مبدلهای پوسته – لوله پرکاربرد ترین مبدلهای در صنعت می باشند . این مبدلها دارای آرایشهای جریان موازی همسو ،غیر همسو و جریان مخالف هستند . بسته به تعداد مسیر پوسته و لوله ، این مبدل ها انواع مختلفی دارند . ساده ترین آنها شامل یک مسیر لوله می باشد و برای اینکه سیال سمت پوسته عمود بر لوله ها حرکت کند و اغتشاش جریان و در نتیجه ضریب انتقال حرارت در این سمت افزایش یابد ، ازصفحات نگهدارنده استفاده می شود.

اجزای مختلف مبدل های پوسته – لوله

   بطور کلی مبدلهای پوسته – لوله دارای اجزای زیر می باشند:

1. پوسته و نازل های روی آن
2. لوله ها
3. صفحه لوله ها
4. مجاری سیالات
5. درپوش های مجرا
6. بافل ها
7. میله های مهار و فاصله اندازه بافل ها: موانع مغشوش کننده با کمک میله های نگهدارنده ( که بین لوله ها و موازی با آنها قرار می گیرند ) در جای خود استقرار می یابند . این میله ها به صفحه نگهدارنده لوله ها پیچ شده اند و فاصله بین موانع را ثابت می نماید .

• پوسته

     قسمت میانی بدنه که بین دو کلگی قرار دارد ، پوسته نامیده می شود . دسته لوله در فضای خالی پوسته قرار می گیرد و انتقال حرارت بین سیال جاری در لوله و سیال داخل پوسته در این قسمت انجام می گیرد . از جمله پارامترهای مهم در طراحی یک مبدل ، قطر پوسته و ضخامت آن است . این پارامترها بر اساس میزان انتقال حرارت مورد نیاز و همچنین بسته به میزان وجود عوامل خورنده که منجر به خوردگی پوسته خواهند شد تعیین می شود . بدیهی است هر چه قطر و ضخامت پوسته زیادتر شود هزینه ساخت مبدل نیز افزایش می یابد . انواع مختلف پوسته براساس نوع آرایش نازل های سمت پوسته و بافل های عرضی و طولی موجود روی لوله از یکدیگر متمایز می شوند . با یک محاسبه سر انگشتی می توان گفت که هزینه پوسته معمولاً بیشتر از لوله ها می باشد بنابراین برای تهیه مبدل با قیمت پایین تر بهتر است قطر پوسته کمتر بوده و سطح مورد نیاز با افزایش طول جبران گردد .

• لوله ها

     دو سیالی که در مبدل در حال تبادل حرارت هستند به وسیله سطحی نفوذ ناپذیر از یکدیگر جدا شده اند . این سطح در مبدلهای پوسته – لوله ، جداره لوله هاست . لوله ، محل گذر یکی از سیالات و پوسته ، محل گذر سیال دیگر است . لوله ها درون پوسته مبدل قرار دارند و جداره آنها محل انتقال حرارت بین دو سیال می باشد . بسته به میزان خورندگی محیط بایستی لوله ها را از جنس های مختلفی مانند مس ، فولاد ضد زنگ و ... ساخت .

هر چه قطر خارجی لوله کوچکتر باشد ، در یک حجم معین تعداد بیشتری لوله را می توان قرار داد ، در نتیجه سطح انتقال حرارت بیشتری نیز وجود خواهد داشت ، ولی همیشه نمی توان از قطرهای کوچک استفاده کرد. بعضی مواقع سیال ، رسوب زا بوده و جرم گرفتگی در لوله های با قطر کوچک بیشتر از لوله های با قطر بزرگ می باشد . هر چه ضخامت لوله کمتر باشد بهتر است زیرا هزینه لوله کشی کمتر می شود و هر چه قطر مبدل کمتر و طول دسته لوله زیادتر باشد مبدل ارزانتر خواهد شد .

   لازم به ذکر است تعداد لوله ها در یک مبدل حرارتی پوسته – لوله بستگی به میزان دبی سیال و افت فشار مجاز دارد. تعداد لوله ها در یک مبدل طوری انتخاب می شود که سرعت سیال داخل لوله ( آب و یا سیال مشابه آن ) بین  3- 8  فوت بر ثانیه و سرعت داخل پوسته  2- 5 فوت بر ثانیه باشد.

