مبدل های حرارتی

Heat ExchangersShima Effatpanahi Saman Akhtarmanesh Obeid Aghaie

1

۸۷زمستان

مطالب فهرستHeat Exchangers

Bath type Shell-and-Tube Exchangers Baffles, Tubes, Tube Pitch, Shells, Options, Classification,

Selection of Types, Placement of Fluid, TEMA Classes and Tube Materials, Sizing

Double-Pipe Exchangers Plate-and-Frame Exchangers Fired Heater Heat Recovery Units Aerial Coolers An example of heat exchanger problem Softwares for design

2

حرارتي هاي : مبدل

حرارتمبدل حرارتي دستگاهي است که براي انتقال )گاز يا مايع( كه توسط يك جامد از سيالموثر بين دو

ترين يكديگر جدا مي شوند، استفاده مي شود. از رايجرادياتور شوفاژ و رادياتور خودرو مبدل هاي حرارتي

.است

تهويه مبدل هاي حرارتي در صنايع مختلف از جملهو بسياري صنايع ديگر مورد نفت و گاز ، خودرو، مطبوع

.استفاده قرار مي گيرند3

.aShell and Tube )مبدل هاي پوسته لوله اي(

.bBath Type.cPlate & Frame)مبدل هاي صفحه اي( .dAir cooler .eDirect Fire.fDouble Pipe

حرارتي هاي مبدل : انواع

4

Bath type Heat Exchangers مستقيم تماس اين نوع مبدل هاي حرارتي هم به صورت

غير مستقيم مي توانند كار كنند.تماس صورت و هم به

مستقيم عامل انتقال حرارت مستقيما" با تماس در حالت، مثل يك سيم پيچ نظر در ارتباط استدسيال مورالكتريكي.

در حالت غير مستقيم حرارت ابتدا به يك سيال واسطه براي مثال براي جلوگيري از هيدراته .منتقل مي شود

گازي از مبدل هاي حرارتي غير هاي شدن گاز در سر چاه .مستقيم استفاده مي شود

5

-Emulsion Heaterيك مثال براي اين نوع مبدلهاي حرارتي Treaterاست .

6

مبدل هاي حرارتي لوله اي متحدالمرکز(( Concentric-Tube Heat Exchangers

Parallel Flow Counter flow

اين نوع مبدلهاي حرارتي، ساده ترين نوع مبدل هاي حرارتي مي باشند.

حالت جريان متقاطع، بازدهي باالتري نسبت به حالت موازي دارد.

7

مبدل هاي حرارتي لوله اي متحدالمرکز(( Concentric-Tube Heat Exchangers

1mq U A T

1 2

11 21n /m

T TTT T

8

Parallel-Flow Heat Exchanger:

1 ,1 ,1

, ,

h c

h i c i

T T TT T

2 ,2 ,2

, ,

h c

h o c o

T T TT T

9

• Counter-Flow Heat Exchanger:

1 ,1 ,1

, ,

h c

h i c o

T T TT T

2 ,2 ,2

, ,

h c

h o c i

T T TT T

10

براي هر دو حالت برابر باشد خواهيم U.Aدر صورتي كه مقدار داشت:

شود اما در حالت Th,o در حالت موازي نمي تواند از Tc,oتوجه شود متقاطع اين امكان وجود دارد.

1mq U A T

1 2

11 21n /m

T TTT T

1 , 1 ,m CF m PFT T 11

اين نوع مبدل هاي حرارتي از مجموعه اي از لوله هاي (Tube( موازي تشكيل شده اند كه درون يك پوسته )Shell )

قرارگرفته اند.

سيال عبوري از درون لوله با سيال عبوري از درون جداره كامال" از يكديگر ايزوله مي باشند. بنابراين اين نوع مبدل ها جزء

مبدلهاي با تماس غيرمستقيم طبقه بندي مي شود.

