وقتی در مورد مبدل حرارتی پوسته و لوله صحبت می کنیم، معمولا اولین چیزی که در ذهن می آید یک پوسته با یک مسیر جریان است. اما در پروژه های صنعتی همیشه شرایط به این سادگی نیست. گاهی طراح نیاز دارد جریان سمت پوسته مسیر متفاوتی را طی کند و همین جا آرایش های خاص TEMA اهمیت پیدا می کنند.
Type F یکی از همین آرایش هاست. در نامگذاری TEMA، پوسته F به عنوان Two Pass Shell with Longitudinal Baffle تعریف شده است؛ یعنی در سمت پوسته دو مسیر جریان ایجاد می شود و یک بفل طولی این مسیر را از هم جدا می کند.
اگر بخواهیم این موضوع را در ساختار کلی تجهیزات ببینیم، راهنمای مبدل های حرارتی پوسته و لوله جای خوبی برای شروع است، چون Type F فقط یکی از آرایش هایی است که در خانواده مبدل های پوسته و لوله دیده می شود.
پوسته Type F در TEMA دقیقا چیست و چگونه کار می کند؟
در Type F یک بفل طولی در امتداد پوسته قرار می گیرد. وظیفه اصلی آن این است که مسیر عبور سیال سمت پوسته را به دو بخش تقسیم کند.
پس وقتی از دو پاس در Type F صحبت می کنیم، منظور دو پاس در سمت پوسته است. این نکته مهم است، چون دو پاس پوسته را نباید با دو پاس لوله یکی دانست.
در عمل، سیال از یک ناحیه وارد پوسته می شود، در مسیر مشخصی حرکت می کند و بعد از رسیدن به انتهای پوسته وارد بخش دوم مسیر می شود و به سمت خروجی برمی گردد.
همین تغییر مسیر باعث می شود طراحی هیدرولیکی و حرارتی Type F با یک پوسته یک پاس تفاوت داشته باشد.جهت بررسی دقیق تر ، مقاله استاندارد TEMA در طراحی مبدل حرارتی پوسته و لولهرو مطالعه نمایید.
تفاوت Type F و Type E در مسیر جریان سمت پوسته چیست؟
در Type E، پوسته یک پاس دارد، اما Type F با استفاده از بفل طولی دو پاس پوسته ایجاد می کند. TEMA نیز در نامگذاری رسمی خود Type E را One Pass Shell و Type F را Two Pass Shell with Longitudinal Baffle معرفی می کند.
در نتیجه تفاوت فقط در ظاهر پوسته نیست. وقتی مسیر جریان عوض می شود، سرعت جریان، افت فشار، توزیع جریان و در نهایت رفتار انتقال حرارت هم می تواند تغییر کند.
اگر بخواهیم این تفاوت را از نظر محصول هم ببینیم، در Sitemap سایت یک محصول مشخص برای مبدل حرارتی پوسته و لوله تک پاس وجود دارد که می تواند برای مقایسه عملی با آرایش های چند پاس استفاده شود.
بفل طولی در Type F چه کاری انجام می دهد؟
Longitudinal Baffle در واقع یکی از قطعات اصلی این آرایش است. بدون آن، Type F عملا شکل تعریف شده خود را از دست می دهد.
این بفل در امتداد طول پوسته قرار می گیرد و جریان را از یک مسیر به مسیر دیگر هدایت می کند. بنابراین فقط یک قطعه نگهدارنده نیست؛ روی نحوه حرکت سیال و رفتار حرارتی مبدل هم اثر دارد.
در نقشه های فنی مبدل، Longitudinal Baffle به عنوان یکی از اجزای مشخص مبدل شناخته می شود و TEMA نیز آن را در نامگذاری و دیتاشیت های خود جداگانه لحاظ کرده است.
آیا Type F همیشه انتقال حرارت بهتری ایجاد می کند؟
نه، این نتیجه گیری خیلی ساده است.
دو پاس کردن مسیر جریان می تواند در یک طراحی خاص مزیت ایجاد کند، ولی خود تعداد پاس ها تضمین نمی کند که ضریب انتقال حرارت یا ظرفیت نهایی بیشتر شود.
سرعت جریان، خواص سیال، هندسه لوله ها، بفل ها، سطح انتقال حرارت، اختلاف دما و افت فشار همگی روی نتیجه اثر دارند.
