نتیجه کمترین انتقال حرارت را داریم. در جریان موازی دمای خروجی سیال سردتر نمی تواند از دمای خروجی سیال گرمتر بیشتر باشد.

• • مبدل‌های حرارتی با جریان مخالف(Counter-Current):

در این نوع از مبدل‌ها دو سیال همانگونه که در شکل (۴-۵) نمایش داده شده‌ است در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند.
شکل(۴-۵): جریان مخالف در مبدل‌های حرارتی[۴۰]
فرض کنید دو سیال با جریان مخالف یکی در داخل و دیگری در خارج لوله جریان دارند و سیال داخلی گرمتر است. دمای سیال داخلی (گرمتر) در نقطه‌ی A بیشترین و در نقطه‌ی C کمترین مقدار را دارد. به عبارت دیگر دمای سیال داخلی از نقطه‌ی A به نقطه‌ی C کاهش می‌یابد. همچنین دمای سیال خارجی (سردتر) در نقطه‌ی C کمترین ودر نقطه‌ی A بیشترین مقدار را دارد. شکل (۴-۶) تغییر دمای دو سیال را در طول لوله نمایش می‌دهد.
شکل(۴-۶): چگونگی تغییر دمای دو سیال را در طول لوله در آرایش مخالف[۴۰]
در جریان مخالف، اختلاف دمای دو سیال در طول لوله تقریباً ثابت است ولی در جریان موازی اختلاف دما در ورودی بیشترین و در خروجی کمترین مقدار را دارد. در جریان مخالف، نرخ تبادل حرارت در طول لوله تغییرات اندکی دارد و دمای نهایی سیال گرمتر می‌تواند کمتر از دمای نهایی سیال سردتر است.
یکی دیگر از انواع تقسیم‌بندی‌های دیگر مبدل‌ها بر اساس نوع ساختمان و عملکرد می‌باشد که ‌این تقسیم‌بندی به شرح زیر است:

• • مبدل‌های دو لوله‌ای^[۲۲]

• • مبدل‌های حلزونی^[۲۳]

• • مبدل‌های صفحه‌ای^[۲۴]

• • مبدل‌های هوایی^[۲۵]

• • مبدل‌های پوسته و لوله^[۲۶]

در بین مبدل‌های فوق مبدل‌های پوسته و لوله تنها مبدل‌هایی هستند که توانایی تحمل فشارهای بالای bar30 و دماهای بالای ۳۶۰ را دارند. متداولترین و پرکاربردترین نوع مبدل‌های حرارتی که در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد، مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله می‌باشد که برای کاربردهای مختلف و در اندازه‌های گوناگون طراحی و ساخته می‌شوند و از آنجا که مبدل‌های طراحی شده‌ از نوع پوسته و لوله می‌باشند لذا به بررسی این مبدل‌ها می‌پردازیم.
از مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله به منظور تبخیر یک مایع یا کندانس کردن یک بخار و یا انتقال حرارت بین دو مایع استفاده می‌شود. اجزای تشکیل دهنده‌یک مبدل حرارتی پوسته-لوله عبارتند از: لوله^[۲۷]، صفحه لوله^[۲۸]، پوسته^[۲۹]، سر جلو^[۳۰]، سر عقب^[۳۱] ، تیغه^[۳۲] و دسته لوله^[۳۳].
این نوع از مبدل‌ها از تعداد زیادی لوله حاوی سیال که بخش خارجی آن با سیال دیگر در تماس می‌باشد تشکیل یافته و عمل انتقال حرارت از طریق سطح واسط که همان بدنه‌یا جداره لوله ‌است امکان می‌پذیرد، پس باید جنس لوله‌ها به گونه‌ای انتخاب گردد که علاوه بر استقامت، رسانای خوب گرما نیز باشند.
در مبدل‌های پوسته-لوله معمولاً دو صفحه ‌از جنس فلز در ابتدا و انتهای مبدل قرار می‌گیرد که به تعداد لوله‌های داخل مبدل، بر روی این ورقه‌ها سوراخ ایجاد شده ‌است و این لوله‌ها به صفحه‌لوله‌ از طریق جوش یا به طریقه‌ی مکانیکی متصل شده‌اند. دو سر مبدل یعنی سر جلویی و عقبی مبدل به گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شود که سیال از یک سر مبدل وارد شده و به سمت ورودی لوله‌ها هدایت شود و پس از عبور از لوله‌ها وارد سر عقبی شده و در آنجا جمع‌ آوری گردد. سیالی که ‌از میان پوسته عبور می‌کند باید به گونه‌ای هدایت شود که در طی مسیر، بیشترین تماس را با سطح خارجی لوله‌ها برقرار نماید و فرایند انتقال حرارت به بهترین شکل صورت پذیرد. برای دستیابی به ‌این مهم از قطعه‌ای به نام بافل استفاده می‌شود. بافل‌ها به دو منظور در مبدل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. هدایت سیال و نگهداشتن لوله‌ها برای جلوگیری از لرزش و جابجایی و با نصب بافل‌ها جریان عبوری سیال در پوسته تقریباً عمود بر جریان عبوری سیال داخل لوله‌ها می‌شود که ‌این امر موجب افزایش انتقال حرارت و در نتیجه ‌افزایش راندمان کار می‌گردد.

