1

Heat Exchangers and Heat Transfer

2

Heat Exchangers and Heat Transfer

The course introduction could also include topics such as:

Introduction to heat transfer; Temperature and heat; Modes of heat transfer; Heat transfer between fluids; and The function of heat transfer equipment. The topics should include: Types of heat exchangers at Mopco Heat exchanger operation; and Heat exchanger problems.

3

Introduction to heat transfer

4

A process plant includes many different process and support systems to change raw materials into products by heating or cooling them

Among the many different devices that operate on the principles of heat transfer are boilers, coolers, and condensers.

These devices and others are commonly referred to as heat transfer devices, or heat exchangers.

تتضمن العمليات فى المصنع العديد منالظنظمة التى تؤدى الى تحويل المادة

الخام الى المنتج النهائى ومن بينها الظنظمة التى تعتمد على التبريد والتسخين

ومن بين تلك الظنظمة الغلياتوالمبردات والفران والمكثفات

وتندرج تلك المعدات تحت ما يسمىالمبادلت الحرارية

Introductionمقدمة

5

مبادئ التنتقال الحراريPrinciples of heat

transfer It is very important to

study the basics of heat transfer to understand the operation of such devices

A temperature difference is necessary for a heat transfer process to take place .

Heat is transferred from the hot bodies to cold bodies

ومن المهم هنا ان ظندرس مبادئأظنتقال الحرارة لكى ظنفهم كيفية

عمل تلك الهجهزة والشرط الساسى لظنتقال الحرارة

هو وهجود فرق فى درهجات الحرارة

وتنتقل الحرارة من الجسم الساخنالى الجسم البارد الى أن يحدث

بينهما أتزان حرارى

6

تأثير أضافة الحرارةEffects of Heat Addit ion

Adding heat may cause some or all of the following effects

1. Increase the temperature

2. Increase the pressure

3. Phase change

تصاحب بعض أو كلالنتائج التالية عملية أضافة

الحرارةأرتفاع درهجة الحرارة.1أرتفاع الضغط.2تحول المادة من صورة الى .3

أخرى (من سائل الى غاز أو من صلب الى سائل)

7

Temperature and heat

8

آلية أتنتقال الحرارةThe Process of Heat

Transfer Heat can be defined as

energy that is moving from one place to another or from one substance to another.

The movement is due to the temperature difference between substances.

Temperature differences are very important to the process of heat transfer.

تعرف الطاقة الحراريه بأظنها الطاقهالمنتقلة من ظنظام الى أخر أو من مادة الى

أخرى ويحدث أظنتقال الطاقه ظنتيجة وهجود

أختلف فى درهجات الحرارة بين المادتين ووهجود الختلف فى درهجة الحرارة

ضرورى لعملية أظنتقال الحرارة

9

Effects of Pressure The boiling point of any fluid

is affected by both temperature and pressure.

The temperature at which boiling takes place at a given pressure is referred to as boiling temperature, and the pressure at which boiling takes place for a given temperature is referred to as vapor pressure.

The boiling temperature of water is different at different pressures.

يتوقف غليان لى مائع عل ضغط المائعودرهجة حرارته

وتختلف درهجةحرارة الغليان للماءبأختلف ضغطه

10

Modes of heat transfer

11

آليات أتنتقال الحرارةModes of Heat Transfer

Conduction Convection Radiation

التوصيلالحملالعشعاع

12

التوصيل Conduction

Conduction is the process of heat transfer through the material due to the temperature difference

التوصيل الحرارى هى عمليةأظنتقال الحرارة عبر المادة عادة ما تكون صلبة ظنتيجة

أختلف درهجة الحرارة

13

أتنتقال الحرارة بالتوصيلالعوامل التي تؤثر على Factors Affecting Heat Transfer By

Conduction

1. Thermal conductivity (Material)

Heat Transfer rate increases by increasing thermal conductivity

Thermal conductivity depends on the type of the material.