استانداردTEMA )Tubular Exchanger Manufacturers Association( انجمن توليد كنندگان مبدل هاي لوله - که توسط

امريکا تدوين شده است - براي طراحي و ساخت مبدل هاي اي.پوسته لوله اي مورد استفاده قرار مي گيرد

اي لوله پوسته هاي Shell))مبدلand Tube

12

Shell and Tube Exchanger :

.1Shellپوسته

.2Tube Sheets

.3Channels or Heads

.4Channel Covers

.5Transverse Baffles مغشوش كننده متقاطع

One Shell Pass and One Tube Pass

13

درون سيال عبوري از ايد بTube با سرعت كافي حركت نشود و گرما توسط سيال laminarداده شود تا جريان

انتقال يابد.Tubeجداري به طور موثر به سيال درون چون هر چه جريان آشفته تر باشد انتقال حرارت بيشتر

است

طراحي اصالح شدهء ديگر به اين صورت است كه سيالبراي اين از مسير طوالني تري حركت نمايد. Tubeدرون

و يك )كالهك( Pass Partitionكار از يك Bonnet.استفاده شده است

14

Shell and Tube Exchanger

15

Baffles( ها مغشوش كننده):

•Pass Partition Baffles

•Transverse Baffles

•Impingement Baffles

•Longitudinal Baffles

16

17

Pass Partition Baffles

Transverse Baffles

18

Orifice baffles

19

Longitudinal Baffles

20

( Tube Pitch )الگوي نصب لوله ها سوراخ هاي مربوط به لوله ها نبايد خيلي نزديك به

از نظر tube sheetهم باشند، چون ممكن است ساختماني ضعيف شود.

ترتيب قرار گرفتن لوله ها مي تواند به صورت مربع يا مثلث باشد.

21

Tube )الگوي نصب لوله ها Pitch )

مزيت حالت مربعي اين است كه لوله ها براي تمييز •كردن از بيرون قابل دستر�سي هستند. همچنين افت

فشار كمتري در سيال درون پوسته كه عمود بر لوله ها در حال جريان است به وجود مي آيد. كمترين فاصلهء

مجاز به صورت فاصلهء مركز به مركز سوراخ ها اندازه گيري مي شود.

چرخانده o 45 همان الگوي مربعي است كه cشكل • حالت اصالح شدهء الگوي مثلثي dشده است. شكل

است كه قابليت تمييز كردن مكانيكي را داراست.

22

& Shell نامگذاري مبدلهاي حرارتي Tube

23

3 را با Shell & Tube مبدلهاي حرارتي TEMAدر استاندارد حرف نمايش

مي دهند. حرف اول مشخص کنندهء سر ثابت جلويي مبدل ( است. حرف دوم مشخص کنندهء نوع Front Headحرارتي )

جداره است. حرف سوم مشخص کنندهء نوع سرانتهايي مبدل ( است.Rear Headحرارتي ) 24

حرارتي هاي مبدل نامگذاري و بندي Shellتقسيم& Tube

که • حرارتي مبدل و Tube Sheetيک دارد ثابتکانال است Front Headپوشش برداشتن قابل

نوع) دارد( Aمشخصات مسيره تک پوسته ،نوع) آن( Eمشخصات داخلي قطر و 23”که

آن Tubeطول عبارت 16هاي با را است فوت: دهند مي نشان زير

SIZE 23-192 TYPE AES

25

26

& Shellانتخاب مبدل حرارتي نوع Tube

انتخاب سيال ::نکاتي را که بايد در مورد سيال درون لوله مورد توجه قرار دادمواد مورد استفاده در آلياژ بايد در برابر خوردگي و دماي باال مقاوم باشند.•سيال در فشار باالست.•سيال حاوي بخارات و گازهاي غيرقابل مايع شدن است.•، رسوب جدار داخلى ايجاد مي کند.سيال •

موارد مهمي که بايد در مورد سيال جداري مورد توجه قرار:گيرد

افت فشار کوچک مطلوب است.•سيال ويسکوزيتي بااليي دارد.•سيال بدون رسوب است.•جوشيدن سيال مطلوب است.•سيال با سرعت کم حرکت مي کند و بدون رسوبگذاري است.•

27

براي تعيين سايز لوله ها و پوسته ابتداheat Duty محاسبه مي شود.

Sizing

q = Ṁ C ∆Tq = N U A’ )LMTD( L

28

Sizing براي بدست آوردنLMTD :

.استفاده از معادله :1

29

Sizing. تعيين تعداد مسيرهاي تيوب و پوسته :2

N= required number of tubesq= heat duty,BTU/hrU= overall heat transfer coefficient,BTU/hr-ft-FLMTD= corrected log mean temperature difference,FL=Tube Length,ftA´=tube external surface area per foot of length,ft2/ft

30

Fired Heater

اين نوع مبدل هاي حرارتي به دو دسته کلي تقسيم مي شوند :