• • انواع مبدل‌های پوسته-لوله

مبدل‌های حرارتی پوسته-لوله با مقطع دایره‌ای که در پوسته‌ای استوانه‌ای شکل نصب شده‌اند ساخته می‌شوند، بطوریکه محور لوله‌ها موازی با محور پوسته است. این مبدل‌ها بصورت وسیعی بعنوان خنک‌کن‌، چگالنده و پیش‌گرمکن در نیروگاه‌ها و به عنوان مولد بخار در نیروگاه‌های هسته‌ای و در صنایع فرایندی و شیمیایی استفاده می‌شود. ساده‌ترین شکل از یک چگالنده‌ی نوع پوسته-لوله‌ی افقی به همراه اجزاء در شکل (۴-۷) نشان داده شده است.
شکل(۴-۷): چگالنده‌ی نوع پوسته-لوله‌ی افقی[۴۰]

1. 1. مبدل‌های سر ثابت(Fixed Tube Sheet Exchangers)

در مبدل‌های نوع سرثابت، صفحه لوله‌ها به پوسته جوش یا به وسیله پیچ و مهره محکم شده است، لذا با تغییرات درجه حرارت جائی برای انبساط لوله و پوسته به طور جداگانه وجود ندارد. انبساط یا انقباض هر یک از این دو جزء به تنهایی ممکن است موجب شکستن و یا خمیدگی لوله‌ها شود، لذا تغییرات درجه حرارت دو سیال که با هم تبادل حرارت می‌کنند نباید زیاد باشد. برای غلبه بر این مشکل معمولاًاز اتصالات انبساطی^[۳۴] روی پوسته‌ی مبدل استفاده می‌شود. وقتی که لوله و پوسته سرد شوند اتصال انبساطی و لوله‌ها منقبض می‌شوند و کشش وارده بر نقاط جوش‌خورده کاهش می‌یابد. به دلیل مشکلاتی که در بازرسی و تمیز کردن مبدل‌های سر‌ثابت وجود دارد عموماًدر جایی استفاده می‌شوند که احتمال کثیف شدن پوسته محدود باشد.

1. 1. مبدل‌های سر‌شناور: (Floating Head Heat Exchanger)

در این نوع مبدل‌ها، یکی از صفحه لوله‌ها بین کانال^[۳۵] و پوسته، پیچ و مهره شده و در وضعیت ثابتی قرار می‌گیرد، اما صفحه لوله‌ی دیگر در داخل پوسته به صورت شناور در آمده، امکان انبساط یا انقباض برای هر یک از دو جزء حامل سیال یعنی لوله و پوسته وجود دارد. از این رو تغییرات درجه حرارت دو سیالی که با هم تبادل حرارت می‌کنند هر چند که زیاد باشد اشکالی ایجاد نخواهد کرد.
بعد از باز کردن صفحه‌ی ثابت، دسته لوله و سر شناور را می توان مانند یک واحد یکپارچه بیرون کشید. بدین طریق امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت خارجی لوله‌ها میسر می‌گردد. ایراد این مبدل‌ها فاصله نسبتاً زیاد بین پوسته و لوله می‌باشد. این فاصله برای تطبیق دادن صفحه شناور لوله‌ها با پوسته می‌باشد. چون در این فضا نمی‌توان لوله‌ای به کار برد، این فضا بلا‌ استفاده می‌ماند و در نتیجه در مقایسه با مبدل‌های سرثابت، به ازای یک قطر معین پوسته دارای تعداد لوله‌ی کمتری بوده و بازده این مبدل‌ها کاهش می‌یابد.

1. 1. مبدل با لوله‌های U شکل: (U–Tube Exchanger)

این نوع مبدل حرارتی فقط دارای یک کانال و یک صفحه لوله می‌باشد، از این رو در مقایسه با سایر مبدل‌ها از نظر اقتصادی مناسب‌تر می‌باشد. در این مبدل‌ها، ورودی و خروجی لوله‌ها از طریق یک کانال که به دو قسمت تقسیم شده است، صورت می‌گیرد. همانطور که از نام این مبدل حرارتی پیدا است لوله‌ها به شکل حرف لاتین U ساخته می‌شوند. با باز کردن پیچ و مهره‌ها، کانال از پوسته جدا می‌شود و صفحه لوله‌ها و دسته لوله‌ها را می توان از پوسته خارج نمود به طوری که امکان تمیز کردن و بازرسی قسمت داخلی لوله‌ها وجود دارد، از طرفی نمی‌توان جریان‌های حاوی مواد جامد و کثیف را به خاطر ایجاد ساییدگی در خم موجود در لوله‌ها استفاده کرد. این مبدل‌ها برای سیالاتی به کار می‌روند که تغییرات درجه حرارت زیادی داشته باشند، زیرا انتهای U شکل لوله‌ها، امکان انبساط و انقباض را تا حد زیادی به وجود می‌آورد. از معایب این نوع مبدل‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. 1. امکان تعویض و یا تعمییر لوله‌های داخلی وجود ندارد لذا در صورت خرابی، باید این لوله‌ها مصدود شوند.

1. از آنجا که لوله‌های داخلی دارای انحنای بیشتری هستند لذا باید دارای ضخامت بیشتری باشند.