ضخامت لوله با توجه به فشار داخلی و خارجی لوله ها یا بیشترین اختلاف فشار تعیین می شود . همچنین طول استاندارد برای لوله  9، 12، 16 ، 20 و 24 فوت  می باشد .

• صفحه لوله

     این صفحه دایره ای شکل بوده و روی سطح خود دارای تعدادی سوراخ مساوی با تعداد لوله هست . این صفحات بین پوسته و کلگی ها قرار می گیرند تا از اختلاط سیالات سمت لوله و پوسته جلوگیری کنند . انتهای لوله ها در این سوراخ ها قرار گرفته و بسته به طراحی ، با روش هایی نظیر جوش دادن و یا رزوه کردن به صفحه لوله متصل شده و در جای خود ثابت می گردند . به قطر خارجی روی صفحه لوله که در آن لوله ای وجود ندارد ، OTL گویند . برای تسهیل قرار دادن لوله در ان سوراخها بین دیواره سوراخ و جداره خارجی لوله مطابق با استاندارد ، فاصله ای درنظر می گیرند که به آن Tube Junction گفته می شود . برای محکم کردن لوله در سوراخ های صفحه لوله از روشهای گوناگونی مانند جوش دادن یا رزوه کردن استفاده می شود . برای سیالاتی که خورنده باشند روش جوش دادن مناسب نمی باشد زیرا در این صورت بین جداره لوله و بدنه صفحه لوله فاصله ای باقی می ماند و به مرور زمان سیال سمت پوسته وارد این فضا شده و جوش را از بین می برد .

در مبدل های صفحه لوله ثابت برای وصل کردن صفحه لوله به پوسته و درپوش دو حالت وجود دارد:

1. از هر دو طرف جوش داده می شود
2. از طرف پوسته جوش داده شده و از طرف درپوش بصورت اتصال فلنجی و واشری می باشد

• آرایش لوله ها

     به نحوه قرار گیری سوراخ های روی صفحه لوله ، و یا چیدمان صفحه لوله گفته می شود . این سوراخ­ها محل تماس لوله به صفحه لوله هستند . بنابراین نحوه آرایش آنها بستگی به نحوه قرار گرفتن لوله ها دارد . تعداد گذرهای لوله نیز با افزایش صفحه جداکننده که در داخل کلگی قرار می­گیرد روی نحوه آرایش تأثیر می گذارد ، زیرا برای متصل کردن صفحه جدا کننده ، محلی را برای آن روی صفحه لوله ها در نظر می گیرند . از پارامترهای مهم در آرایش لوله ها ، فاصله لوله ها از یکدیگر و زاویه قرار گیری آنها نسبت به هم است.

لوله ها می توانند نسبت به یکدیگر چهار نوع آرایش داشته باشند : 

1. مثلثی با زاویه 30 درجه
2. مثلثی با زاویه 60 درجه
3. مربعی با زاویه 90 درجه
4. مربعی با زاویه 45 درجه 

انتخاب هر یک از این چهار وضعیت بستگی به شرایط رسوب گذاری و عواملی دیگر نظیر افت فشار دارد . حداقل فاصله بین لوله ها معادل 1/25 برابر قطر لوله ها می باشد . در فرآیندهای رسوب زا که نیاز به تمیزکاری مکانیکی است از آرایش 90 درجه استفاده می گردد . لازم به ذکر است که آرایش 30 درجه بیشترین و 90 درجه کمترین تعداد لوله در پوسته را فراهم  می نماید . در سیال تمیز سعی می شود از آرایش 30 درجه استفاده گردد.