1- Direct-fired combustion equipment

2- Indirect-fired combustion equipment

31

Direct-fired combustion equipment

( تجهيزا تي هستند که در آنها شعلهflame) و فراورده هاي ( و همرفت radiationاز احتراق به طريقه ي تابش ) حاصل

(convection استفاده مي شوند براي رسيدن به مقاصد ).مطلوب

مثال هاي رايج اين نوع حرارت دهنده ها شامل دو مورد زير:است

Rotary kilns Open-hearth furnaces

32

• Rotary kilns • Open-hearth furnaces

33

Indirect-fired combustion equipment

( تجهيزاتي هستند که در آنها شعلهflame) و فراورده هاي حاصل از احتراق از هر گونه تماسي با مواد اصلي فرايند ، به

وسيله ي ديوارهاي فلزي يا نسوز جدا شده اند .

مثال هاي اين نوع شامل موارد زير است:

•Steam boilers •Vaporizers) تبخير کننده ها( •Heat exchangers)مبدل هاي حرارتي( •Melting pots)ديگ هاي ذوب(

34

قبلي : هاي مبدل با نوع اين اصلي تفاوتمبدل هاي حرارتي که قبال" بحث شدند متکي به انتقال حرارت از طريق همرفت

( بودندconduction و رسانش )

يک که fired heaterدر طور همان

نقش تابش شود مي ديده روبرو شکل در

کند مي ايفا حرارت انتقال در اي عمده

35

تقسيم بندي اصلي fired-heater ها به نحوه ي ( heating coilقرار گرفتن يا جهت سيم پيچ حرارتي )

دربخش تابش بستگي دارد و به دوکلي دسته تقسيم مي شوند:

.1 Vertical fired heater

.2Horizontal fired heater

36

Vertical fired heaterVertical fired heater

سيم پيچ هاي حرارتيfired-heater هاي ستوني به طور عمودي در ديواره محفظه احتراق قرار داده شده اند

مشخصات اين نوعheater ها عبارتند از: قيمت پايين ، بازده پايين و اشغال کمترين فضا

0.5وظايف خاص اينها از to 200 MMBtu/hr.اجرا مي شوند

37

Horizontal fired heater

سيم پيچ هاي حرارتي در بخش تابشfired-heater هاي افقي به صورت افقي آرايش يافته اند , طوريکه ديواره ها و سقف

محفظه احتراق را مي پوشاند . مشخصات اين نوعheater ، ها عبارتند از : صرفه اقتصادي

کارايي باال و ... 5وظايف خاص اين نوع to 250 MMBtu/hr . اجرا مي شود

38

heat recoveryواحد بازيافت گرما )unit)

در يک واحد بازيافت گرما ، گاز خروجي گرم روي لوله هاي باريکحامل سيالي که بايد گرم شود جريان مي يابد . گاز خروجي داغ

( درجه فارنهايت سيال درون لوله را 1200 تا 900داراي دماي ) aerialگرم مي کند به شيوه اي شبيه به کولر هاي هوايي )

cooler) . که در آن هوا سيال مورد نظر را سرد مي کند ممکن است که گرما را از گاز خروجي با قرار دادن مسير خروجي

از يک مسير غوطه ور در حمام سيال بازيافت کنيم . اين مورد آخر نسبتاٌ ناکارامد اما نصب و راه اندازي و کنترل آن

ساده است .

39

( يک واحد بازيابي sizingبه طور کلي براي طراحي )گرما ، بايد معيارهاي طراحي زير در نظر گرفته شود :

کل توان گرمايي مورد نياز براي گرم کردن سيال 1(خواص سيالي که بايد گرم شود 2(دماي خروجي سيالي که حرارت داده شده3(ارتباط عملي بين منابع گرما و وسايل استفاده کننده )براي 4(

مثال .. کدام يک از دستگاه هاي استفاده کننده به کار خود ادامه دهند وقتي که منابع خاموش شده

اند ? (دبي گاز خروجي در محدوده قابل انتظار و در انواع فشارها 5((load از حداقل تا حداکثر )

دماي گاز خروجي در محدوده قابل انتظار و در انواع فشار ها 6((load)

( خروجback pressureحداکثر فشار معکوس )7(گستره ي دماي محيط8( 40

بادي ) (aerial coolerکولرهاي

دماي نزديک تا داغ سيال يک کردن سرد براي ٌ غالبا بادي کولرهاياند شده استفاده محيط

هستند پذير انعطاف و ساده مکانيکي لحاظ از آنها کنند مي حذف را سرد منبع يک ي هزينه و زا مشکل عوامل قابليت است ممکن بادي کولرهاي گرم هوايي و آب شرايط در