برای همین اگر هدف شما رسیدن به یک طراحی واقعی است، محاسبات طراحی مبدل حرارتی باید کنار بحث آرایش پوسته بررسی شود.
محاسبه بار حرارتی Type F از کجا شروع می شود؟
قبل از اینکه درباره Type F یا Type E تصمیم بگیریم باید مشخص باشد که مبدل قرار است چه مقدار حرارت را منتقل کند.
دبی سیال، گرمای ویژه، دمای ورود و خروج و شرایط کاری پایه محاسبه هستند.
مثلا اگر یک سیال گرم قرار باشد در مبدل خنک شود، اول باید مشخص کنیم چه مقدار انرژی باید از آن گرفته شود. بعد می توانیم درباره سطح انتقال حرارت و آرایش جریان تصمیم بگیریم.
برای این بخش، محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی ارتباط مستقیم با موضوع Type F دارد.
LMTD در Type F چه اهمیتی دارد؟
وقتی بار حرارتی مشخص شد، اختلاف دمای بین دو سیال وارد محاسبات می شود.
در مبدل های چند پاس، شرایط جریان دقیقا مثل یک Counter Flow ساده نیست. بنابراین نحوه آرایش جریان باید در محاسبه اختلاف دمای موثر در نظر گرفته شود.
رابطه کلی انتقال حرارت را می توان به صورت Q = U × A × ΔTlm × F در نظر گرفت. در این رابطه ضریب تصحیح جریان برای آرایش واقعی اهمیت پیدا می کند.
در طراحی واقعی، همین قسمت است که نشان می دهد چرا صرفا دانستن سطح مبدل کافی نیست.
افت فشار در پوسته Type F چگونه کنترل می شود؟
افزایش سرعت جریان معمولا به بهبود انتقال حرارت کمک می کند، اما در مقابل افت فشار هم بیشتر می شود.
در Type F مسیر جریان سمت پوسته به دلیل بفل طولی شکل متفاوتی دارد. بنابراین افت فشار باید در همان آرایش واقعی بررسی شود.
اگر افت فشار از مقدار قابل قبول بیشتر شود، ممکن است تجهیز از نظر حرارتی خوب باشد اما از نظر سیستم پمپاژ مناسب نباشد.
این موضوع مخصوصا در پروژه هایی که توان پمپ محدود است اهمیت بیشتری پیدا می کند.
آیا نوع سیال در انتخاب Type F تاثیر دارد؟
بله.
سیالی که ویسکوزیته بالایی دارد رفتار متفاوتی نسبت به یک سیال رقیق خواهد داشت. همین مسئله می تواند روی سرعت، ضریب انتقال حرارت و افت فشار اثر بگذارد.
در واقع انتخاب Type F قبل از شناخت سیال چندان معنی ندارد.
حتی در دیتاشیت TEMA، دمای سیال، فشار، شرایط طراحی و مشخصات ساخت به صورت جداگانه ثبت می شوند و همین نشان می دهد که آرایش پوسته جدا از شرایط سرویس قابل تصمیم گیری نیست.
Fouling چه تاثیری روی عملکرد Type F دارد؟
یک مبدل در روز اول با همان تجهیز بعد از چند ماه کار یکی نیست.
ممکن است روی سطح انتقال حرارت رسوب ایجاد شود یا شرایط جریان به مرور تغییر کند. این مقاومت اضافه در محاسبات حرارتی اثر دارد.
به همین دلیل در طراحی باید شرایط Fouled و Clean را از هم جدا دید. دیتاشیت TEMA نیز برای Fouling Resistance و انتقال حرارت مورد نیاز در شرایط Fouled و Clean فیلدهای مشخص دارد.
برای بررسی مستقل این موضوع، اثر Fouling بر عملکرد مبدل حرارتی محتوای مرتبط تری است.
Type F برای چه پروژه هایی قابل بررسی است؟
Type F بیشتر زمانی مطرح می شود که آرایش دو پاس در سمت پوسته از نظر فرآیندی توجیه داشته باشد.
این توجیه می تواند مربوط به شرایط انتقال حرارت، مسیر جریان، محدودیت های پروژه یا نیازهای خاص طراحی باشد.
اما نباید از ابتدا فرض کنیم Type F از Type E بهتر است. اول باید داده های پروژه مشخص شوند و بعد آرایش انتخاب شود.