• بافل ها

     بافل ها از اجزای بسیار مهم مبدل می باشند که در شکل گیری جریان مناسب برای رسیدن به ضریب انتقال حرارت بالا نقش مهمی را ایفا می کنند . معمولاً در طول مبدل از چندین بافل استفاده می شود که به فاصله بین این بافل ها baffle spacing گفته می شود . معمولاً فاصله بافلها را بین 0/2 تا 0/1 برابر قطر پوسته در نظر می گیرند. هر چه فاصله بافلها کمتر باشد ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد اما موجب افت فشار بیشتری هم می شود . بافلها به چهار گروه اصلی دسته بندی می شوند :

1. بافلهای عرضی
2. بافلهای طولی
3. بافل های نگهدارنده
4. بافل های صفحه برخورد

بافلهای عرضی : نقش بافلهای عرضی ، ایجاد جریان متقاطع درون پوسته مبدل می باشد . جریان متقاطع در پوسته باعث می شود که تمام لوله ها در فرآیند انتقال حرارت سهم داشته باشند . بدین ترتیب از ایجاد نقاط کور در مبدل جلوگیری می شود . علاوه بر آن بافلهای عرضی نقش نگهدارنده را نیز ایفا کرده از ارتعاش لوله ها در شدت جریان های بالا جلوگیری می کنند. بافل طولی: بافل طولی ، صفحه ای تخت و افقی است که بین لوله ها قرار می گیرند و از یک سر به صفحه لوله متصل است . با قرار دادن بافل طولی می توان تعداد گذرهای پوسته را افزایش داد .

بافل نگهدارنده : بافل های نگهدارنده ، بافل هایی هستند که تنها برای نگه داشتن و تقویت لوله ها بکار برده می شوند و هیچ تأثیری در افزایش انتقال حرارت و یا افت فشار ندارند . شکل آنها بصورت دایره ای کامل و سوراخدار است و در پوسته های نوع K ، X و H از استاندارد TEMA استفاده می شود .

بافل صفحه برخورد : اگر جریان ورودی به پوسته دارای سرعت زیاد باشد و یا حاوی ذرات جامد (­و با قطرات مایع در بخار­) باشد ، لوله به مرور زمان تحت سایش قرار گرفته و حتی تغییر شکل می دهد . صفحه ای است که در زیر نازل ورودی پوسته و بالای لوله ها نصب می شود و از آسیب دیدن لوله ها جلوگیری می نماید .

• میله های مهار و فاصله انداز بافل ها:

میله مهار ، یك میله تو پر است كه در بین لوله ها قرار می گیرد و وظیفه آن جلوگیری از ارتعاش دسته لوله است . این میله از یك سر به صفحه لوله وصل شده و سر دیگر آن آزاد است . تعداد این میله ها با افزایش قطر ، ‌افزایش می یابد.

• دسته لوله

     مجموعه لوله ها واتصالات داخلی مبدل كه درداخل پوسته قرار می گیرد، دسته لوله نام دارد . این مجموعه متصل به هم را می توان در هنگام شستشو و تعمیرات داخلی از مبدل خارج نموده و بعد از تعمیرات دوباره در پوسته قرار داد . اجزای یك دسته لوله عبارتند از : لوله ها ، بافلها ، صفحه لوله ، میله های مهار ، فاصله انداز بافل ها و صفحه برخورد.

     قطر دسته لوله تنها بستگی به تعداد لوله ها ندارد بلكه به تعداد گذرهای لوله نیز بستگی دارد زیرا باید به ازای این گذرها فضای خالی روی صفحه لوله در نظر گرفته شود تا صفحات جدا كننده گذرها روی آن تعبیه گردد .

• اتصالات انبساطی

     بعلت نوسانات دمایی ناگهانی ، لوله ها و دیگر تجهیزات داخل مبدل دچار تغییر طول می شوند . اگر این تغییر طول در طراحی مبدل لحاظ نشده باشد ، ممكن است باعث شكستگی لوله و خرابی لوله گردد . برای جلوگیری از این امر از قطعه ای به نام Expansion Joint استفاده می شود . این قطعه نیروی ناشی از تغییر طول را كاهش می دهد . این قطعه معمولاً به شكل دایره و یا مربع ، از جنس فولاد و یا از جنس پوسته ساخته می شود و معمولاً مبدلهای صفحه لوله ثابت به كار گرفته می شود.