للمادةمعامل التوصيل الحرارى .1

كلما زاد مقدار المعامل كاظنت الحرارة المنتقلة عبر هذا الجدار عالية

ومعامل التوصيل الحرارى للمعادن تكون عالية وتختلف بأختلف المادة فالنحاس يكون أكبر من

اللوموظنيوم والحديد

14

أتنتقال الحرارة بالتوصيلالعوامل التي تؤثر على Factors Affecting Heat Transfer By

Conduction

2- The temperature difference between the metal surfaces

3- The area of heat transfer

مقدار الفرق بين درجة حرارة - 2 فكلما زاد الفرق جهتي المعدن

كان مقدار الحرارة المنتقلة اكثر و العكس صحيح

مساحة الجدار المعدتني- 3فزيادة مساحة الجدار يزيد من

امكاظنية اظنتقال الحرارة بين المادتين الموهجودة على هجاظنبي

هذا الجدار المعدظني

15

أتنتقال الحرارة بالتوصيل على مؤثرةالعوامل الFactors Affecting Heat Transfer By

Conduction

4- Material thicknessif the thickness increases

the rate of heat transfer decreases

حيث يقل سمك المعدن- - 4مقدار الحرارة المنتقلة كلما

زاد سمك الجدار الذي يفصل بين المادتين

وبالعكس كلما قل سمك هذا الجدار زاد اظنتقال الحرارة

16

تأثير الرواسب على معدل أنتقال الحرارةEffect of scales of heat transfer

rate

The effect of scale or deposits on the heat transfer rate can be explained by understanding the conduction.

If the thickness of scale increases and has lower thermal conductivity, the rate of heat transfer decreases as explained in the following figure.

ومن الظواهر التى يمكن تفسيرهاعن طريق فهم أنتقال الحرارة

بالتوصيل هى تأثير الرواسب على عملية أنتقال الحرارة فكلما زاد سمك الرواسب قل معدل أنتقال

الحرارة وكلما قل معامل التوصيلية للمادة المترسبة قل

معدل أنتقال الحرارة كذلك كما هو موضح بالشكل التالى

17

أنتقال الحرارة فى الغلاياتHeat Transfer in a Boiler

Most boiler furnaces have burners as a heat source. As indicated, burning fuel in a boiler produces radiant energy, which travels through the combustion area of the boiler.

As the radiant energy makes contact with the outer surfaces of the water tubes, the tubes absorb the radiant energy and transfer its heat by conduction to the water in the tubes.

Convection heat transfer is also occurring, because the hot gases produced by the burning fuel transfer heat to the water tubes, as well.

اغلب الغليات تمتلك مواقد كمصدرللحرارة وعملية أحتراق الوقود تنتج طاقة

أشعاعية تنتقل عن طريق االهب الى سطح مواسير الماء

وعند سقوط الطاقة الشعاعية الى سطحمواسير الماء فأنها تنتقل الى الماء عبر

سمك المواسير الى الماء عن طريق التوصيل

وكذلك تنتقل جزء من الطاقة عن طريقالحمل نتيجة لملمسة الغازات الساخنة

لجدار مواسير الماء

18

أنتقال الحرارة فى الغلاياتHeat Transfer in a Boiler

19

أنتقال الحرارة فى الغلاياتHeat Transfer in a Boiler

The heat transfer that takes place in a boiler furnace is a good example of the three modes of heat transfer:

Conduction, heat transfer through the tube walls to the water in the tubes.

Convection, heat transfer from the hot combustion gases to the water in the tubes.

Radiation, burning fuel transferring heat to the combustion gases and the tube walls.

ويعتبر أنتقال الحرارة خللالغلية مثال واضح لليات أنتقال

الحرارة : التوصيل خلل جدار المواسير

للماء الحمل من غازات الحتراق للماء

فى المواسير الشعاع من خلل اللهب الى جدار

المواسير

20

Heat transfer between f luids

21

أنتقال الحرارة خلل الجدار الصلبHeat Transfer through a Solid

Boundary During the heat transfer

process, heat transfers from the hot fluid to the cold fluid.

Because the composition of the wall does not change, the heat transfer rate across the wall is determined by the temperature difference between the fluids.

A greater temperature difference increases the rate of heat transfer, while a lesser temperature difference decreases the rate of heat transfer

تنتقل الحرارة من المائع الساخن الىالمائع البارد

كلما زاد فرق درجة الحرارة كلما زادمعدل أنتقال الحرارة

22

العوامل المؤثرة على أنتقال الحرارة بين مائعيينFactors that Affect Heat Transfer

between Fluids

H. Thermal conductivity

Every substance has a definite thermal conductivity which affects the amount of heat transferred. Metals are good conductors while wood and carbon are very poor conductors.