Type F یک پوسته دو پاس با بفل طولی است. تفاوت اصلی آن با Type E در مسیر جریان سمت پوسته است، نه صرفا شکل ظاهری تجهیز.
در طراحی آن باید بار حرارتی، دبی، دما، خواص سیال، افت فشار، سطح انتقال حرارت و شرایط Fouling همزمان دیده شوند.
این نگاه باعث می شود Type F به عنوان یک انتخاب مهندسی بررسی شود، نه یک گزینه خاص که صرفا به خاطر تعداد پاس بیشتر بهتر فرض شده باشد.
طراحی Type F را از کجا باید شروع کرد؟
به نظر من اشتباه رایج این است که طراحی از انتخاب پوسته شروع شود.
در پروژه واقعی اول باید سرویس مشخص شود. سیال چیست، دبی چقدر است، دمای ورود و خروج چه مقدار است، فشار کاری و فشار طراحی چقدر است و چه مقدار افت فشار قابل قبول است.
بعد از این اطلاعات است که می شود درباره هندسه مبدل تصمیم گرفت.
برای همین معیارهای انتخاب مبدل حرارتی صنعتی قبل از انتخاب Type F اهمیت دارند. Type F باید جواب یک نیاز مشخص باشد، نه اینکه خود تجهیز تبدیل به نقطه شروع طراحی شود.
چه پارامترهایی برای انتخاب Type F مهم هستند؟
چند عدد در این تصمیم خیلی مهم هستند.
بار حرارتی، دبی هر دو سیال، دمای ورودی و خروجی، فشار طراحی، افت فشار مجاز، ضریب کلی انتقال حرارت، Fouling و جنس متریال جزو اطلاعات پایه هستند.
در کنار آنها باید شرایط کاری واقعی هم دیده شود. مثلا اگر تجهیز قرار است به صورت مداوم کار کند، شرایط راه اندازی، خاموش شدن و تغییر بار هم بی اهمیت نیستند.
دیتاشیت TEMA نیز مواردی مثل فشار، دما، تعداد پاس ها، خوردگی مجاز، بفل طولی و Expansion Joint را در مشخصات مبدل وارد می کند.
انتخاب جنس در Type F چگونه انجام می شود؟
جنس پوسته و لوله را نباید فقط با نگاه به قیمت انتخاب کرد.
نوع سیال، دمای کار، فشار، خوردگی و شرایط محیطی روی این تصمیم اثر دارند.
ممکن است یک پروژه با فولاد کربنی کاملا قابل اجرا باشد و پروژه دیگر به متریال مقاوم تری نیاز داشته باشد.
برای بررسی جزئی تر این موضوع، انتخاب جنس مبدل حرارتی باید جداگانه بررسی شود.
در خود دیتاشیت TEMA نیز برای لوله ها، پوسته، تیوب شیت، بفل ها، گسکت ها، نازل ها و اجزای دیگر بخش جداگانه ای برای Materials وجود دارد.
بفل طولی Type F چه نکته طراحی مهمی دارد؟
بفل طولی فقط برای جدا کردن دو مسیر جریان نصب نمی شود.
نحوه آب بندی آن اهمیت دارد، چون اگر جریان بتواند از مسیرهای ناخواسته عبور کند، آرایش طراحی شده دیگر همان رفتار واقعی را نخواهد داشت.
در دیتاشیت TEMA حتی نوع آب بندی بفل طولی نیز به صورت یک مشخصه مستقل ثبت می شود.
از طرف دیگر بفل باید از نظر مکانیکی هم پایدار باشد. یعنی طراحی آن فقط با محاسبه انتقال حرارت تمام نمی شود.
Type F چه تفاوتی با یک مبدل دو پاس معمولی دارد؟
اینجا باید خیلی دقت کرد.
وقتی در بازار می گوییم «مبدل دو پاس»، ممکن است منظور دو پاس در سمت لوله باشد. ولی Type F طبق نامگذاری TEMA دو پاس در سمت پوسته دارد.
بنابراین اگر یک تجهیز با عنوان Double Pass معرفی شده باشد، باید مشخص شود دو پاس مربوط به کدام سمت است.
در Sitemap سایت هم یک مبدل حرارتی دو پاس پوسته و لوله وجود دارد که برای مقایسه محصولی قابل استفاده است، اما هنگام مقایسه باید دقیقا آرایش جریان آن مشخص باشد.