- را لوله پوسته هاي مبدل اندازه به را پايين دماهاي کردن فراهمباشند نداشته کنند مي استفاده سرد محيط يک از که

41

air cooledيک مبدل شکل روبرو را نشان مي دهد

(suction)( ياورودي dischargeدر کولرهاي بادي مجموعه لوله ها در طرف خروجي ) پروانه قرار مي گيرند و بر همين مبنا به دو دسته تقسيم مي شوند :

)1forced draftوقتي که دسته لوله ها در قسمت خروجي پروانه قرار داده شوند : )2induced draft وقتي که دسته لوله ها در قسمت ورودي پروانه قرار داده شوند :

42

و air cooledجدول زير اندازه هاي معمولي اجزا يک مبدل اجزاي آن را نشان

. مي دهد

43

دماي خروجي جريان در يک کولر بادي مي تواند به وسيلهوسايل زير کنترل شود :

)1Louvers)2Fan variable speed drives)3Blade pitch)4Recirculation of process fluid

44

( وقتي که دبي و توان گرماييheat duty تغيير مي کند و همچنين دماي هوا )ازيک فصل به فصل ديگر و حتي از روز به شب تغيير مي کند , بايد يک سري

ابزارهاي تنظيم و تعديل کننده دما ساخته شود براي اطمينان از: سرد کردن به اندازه� ي کافي سيال و 1(( جريان سيال over coolحتي خيلي سرد نشدن )2( دماي خيلي پايين گاز در کولر مي تواند به تشکيل هيدرات و افزايشplug

هاي يخي منجر شود. دماي خيلي پايين روغن هاي روان کاري ( lube oil) به ويسکوزيته باال، و به

تبع افت فش�ار باال و قدرت روان کاري پايين منجر مي شود.

45

حرارتي : هاي مبدل مسائل از نمونه يک

( را طوري seawater coolerيک کولر آبي)طراحي کنيد که بتواند همه جريان خروجي از يک ميدان نمونه که در آخرين مرحله عمر خود

درجه فارنهايت به دماي 175است را از دماي . درجه برساند 100

46

مسئله هاي : داده

: خروجي• T2 = 100 0F • P2 = 990 psig• Water vapor in gas = 28

lb/MMsccf• Seawater T3 = 75 0F• Limit temperature rise to

10 0F• Use 1-in . OD 10 BWG

tubes on 1 1/4 –in

: ورودي• 100MMscf at 0.67 SG

)from table 2-10( • 6000 bopd at 0.77 SG• 15 bbl/ MMscf• T1 =175 0F• P1 =1000 psig• Water vapor in gas = 60

lb/MMscf

47

Problem:1. Calculate water flow rate in outlet and water

vapor condensed.2. Calculate heat duty.3. Determine seawater circulation rate. 4. Pick a type of exchanger and number of

tubes required.

48

Solution:1. Calculate free water and water vapor flow rates.• Water flow rate in inlet: Free water = )100 MMscfd()15 bbl/MMscfd( = 1,500 bwpd• Water flow rate in outlet: Free water = 1,500 bwpd• Water vapor condensed:

• Water flo rate in outlet:

9 bwpd + 1500 bwpd = 1509 bwpd

(60 28) 100* 3200 /lb MMscf lb dMMscf D

13200 * 9350

lb bbl bwpdd lb

49

2. Calculate heat duty

• a. Gas duty• T1 = 635°R• T2 = 560°R• Tav=597.5°R• Pc = 680 psia )Table 2-10(• PR = P/PC=1.47• Tr = 375°R )Table 2-10(• TR = Tav/Tc = 1.59• qg = 41.7)∆T(CgQg• Cg = 2.64 [29 * SG * C +

∆Cp]• C = 0.528 Btu/lb°F )Figure 2-

14(

• ∆CP = 1.6 Btu/lb-mol 0F )figure 2-15(

S = 0.67 )table 2-10( Cg =2.64[)29()0.67(

)0.528(+1.6] Cg = 31.3 qg = 41.7)100-175()31.3(

)100( = -9789000 Btu/hr•

50

• b. condensate duty qo = 14.6)SG() ∆T(COQO

Co = 0.535 Btu/lb 0F )figure 2- 13(

qo = 14.6)0.77()100175()0.535()6000(

qo = -2707000 Btu/hr • c. free water duty qw= 14.6)∆T(Qw

qw= 14.6)100-175()1509( qw= 1652000 Btu/hr

• d. water latent duty q1h = w*λ w = 3200 lb/d

)1d/24hr(= 133 lb/hr λ = -996.3 Btu/lb

)table 2- 6,170 0F( q1h = )133()-996.3( =

- 133000 Btu/hr• e . total heat duty q= -9879000 -2707000

-1652000 -133000 q= -14281000 Btu/hr

51

3. water circulation rate :