معامل أنتقال الحرارة بالتوصيل المعادن تكون أفضل من المواد

الغير المعدنية من حيث معامل أنتقال الحرارة بالتوصيل

23

العوامل المؤثرة على أنتقال الحرارة بين مائعيينFactors that Affect Heat Transfer

between Fluids

I . Velocity of the f luids in the tube

The velocity affects the fouling, with higher velocities reducing the possibility of scale or dirt deposits on the tubes. An increase in the velocity of the fluids increases the heat transfer rate

سرعة الموائع فى المواسير كلما زادت السرعة يزيد معدل

أنتقال الحرارة وكلما زادت السرعة يقل معدل

تكون ترسبات

24

العوامل المؤثرة على أنتقال الحرارة بين مائعيينFactors that Affect Heat Transfer

between Fluids

K. Direction of f low of the l iquids exchanging

When using identical equipment with equal rates of flow, the one with counter-current flow and the other with parallel (co-current) flow, the final temperature will be higher with counter current flow.

أتجاه سرايا ن المائعين اللذا ن ايتبدل نالحرارة

عندما يتبادل مائعان الحرارة بمبادلينمتشابهين وبنفس معدل السريان فأن

المبادل الذى يكون أتجاه سريان المائعين متضادان يكون فرق درجة الحرارة أكبر

من المبادل الذى يكون أتجاه سريان المائعين متوازيان

25

العوامل المؤثرة على أنتقال الحرارة بين مائعيينFactors that Affect Heat Transfer

between Fluids M. Fouling or Scale

Buildup Another factor that can affect

heat transfer is the buildup of solid impurities on the walls of heat exchanging devices. For example, when rust, scale, or other solid deposits build up on the walls of pipes and tubes, they form a layer of insulation on the surface of the wall.

This layer of insulation impedes the overall ability of the wall to transfer heat, and thus reduces the rate of heat transfer.

تكو ن الرواسب كلما زاد سمك الرواسب كلما قل

معدل أنتقال الحرارة نتيجة لزيادة المقاومة لنتقال الحرارة

26

أستخدامات أجهزة أنتقال الحرارةThe function of heat transfer

equipment

27

أستخدامات أجهزة أنتقال الحرارةThe function of heat transfer

equipment

The term "heat exchanger" is commonly used to describe different types of equipment used in heat transfer service.

Functions of heat transfer equipment are

المبادل الحرارى يستخدملكثر من جهاز يستخدم لكثر

من غرض وبعض أستخدامات هذه

الجهزة موضحة فيما يلى

28

أستخدامات أجهزة أنتقال الحرارةThe function of heat transfer

equipment

Cooler Reduce the temperature of

a liquid or gas using water to remove heat.

Heater Increase the temperature

of a liquid or gas by adding heat using condensing steam, hot oil, etc.

Condenser Remove heat from a gas,

changing it to a liquid.

مبرد يقلل درجة حرارة سائل أو غاز

سخا نيزيد من درجة حرارة سائل أو غاز

مكثف

ينزع الحرارة من غاز فيتحول الى سائل

29

أستخدامات أجهزة أنتقال الحرارةThe function of heat transfer

equipment

Vaporizer Add heat to a liquid,

changing it to a gas.Reboilers Provide heat as latent

heat to liquid. The heat may be supplied by either steam or a hot process stream.

مبخر يضيف حرارة الى سائل فيتحول

الى غازأعادة الغليا ن يمد السائل بالحرارة الكامنة

اللزمة لتحوله الى غاز

30

أستخدامات أجهزة أنتقال الحرارةThe function of heat transfer

equipment

Chiller Cool a liquid or gas

using a re­frigerant instead of water.

Exchanger Perform two functions.

They can heat a cold process stream by using a hot process fluid, or they can cool a hot process stream by using a cold process fluid.

مثلج يبرد السائل او الغاز عن طريق

فريون

مبادل يقوم بوظيفتين عن أضافة حرارة

لمائع ونزعها من الخر

31

U-tube Heat ExchangerU-tube Heat Exchanger In U‑tube heat exchangers,

fluid enters one end of the tubes and flows to the other end.

However, instead of exiting, the tubes bend back in the shape of a U.

Fluid flows around the bend and back to the first end, then exits the heat exchanger.