Type F و Type E را از نظر عملکرد چگونه مقایسه کنیم؟
در Type E مسیر پوسته ساده تر است.
در Type F با اضافه شدن بفل طولی، مسیر جریان تغییر می کند.
این تغییر می تواند روی انتقال حرارت و افت فشار اثر بگذارد، ولی نمی توان بدون محاسبه گفت یکی در همه شرایط بهتر است.
به همین دلیل اگر پروژه واقعی داریم، مقایسه باید با همان دبی، دما، فشار و بار حرارتی انجام شود.
Type F و انتخاب نهایی مبدل حرارتی
گاهی در پروژه مهندس ابتدا نوع مبدل را انتخاب می کند و بعد تلاش می کند اعداد را با آن هماهنگ کند.
روش درست برعکس است.
اول نیاز حرارتی و فرآیندی مشخص می شود. بعد چند آرایش قابل اجرا بررسی می شوند و در نهایت گزینه ای که از نظر فنی و اقتصادی جواب می دهد انتخاب می شود.
این موضوع در پروژه هایی که قرار است مبدل برای سال ها کار کند اهمیت زیادی دارد، چون هزینه فقط قیمت خرید اولیه نیست.
عمر تجهیز و نگهداری Type F چه اهمیتی دارد؟
عملکرد خوب در روز اول کافی نیست.
رسوب، خوردگی، لرزش، تغییرات دما و فشار و شرایط واقعی بهره برداری می توانند روی عمر تجهیز اثر بگذارند.
برای همین در کنار طراحی اولیه، موضوع نگهداری هم باید دیده شود. مقاله افزایش عمر مبدل حرارتی پوسته و لوله می تواند برای ادامه این بحث استفاده شود.
در نهایت Type F زمانی انتخاب قابل دفاعی است که دلیل فنی مشخصی برای آن وجود داشته باشد و طراحی حرارتی و مکانیکی آن با شرایط واقعی پروژه هماهنگ باشد.
برای استعلام ساخت Type F چه اطلاعاتی باید آماده باشد؟
اگر قرار باشد از یک سازنده استعلام واقعی بگیریم، عبارت «یک مبدل Type F می خواهم» اطلاعات کافی نیست.
حداقل باید مشخص باشد:
سیال سمت پوسته
سیال سمت لوله
دبی هر طرف
دمای ورود و خروج
فشار کاری و طراحی
بار حرارتی
افت فشار مجاز
متریال مورد نظر یا شرایط انتخاب متریال
شرایط Fouling
استانداردهای مورد نیاز
محدودیت های ابعادی و نصب
وقتی این اطلاعات کامل باشد، سازنده می تواند درباره اندازه، سطح انتقال حرارت، تعداد لوله ها، قطر پوسته و سایر مشخصات صحبت کند.
TEMA نیز در Specification Sheet خود مجموعه ای از همین اطلاعات را برای مشخص کردن نیازهای حرارتی، مکانیکی و ساختی مبدل در نظر گرفته است.
آیا Type F از نظر اقتصادی همیشه انتخاب مناسبی است؟
نه.
ساختار Type F به دلیل بفل طولی و جزئیات بیشتر، ممکن است نسبت به یک آرایش ساده تر پیچیدگی بیشتری داشته باشد.
اما اگر شرایط فرآیند واقعا به چنین آرایشی نیاز داشته باشد، مقایسه صرف قیمت اولیه می تواند گمراه کننده باشد.
باید هزینه ساخت، افت فشار، مصرف انرژی، نگهداری، دسترسی برای تعمیر و عمر مورد انتظار را کنار هم دید.
Type F را بهتر است به عنوان یک آرایش تخصصی در خانواده مبدل های پوسته و لوله ببینیم.
نقطه اصلی آن بفل طولی و ایجاد دو پاس در سمت پوسته است. همین موضوع باعث می شود طراحی حرارتی، هیدرولیکی و مکانیکی آن با Type E یکسان نباشد.
اما انتخاب Type F زمانی معنی پیدا می کند که داده های پروژه مشخص باشند.
اگر بار حرارتی، دبی، دما، فشار، افت فشار، خواص سیال، Fouling و جنس درست تعیین شده باشند، می توان Type F را با سایر آرایش ها مقایسه کرد و به یک انتخاب قابل دفاع رسید.
در غیر این صورت، صرفا انتخاب یک Type از روی نام TEMA بیشتر شبیه حدس است تا طراحی مهندسی.
