فارسی
مقدمه
مبدل حرارتی پوسته-لوله (Shell & Tube Heat Exchanger) یکی از رایجترین تجهیزات انتقال حرارت در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهی و سرمایشی است.
عنصری کلیدی در طراحی این مبدلها، بافلها (Baffles) هستند که با ایجاد مسیر جریان کنترلشده در سمت پوسته، تأثیر مستقیم بر عملکرد حرارتی، افت فشار و اوج فشار سیستم دارند.
در این مقاله، به بررسی علمی و تجربی تأثیر هندسه بافلها بر کارایی مبدل پوسته-لوله پرداختهایم.
بافل چیست و چه وظیفهای دارد؟
بافل صفحات فلزی هستند که در داخل پوسته مبدل نصب میشوند و وظیفه هدایت جریان سیال به صورت زیگزاگی بین لولهها را دارند.
وظایف اصلی بافلها عبارتند از:
- افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته
- جلوگیری از بایپس جریان (Bypass Flow)
- حمایت مکانیکی از لولهها و کاهش ارتعاش
انواع هندسه بافلها
| نوع بافل | ویژگیها و مزایا | محدودیتها |
| بافلهای مربعی | سادگی ساخت و نصب | جریان مرده بیشتر |
| بافلهای دایرهای کامل | پوشش یکنواخت، مناسب برای سیالات متلاطم | افت فشار بالا |
| بافل نیمدایرهای | هدایت تدریجی جریان، کاهش نقاط داغ | نیاز به طراحی دقیق |
| بافل زاویه دار (Segmental) | رایجترین نوع، انتقال حرارت بالا | افت فشار نسبتاً زیاد |
| بافل مورب یا شلسیج | تعادل بین عملکرد حرارتی و افت فشار | نیازمند دقت بالا در ساخت |
تأثیر هندسه بافلها بر عملکرد حرارتی
بافل های مبدل حرارتی با تغییر مسیر جریان سیال پوسته، منجر به افزایش تلاطم و در نتیجه افزایش ضریب انتقال حرارت سمت پوسته میشوند. اما این مزیت حرارتی، در ازای افزایش افت فشار به دست میآید.
مقایسه هندسههای مختلف از نظر عملکرد حرارتی:
| هندسه بافل | انتقال حرارت (ضریب h) | افت فشار (ΔP) | تعادل عملکرد |
| زاویهدار 45° | بالا | متوسط | بسیار خوب |
| زاویهدار 25° | متوسط | پایینتر | خوب |
| بافل مربعی | پایین | پایین | ضعیف |
| بافل مورب | بسیار بالا | بالا | عالی (در طراحی پیشرفته) |
تأثیر بافلها بر اوج فشار در مبدل
در طراحی مبدل، یکی از مهمترین ملاحظات، حداکثر فشار کاری (اوج فشار) در سمت پوسته است.
هندسه بافل میتواند با تأثیر بر نحوه توزیع فشار و جریان سیال، نقاط پرفشار و فشار موضعی ایجاد کند که منجر به آسیب ساختاری یا کاهش عمر تجهیزات میشود.
عواملی که از هندسه بافل بر اوج فشار تأثیر میگذارند:
- فاصله بافلها (Baffle spacing): هرچه فاصله کمتر، انتقال حرارت بیشتر ولی افت فشار بالاتر
- زاویه باز شدن بافل (Cut angle): زوایای 20 تا 40 درجه تعادل مناسبی بین انتقال حرارت و افت فشار ایجاد میکنند
- نحوه چینش بافلها: بافلهای موازی با لولهها باعث جریان یکنواختتر و کاهش اوج فشار میشوند
نکات مهم طراحی بافل برای کنترل فشار و افزایش راندمان
- انتخاب زاویه بافل مناسب با توجه به خواص فیزیکی سیال (ویسکوزیته، دما)
- استفاده از بافلهای با Cut Angle بین 25 تا 40 درصد برای تعادل عملکرد-فشار
- بررسی افت فشار حداکثری قابلتحمل با استفاده از نرمافزارهای شبیهسازی (مثل HTRI)
- اجتناب از طراحی بافلهایی با فاصله خیلی کم که منجر به شوک فشار میشوند
- بررسی مقاومت مکانیکی لولهها در برابر لرزش ناشی از تلاطم جریان
نمونه مطالعه صنعتی از کاربرد بافل زاویهدار در صنعت پتروشیمی
در واحد مبدل حرارتی یک مجتمع پتروشیمی، استفاده از بافل زاویهدار 25 درجه با چینش شلسیج
(Shell-Segmental Baffle) باعث شد:
- راندمان انتقال حرارت نسبت به مدل قبلی ۱۸٪ افزایش یابد
- اوج فشار در سمت پوسته حدود ۱.۳ بار کاهش یابد
- جریان مرده در بخشهای انتهایی حذف شود
- دمای سیال خروجی در مدت زمان کمتر به دمای هدف رسید
جمعبندی نهایی
هندسه بافلها تأثیر مستقیمی بر عملکرد حرارتی، راندمان انتقال حرارت، و افت فشار سیستم مبدل حرارتی پوسته-لوله دارد. طراحی هوشمندانه با استفاده از بافل زاویهدار یا مورب به کاهش اوج فشار و بهبود عملکرد سیستم منجر میشود.
در پروژههای صنعتی حساس مانند پالایشگاهها، پتروشیمی، و نیروگاهها، تحلیل دقیق هندسه بافلها از منظر ترمودینامیکی و مکانیکی، یک ضرورت غیرقابل اجتناب است.
No comment