• qw= 14.6)T2-T1(Qw

• Qw = qw/14.6)T2-T1(

• Limit ∆T for water to 10 0F to limit scale

Qw = 14.3 * 106/14.6)10(

Qw = 97945 bwpd = 2858 gpm

52

4. Heat exchanger type and number of tubes

Choose TEMA R because of large size.

Select type AFL because of low temperature change and LMTD correction factor.

53

The water is corrosive and may deposit solids. Therefore, flow water through tubes and make the tubes 70/30 Cu/Ni. Flow the gas through the shell.

• Calculate LMTD : T1=175 T2=100 T3= 75 T4= 85 ∆T1= 175-85=90 ∆T2= 100-75=25 LMTD = 50.7 0F

9025

90 25

loge

LMTD

Correction factor )figure 3-10( P= )85-75(/)175-75( = 0.1 R= )175-100(/)85-75( F = 0.95

LMTD = )50.7()0.95( = 48.2 0F54

• Calculation number of tube:

Assume L = 40 ft A= 0.2618 ft2/ ft ) table 2-1(

N = 315 tubes

( )qN

UA LMTD L

614.3*10(90)(0.261)(48.2)(40)

N

55

:نکاتي در مورد مثالي که ارائه شد 30توجه کنيد که بيش از( درصد از توان گرمايي heat duty )

مورد نياز بود ، اگر مايع از condensateبراي سرد کردن آب و ابتدا جدا شده بود از يک مبدل کوچکتر و دبي آب کمتري مي

توانست استفاده شود.در بيشتر تجهيزات گازي جاهايي که سرد کردن مورد نياز است به همين دليلي که االن ذکر کرديم سرد

( را بعد از اولين تفکيک گر قرار مي دهند coolerکننده )( اکثر اوقات از يک کولر باديaerial cooler براي اين نوع )

خدمات استفاده مي کنند

63

در مراحل بعدي از وجود ما بايد گاز راco2 و H2S تصفيه کنيم اگر ما يک واحد آمين را انتخاب کنيم که در همه ي موارد محتمل •

20 تا 10است , گرماي ناشي از واکنش مي تواند گاز را بيش از درجه فارنهايت گرمتر کند .در قدم بعدي واحد نم زدايي با گاليکول

(Glycol dehydration و مشکالت آن را خواهيم داشت )دريک چنين موردي شايد بهتر اين باشد که تا گاز را از ابتدا به يک •

دماي چنان پاييني سرد کنيم به طوري که گاز در واحد نم زدايي هنوز درجه فارنهايت باشد. اغلب اوقات اين کار امکان پذير نمي 110زير

باشد چون آب سرد کننده هميشه در دسترس نيست و دماي هواي مي باشد. 0F 100 تا 0F 95محيط در رنج

اگر اينگونه باشد بنابراين شايد ضروري باشد تا از يک کولر بادي •(aerial cooler براي سرد کردن� گاز قبل شروع عمليات تصفيه )(treating) واز يکي ديگرهم براي سرد کردن آن قبل از نم زدايي

استفاده کنيم64

نرم افزارهاي متداول جهت طراحي و آناليز انواع مبدل : حرارتي عبارتند از

•

Aspentech Bjac http://www.Aspentech.com

Aspentech HTFS suite http://www.Aspentech.com

Aspentech HTFS + suite http://www.Aspentech.com

HTRI suite http://www.HTRI.net

Compress http://www.Codeware.com

65

http://www.aspentech.com/



http://www.htri.net/

http://www.codeware.com/

: منابعBook:Surface production operation, volume 2Heat exchanger design Handbook

: پايان نامهمدلسازي و شبيه سازي مبدل هاي حرارتي صفحه اي

Site:www.apiheattransfer.comwww.chemindustry.comheaterdesign.comwww.heatexchanger.com

66

Thanks For your

Attention

67

مبدل های حرارتی

Engineering