مبدل حرارتی مارپیچی (Helixchanger)
در طی سال های گذشته انواع مختلفی از بافل‌ها در مبدل های حرارتی پوسته لوله‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند و همواره هدف از ارائه طرح های جدید این بوده است كه با وجود افزایش نرخ انتقال حرارت مبدل، مقدار افت فشار جریـان سمـت پوسـته در حـد معقولـی باقی بمــاند. در همـیـن راستـا و با تـوجـه بـه اهمـیت ایـن موضـوع واحـد R&D شرکت پارس نوآور نفت آب سهند در سال 1386 موفـق به ساخت مبـدل حــرارتــی مارپیـچی (Helixchanger) به سفارش واحد بوتن شرکت پتروشیمی تبریز گردید.
رایج ترین نوع این بافل‌ها یعنـی بافل های معمولی باعث می‌شوند كه سیال درون پوسته در یك مسیر زیگزاگ و پرپیچ و خم از روی لوله‌ها عبور نمـاید. این عامل سبـب می‌گردد كه به علت افزایش یافتن توربولانس و یا به عبارتی اختلاط محلی جریان در سمت پوسته، انتقال حرارت افزایش یابد. بسته به تلرانس های ساخت، مبدل های حرارتی با بافل های معمولی دارای مقدار قابل ملاحظه‌ای جریان های نشتی و جریانهای میانبر در بین بافل و پوسته و یا لوله‌ها خواهد بود. این جریانهای نشتی و میانبر باعث می‌شوند كه دبی موثر جریان در اطراف مجموعه لوله‌ها كاهش یافته و در نتیجه ضریب انتقال حرارت سمت پوسته نیز كاهش یابد. اگر چه عبور جریان با دبی زیاد از روی مجموعه لوله‌ها از نقطه نظر بهبود انتقال حرارت مطلوب می‌باشد ولی این امر می‌تواند باعث ارتعاش شدید لوله‌ها در اثر عبور جریان بشود كه این عامل نیز به نوبه خود موجب كاهش عمر كاركرد مبدل شده و در نهایت منجر به از كار افتادن آن خواهد شد.
علل استفاده از بافل های مارپیج بجای بافل های معمولی
بررسی‌ها نشان می‌دهد استفاده از بافل های مارپیچ تاثیر بسزائی در افزایش راندمان حرارتی و کاهش رسوب تحت شرایط فرآیندی یكسان دارد. همچنین بافل های معمولی یکی از عوامل مهم ایجاد رسوب در سمت پوسته مبدل های حرارتی می‌باشند دلیل این امر ایجاد جریانهای گردابی و همچنین سرعت پائین سیال در سمت پوسته این نوع از مبدل های حرارتی می‌باشد که برای رفع این مشکل یکی از روشهایی که امروزه بکار برده می‌شود استفاده از بافل های مارپیچی به جای بافل های معمولی می‌باشد که با تغییر جریان سمت پوسته، میزان رسوب را در حد قابل توجهی کاهش می‌دهد.
شکل(1): رسوب و خوردگی در مبدل با بافل های معمولی
بررسی‌ها نشان می‌دهد برای تمامی زوایای مارپیچ و افت فشار یكسان، ضریب انتقال حرارت مبدل با بافل های مارپیچ بیشتر از مبدل با بافل های معمولی خواهد بود و همچنین ماكزیمم ضریب انتقال حرارت در حالتی كه زاویه مارپیچ بافل‌ها برابر 40 درجه باشد حاصل می‌گردد.
شکل(2): نحوه آرایش و چگونگی ایجاد جریانهای گردابی در بافل های معمولی
برای پرهیز از این نوع جریان های گردابی و یكنواخت كردن پروفیل سرعت سیال سمت پوسته، بافل های مارپیچ در صنعت به کار گرفته شدند. این نوع از بافل‌ها به دلیل شکل خاص خود می‌توانند باعث ایجاد سرعت یکنواخت در سمت پوسته شده و همچنین کاهش رسوب درسمت پوسته گردند. این نوع از بافل‌ها باعث می‌شوند تا مدت زمان کارکرد مبدل های حرارتی بدون نیاز به تمیز کردن به دو تا سه برابر مبدل های حرارتی با بافل های معمولی برسد.
شکل :(3) نحوه آرایش و شکل جریان در بافلهای مارپیچ
شکل هندسی بافل مبدل های حرارتی مارپیچ
صفحاتی به شكل قطاعی از یك بیضی طراحی شده و در كنار هم طوری قرار داده شدند تا سطحی را شبیه به یك مارپیچ بوجود آورند كه این نوع بافل‌ها همان بافل های مارپیچ (Helixchanger) نامیده می‌شوند هر كدام از بافل‌ها 1/4 بصورت زاویه دار نسبت به محور مبدل حرارتی قرار داده می‌شوند و این قابلیت ویژه را دارند كه بوسیله آنها می‌توان به شرایط مطلوب جریان در سمت پوسته یعنی جریان كاملا غیرمختلط دست یافت.
مزایای بافل های مارپیچ
بافل های مارپیچ جایگزین بسیار مناسبی برای بافل های معمولی می‌باشند زیرا بسیاری از مشكلاتی را كه در بالا برای بافل های معمولی ذكر شد، كاهش داده یا بطور كلی از بین می‌برند. بعضی از مزیت هایی كه بافل های مارپیچ در اختیار می‌گذارند عبارتند از:
1- بهبود انتقال حرارت سمت پوسته
2- كاهش افت فشار سمت پوسته به ازای یك دبی جریان مشخص
3- كاهش اثرات ناشی از جریانهای میانبر
4- كاهش رسوب گذاری در سمت پوسته و جلوگیری از ارتعاشات القا شده توسط جریان
کاربرد مبدل های حرارتی مارپیچی
استفاده از مبدل حرارتی با بافلهای مارپیچ با نام تجاری (Helixchanger) در مواردی كه ضریب انتقال حرارت سمت پوسته كنترل كننده باشد و یا در مواردی كه كاهش افت فشار سمت پوسته مطلوب باشد، بسیار سودمند خواهد بود. همچنین در مواردی كه سیال سمت پوسته خاصیت رسوب گذاری قابل توجهی داشته باشد و یا ارتعاشات دسته لوله‌ها بر اثر جریان راه حل بسیار مفیدی پوسته مطرح باشد استفاده از خواهد بود. کاربردهای رایج این تكنولوژی عبارتند از:
1- صنایع پتروشیمیایی و پالایشگاهی
- نفت خام / واحدهای تقطیر خلائی
- واحدهای كراكینگ Hydro-tresting ,ThermalConversion
- تولید هیدروژن / واحدهای خالص سازی
- واحدهای تولید اتیلن
2- صنایع فرآیندهای شیمیایی
- فرآیندهای حساس به درجه حرارت
- ارزیابی حرارتی Feed/Effuent
3- صنایع نیروگاهی
- نیروگاه های سیكل تركیبی
- سیستم های حرارت منطقه ای
4- صنایع چوب و كاغذ
5- واحدهای بازیاب حرارتی وكولینگ
شکل (4): طراحی مبدل حرارتی مارپیچی