This is called a double pass heat exchanger

فى المبادل الحرارى على شكل حرف يدخل المائع الى المواسير من جهة Uال

ثم يتجه الى الجهة الخرى ويرتد ليخرج من نفس الجهة التى دخل منها

ويسمى المبادل من هذا النوع ثنائىالمسار

32

U-tube Heat ExchangerU-tube Heat Exchanger In this type of construction,

tube bundle as well as individual tubes are free to expand and the tube bundle is removable. A U-tube exchangers can be used for the following services:

1. Clean fluid on the tube side2. Extreme high pressure on

one side3. Temperature conditions

requiring thermal relief by expansion

فى هذا النوع من المبادل ت تكون حزمةالمواسير حرة لكى تتمدد

ويفضل أستخدام هذا النوع من المبادل تفى الحال ت التالية

- المائع النظيف داخل المواسير1- ضغط المائع عالى جد�ًا2- درجة حرارة المائع عالية مما يستلزم 3

تمدد للمواسير

33

U-tube Heat ExchangerU-tube Heat Exchanger

1. tube bundle 2. shell 3. tube 4. baffle 5. vent nozzle 6. inlet tubeside 7. Tubesheet 8. drain nozzle9. shellside

34

Shell and tube heat Shell and tube heat exchangerexchanger

The name describes the geometry a bundle of tubes mounted within a cylindrical shell.

The "tube-side" fluid flows inside the tubes and the "shell-side" fluid passes inside the shell but outside the tubes.

The two fluids exchange heat through the tube walls. Shell-and-tube exchangers are by far the most common type.

يعتبر هذا النوع من المبادل ت من أكثرالنواع أنتشار�ًا

يتكون هذا النوع من المبادل ت من حزمةمن المواسير توضع داخل وعاء

أسطوانى يمر أحد المائعين داخل المواسير بينما

يمر المائع الخر داخل الوعاء السطوانى

35

Shell and tube Heat Exchanger

Heat exchangers are built so fluids will have one pass, two passes, or multiple passes through the exchanger, depending on the arrangement of the tubes.

They may also have a combination of flow paths.

The tubes in heat exchangers have either straight tube arrangements or U‑tube arrangements.

In straight tube heat exchangers, fluid enters one end of the tubes, flows straight through and exits the other end. This is called a single pass heat exchanger.

المبادل الحرارى يمكن أن يكون ذامواسير ذو مسار واحد أو ذو مسار ثنائى أو مسارا ت متعددة

وممكن أن تكون المواسير مستقيمة Uأو على شكل حرف ال

وفى حالة المواسير المستقيمةيدخل المائع المواسير من جهة

ويخرج من الجهة الخرى

36

المكونات الساسيه للمبادل Main Components of Shell and

Tube Heat Exchangers

Tubesالنابيب .1Shellالغل ف .2Bafflesالحواجز .3 Ventفتحة التهويه .4Drainفتحة التصريف .5Shell inlet nozzleفتحة دخول الغل ف .6Shell outlet nozzleفتحة الخروج من الغل ف .7Tube inlet nozzleفتحة دخول المواسير .8 Tube outlet nozzle فتحة الخروج من المواسير .9

37

Shell and tube heat Shell and tube heat exchangerexchanger

38

Cross - Sectional View ofFloating Tube-sheet Exchanger

39

Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger A plate heat exchanger

is usually comprised of a stack of corrugated or embossed metal plates in mutual contact, each plate having four apertures serving as inlet and outlet ports, and seals designed so as to direct the fluids in alternate flow passages.

المبادل الحرارى ذو الشرائحيتكون من العديد من الشرائح

المعدنية المتعرجة وكل شريحة فتحا ت تستخدم 4يكون بها

كفتحا ت دخول وخروج وتوجيه المائعين ليسرى كل منهما فى جهة

مختلفة من الشريحة

40

Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger The flow passages are

formed by adjacent plates so that the two streams exchange heat while passing through alternate channels.

When assembled, the spacing between adjacent plates ranges from 1.3 to 6.4 mm.

ويتكون مسارا ت السريان منالشرائح المتاخمة لبعضها

وبعد تجميع المبادل تتراوحالمسافة البينية بين أى شريحتين

مم6.4 الى 1.3من

41

Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger

42

Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger Proper selection of

gasket material and operating conditions will eliminate the leakage risk.