انواع مبدلهای پوسته – لوله

• مبدل با صفحه نگه دارنده ثابت لوله ها

     در این نوع مبدلها صفحه لوله ها به پوسته جوش داده می شوند . داخل لوله ها را می توان با جدا كردن درپوش و یا كل كلگی عقب ، به صورت مكانیكی تمیز كرد . ولی از آنجا كه نمی توان پوسته راجهت تمیز كاری خارج لوله ها باز كرد ، تنها از روشهای شیمیایی می توان استفاده نمود . تعویض دسته لوله در این مبدلها جز با بریدن پوسته امكان پذیر نیست . اما می توان لوله های معیوب را جایگزین نمود . در صورت عدم تعویض لوله ها می توان لوله های معیوب را كور نمود . از سوی دیگر چنانچه پوسته و صفحات نگهدارنده لوله ها یك پارچه بوده و اختلاف دما بین پوسته و لوله زیاد باشد ، انبساطهای حرارتی جزئی به وجود آمده و در هنگام عملیات ایجاد تنشهایی روی صفحات نگه دارنده می نماید . این تنش ها علاوه بر اینكه باید در حین عملیات معمول مبدل در نظر گرفته شود ،‌ باید در شرایط حاد راه اندازی نیز لحاظ گردد . به عنوان مثال برای كاهش این تنشها از یكسری اتصالات انبساطی روی پوسته استفاده می شود .

• مبدل با در پوش شناور- صفحه نگهدارنده شناور لوله ها

     در موارد حاد در صورتی كه اختلاف دما از 200 درجه فارنهایت بیشتر باشد، از درپوش شناور استفاده می شود، انتهای دسته لوله ها در یك صفحه نگهدارنده شناور یك درپوش دارد كه قابلیت تحرك فوق العاده ای داشته و یا حتی كل مجموعه لوله ها رامی توان از انتهای مجرا بیرون كشید .

• مبدل با خم U شكل لوله ها

     این نوع مبدل دارای یك دسته لوله می باشد و سر دیگر لوله ها در داخل پوسته آزاد می باشد و سر دیگر لوله ها در داخل پوسته آزاد می باشد . بنابراین مشكل انبساط لوله ها به علت اختلاف دما رفع می گردد . دیواره خارجی لوله ها جهت تمیز كاری مكانیكی و یا شیمیایی قابل جدا شدن از پوسته می باشد . اما تمیز كاری بخش داخلی لوله ها تنها به رو شیمیایی امكان پذیر است . بنابراین در این نوع مبدل سیال رسوب زا نباید به بخش لوله ها فرستاده شود .

• مبدل Kettle Reboiler

     در موادری كه سیال عبور كننده از پوسته در حال جوشیدن است معمولاً‌ پوسته بزرگ در نظر گرفته می شود تا جوشش و آزاد شدن بخارها به راحتی صورت پذیرد . چنین مبدلهایی بهKettle Reboiler معروفند . حجم فضای بخار بستگی به تعداد نازل های بخار ،‌ میزان بخار تولیدی ،‌چگالی بخار تولیدی و كیفیت بخار از نظر میزان ماندگی مایع ، دارد . اما معمولاً‌ این فضا یك سوم قطر برج در نظر گرفته می شود . از سوی دیگر عمق فضای لازم برای بخار نباید كمتر از 9 اینچ باشد .

انواع مبدلهای پوسته – لوله بر اساس تقسیم بندی ‌TEMA

     آشنایی با لوله و اصطلاحاتی فنی سازندگان تجهیزات انتقال حرارت برای یك مهندس فرآیند بسیار مهم است . براساس نحوه نامگذاریTEMA بر حسب اینكه اجزای مختلف یك مبدل چگونه انتخاب و ساخته شوند و نامگذاری صورت می پذیرد . برای نام هر مبدل ، سه حرف اختصاری بكار می رود . حرف اول و سوم نوع كلگی جلو و عقب و حرف وسط نوع پوسته و تعداد مسیر گذرهای آن را معین می نماید . در جدول ضمیمه شده، انواع مختلف كلگی جلو و عقب و پوسته كه ممكن است در ساخت مبدل های پوسته – لوله مورد استفاده قرار گیرد براساس استاندارد TEMA آورده شده است .