- تعیین قطر، طول و مساحت سطح تیوبها
- قطر تیوبها: قطر تیوبها باید به گونهای انتخاب شود که جریان سیال بهطور مؤثر انتقال یابد و در عین حال افت فشار حداقل باشد. قطر رایج تیوبها بین ۱۶ تا ۲۵ میلیمتر است، اما ممکن است بر اساس نیازهای طراحی متفاوت باشد.
- طول تیوبها: طول تیوبها با توجه به فضای موجود و ظرفیت انتقال حرارت مورد نیاز تعیین میشود. طول تیوبها معمولاً بین ۱ تا ۶ متر است. افزایش طول تیوبها منجر به افزایش سطح انتقال حرارت میشود اما باید تعادل با افت فشار حفظ شود.
- مساحت سطح انتقال حرارت: برای دستیابی به انتقال حرارت مطلوب، سطح کلی تیوبها باید به اندازهای باشد که بتواند نیازهای حرارتی فرآیند را تأمین کند. مساحت سطح انتقال حرارت با افزایش تعداد و طول تیوبها افزایش مییابد.
- انتخاب نوع پوسته (Shell)
- اندازه پوسته: اندازه و قطر پوسته به تعداد و قطر تیوبها، نوع آرایش و فاصله بین تیوبها بستگی دارد. پوسته باید به گونهای طراحی شود که جریان سیال پوسته به طور یکنواخت و بدون ایجاد جریان گردابی یا تلاطم نامطلوب عبور کند.
- نوع جریان پوسته: در مبدلهای Shell and Tube، جریان سیال پوسته به دو صورت موازی و ضربدری میتواند باشد. جریان ضربدری (Crossflow) به دلیل افزایش میزان اختلاط سیال و در نتیجه افزایش انتقال حرارت در بیشتر مبدلها مورد استفاده قرار میگیرد.
- انتخاب بافلها (Baffles)
- نوع بافلها: بافلها قطعات فلزی هستند که به صورت عمودی در طول پوسته قرار داده میشوند تا مسیر جریان سیال را در پوسته هدایت کنند. بافلها به جلوگیری از پدیدههای نامطلوبی مانند "بایپس" (Bypass) یا "نقطههای مرده" (Dead Spots) کمک میکنند.
- فاصله بافلها: فاصله بین بافلها باید بهگونهای تنظیم شود که از جریان سیال در مسیر مناسب اطمینان حاصل شود. فاصله بیش از حد بین بافلها میتواند باعث کاهش نرخ انتقال حرارت شود. فاصله بافلها معمولاً بین ۲۰ تا ۵۰ درصد از قطر پوسته انتخاب میشود.
- شکل و ضخامت بافلها: بافلها میتوانند به شکل "برشی"، "مستطیلی" یا "دستک دار" باشند. انتخاب شکل و ضخامت بافلها به نوع سیال و نیازهای انتقال حرارت وابسته است.
- انتخاب تعداد پاسهای تیوب و پوسته
- تعداد پاسهای تیوب: مبدلهای حرارتی میتوانند تک پاس، دو پاس و چند پاس باشند. تعداد پاسهای بیشتر باعث میشود که سیال در تیوبها طول بیشتری را طی کند که این امر باعث افزایش نرخ انتقال حرارت میشود.
- تعداد پاسهای پوسته: پوسته نیز میتواند تک پاس یا چند پاس باشد. پوسته چند پاس میتواند کارایی انتقال حرارت را بهبود بخشد، اما طراحی و ساخت آن به مراتب پیچیدهتر است.
- انتخاب مواد ساخت
- مواد تیوبها و پوسته: انتخاب مواد به نوع سیالات، دما، فشار و نیاز به مقاومت در برابر خوردگی بستگی دارد. برای مثال، در محیطهای خورنده از فولادهای ضد زنگ یا تیتانیوم استفاده میشود. در شرایط فشار بالا نیز انتخاب آلیاژهای مقاوم مناسب است.
- مواد بافلها و سرها (Heads): بافلها و سرها نیز باید از مواد مقاوم در برابر خوردگی و دما ساخته شوند. این مواد باید قابلیت جوشپذیری مناسب و خواص مکانیکی مورد نیاز را داشته باشند.
الزامات دیگر طراحی بر اساس استانداردهای معتبر
استانداردهای ASME Section VIII و TEMA
ASME Section VIII: این استاندارد برای طراحی تجهیزات تحت فشار از جمله مبدلهای حرارتی بسیار مهم است و الزامات ایمنی و فنی برای طراحی و ساخت این تجهیزات را ارائه میدهد.
استاندارد TEMA: انجمن سازندگان تجهیزات حرارتی (TEMA) نیز دستورالعملهایی خاص برای مبدلهای حرارتی ارائه میدهد. TEMA بهویژه به نوع، طراحی و الزامات عملیاتی مبدلهای Shell and Tube میپردازد.
ملاحظات ایمنی و عملیاتی
ملاحظات دما و فشار کاری: طراحی باید به گونهای باشد که تحمل فشار و دمای کاری راکتور به طور ایمن و پایدار حفظ شود.
حفاظت از خوردگی: در صورت وجود مواد خورنده، باید از پوششها یا مواد مقاوم در برابر خوردگی برای طولانیتر کردن عمر مفید مبدل استفاده شود.
سیستمهای کنترل و ایمنی: باید تجهیزاتی مانند شیرهای اطمینان و ابزارهای پایش دما و فشار نصب شوند تا در مواقع اضطراری از تجهیزات و پرسنل محافظت شود.
نتیجهگیری
طراحی و ساخت مبدلهای Shell and Tube نیازمند درک عمیق و رعایت دقیق الزامات طراحی است. از انتخاب مواد مناسب برای تیوبها و پوسته گرفته تا تعیین تعداد پاسها و بافلها، همه و همه باید به گونهای باشد که مبدل عملکرد بهینه داشته باشد و در برابر شرایط عملیاتی سخت مقاوم باشد. رعایت استانداردهای ASME و TEMA در طراحی این نوع مبدلها ایمنی و طول عمر آنها را تضمین میکند و با استفاده از آنها میتوان انتقال حرارت مؤثر و قابل اعتمادی را در سیستمهای صنعتی برقرار ساخت.