والختيار المناسب لمادةمانع التسرب وظروف

التشغيل سوف يمنع حدوث تسرب

43

Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger

44

Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger High turbulence, absence of

stagnant areas, uniform fluid flow, and the smooth plate surface reduce fouling and the need for frequent cleaning.

In plate heat exchangers, flow-induced vibration, noise, and erosion- corrosion due to impingement attack are not present as in shell and tube heat exchangers.

زيادة الدواما ت وغياب المناطقالساكنة والسريان المنتظم والسطح الملس سيؤدى الى تقليل الرواسب

ل يعانى هذا النوع من المبادل تمن أى أهتزازا ت ناتجة عن

السربان أو الضوضاء أو الصداء المصاحب للنحت

45

Plate Heat ExchangerPlate Heat Exchanger

46

Kettle Type ReboilerKett le Type Reboiler The K shell is used for

partially vaporizing the shell fluid. It is used as a kettle reboiler in the process industry.

Usually, it consists of a horizontal bundle of heated U tubes or floating head placed in an oversized shell.

The tube bundle is free to move and it is removable. Its diameter is about 50-70% of the shell diameter.

يستخدم هذا النوع من المبادل تفى تبخير مائع الوعاء

وهو يتكون من حزمة المواسيرUعلى شكل حرف ال

وحزمة المواسير يكون حرة الحركة ويكون قطر الحزمة فى

% من قطر الوعاء70-50جدود

47

Kettle Type ReboilerKett le Type Reboiler The large empty space above

the tube bundle acts as a vapor disengage space.

The liquid to be vaporized enters at the bottom, near the tube sheet, and covers the tube bundle; the vapor occupies the upper space in the shell, and the dry vapor exits from the top nozzle(s), while a weir helps to maintain the liquid level over the tube bundle.

The bottom nozzle in this space is used to drain the excess liquid.

ويستخدم الحيز الكبير فوق حزمةالمواسير كفاصل للبخار

يدخل السائل المراد تبخيره منأسفل ولدبد أن يغطى حزمة

المواسير ويخرج البخار الجاف من أعلى

وتستخدم الفتحة فى أسفل الوعاءللتخلص من السائل الزائد

48

Kettle Type ReboilerKett le Type Reboiler

49

Air-Cooled Heat Exchangers

Air-cooled exchangers have the process fluid inside the tubes and ambient air on the outside, either moving by natural convection or blown by a fan.

Because of the low heat-transfer coefficient for atmospheric air, fins are used on the outside of the pipes

يمر السائل فى المواسير للمبادلالحرارى المبرد دبالهواء دبينما يمر

الهواء الجوى متعامدا على المواسير وقد يكون مروره طبيعيا

أو مدفوعا دبمروحة وتستخدم زعانف على السطح

الخارجى للمواسير لزيادة معدل أنتقال الحرارة

50

Air-Cooled Heat Exchangers

51

Air-Cooled Heat Exchangers

Both induced and forced draft fans are used.

The latter are specified in most applications.

When recirculation of cooling air is a problem, induced draft fans are used to provide positive outflow of the air.

وتستخدم الراوح ذا ت النوعالجبرى أو المستحث فى المبادل ت

وتعتبر المروحة الجبرية أكثرأنتشارا

52

Air-Cooled Heat Exchangers

53

Air-Cooled Heat Exchangers

Air density affects the required air flow and, thus, the fan capacity, the head to be developed by the fans, and the power consumption.

وتؤثر كثافة الهواء على كميةالهواء المستخدمة فى تبريد

السائل وتقل الكثافة فى الصيف مما يؤدى الى زيادة

القدرة المستخدمة لدارة المروحة

54

Air-Cooled Heat Exchangers

55

المكثفاتCondensers

Condensers used for removing heat from steam and convert it to water

Condensers are classified into water cooling and air cooling condensers

تستخدم المكثفا ت عموم ًا فى تحويل المنتجا ت من الحاله الغازية الى الحاله السائله حيث ان معظم المنتجا ت البترولية التى تخرج من اعلى الدبراج تكون فى حالة ادبخرة"Vapor" او غازا ت "Gases"

يتم تحويلها الى الحالة السائلة دبواسطة المكثفا ت. وهذه المكثفا ت إما ان تكون مائية او هوائيه

56

المكثفات Condensers

57

ذو تبريد بالماء المكثفاتWater Cooled Condenser