جدرول زیر برخی از تفاوت های عمومی برای کمک به انتخاب بین مبدل های حرارتی پوسته و لوله صفحه ای و مارپیچ را ارائه می دهد. در بین عوامل «شاخص کارائی» قرار دارد که مقدار هزینه یک مبدل است که بصورت زیر تعریف می شود: I: ضریب انتقال حرارت کلی / هزینه مبدل حرارتی. همراه با ضرایب بیان شده به Btu/hft2˚f و هزینه خرید به $/ft2 ، ELبه واحد Btu/h˚f$ داده شده استو برخی شاخص ها در جدول نشان داده شده و اینها میانگین انواع مبدل های حرارتی در اندازه های 250 و 5وو و ... و سرویس های است.
در کاربردهای معمول بخشی از جدول ترم «دمای نقطه تلاقی» استفاده شده است. این امر می تواند از طریق مراجعه به شکل توضیح داده شود. از جدول در انتخاب اولیه استفاده کنید. بنابراین همراه با تمام راهنماهای عمومی تصحیح انتخاب اولیه می تواند در طی طراحی جزئیات مقایسه و بازبینی گردد.
استفاده از تکنیک:
ما باید برای انتخاب یک مبدل حرارتی برای سرد کردن روغن خوراکی از 200 به 120 از آب خنک کننده 85 استفاده می کنیم. مطالعات بر روی خوردگی نشان می دهد که مبدل می تواند از فولاد وضد زنگ ساخته شود. درجه فشار می تواند 125psi باشد. جدول نشان می دهد که هر سه نمونه مبدل می توانند این خدمات را انجام دهند. پس مبدل بایستی ابتدا بر اساس هزینه و اقتصاد انتخاب شود. برای کسب اختلاف هززینه های نسبی ما به مقادیر EL نگاه می کنیم: b برای مبدل پوسته و لوله از جنس فولاد و ضد زنگ، 4 برای مبدل مارپیچ و 8 برای مبدل صفحه ای از نوع فولاد و ضد زنگ 316 است. این اعداد نشان می دهد که مبدل صفحه ای از جنس فولاد و ضد زنگ 3 برابر بیشتر هزینه نسبت به نوع پوسته و لوله و 2 برابر هزینه نسبت به نوع مارپیچی است.
ارزیابی رسوبات مبدل های حرارتی:
Plant Notebook به طور عمومی برخی از مقالات کوتاه را راجع به موضوعات مختلف برای سود اقتصادی برای یک مهندس که شامل عمل نگهداری و یا طراحی واحدهای صنایع شیمیایی فرایندی را منتشر کرده استو در این مقاله ما از اندک تجربه بوسیله تنرکز بر روی یک موضوع واحد رسوب گیری اجزا مبدل حرارتی خواهیم گذاشت. رسوبگیری مبدل های حرارتی تجمع روسبات بر روی سطوح مبدل حرارتی در یک دوره زمانی منجر به کاهش عملکرد حرارتی مبدل همراه با افزایش هزینه عملیاتی خواهدشد. مهندسین واحدهای عملیاتی باید قادر به یافتن این رسوبا و ارزیابی درجه و سرعت اسن عمل و سپس انتشار یک طرح حفاظتی منظم و نیازمند یک عملیات مفید است. این عمل شامل پخش دوره با هوا یا بخار شستشو با آب، پاک کردن مکانیکی یا شیمیایی با اسید یا محلول های آلکالاین می باشدو اولین مقاله درمورد تعیین درجه رسوبگیری در مبدل های حرارتی است و دومی نشان دهنده روش گرافیکی نظارت بر رسوبگیری در طول زمان است:
تشخیص رسوبات در مبدل های حرارتی
برای توضیح راجع به کاهش تدریجی عملکرد با توجه به تجمع مواد بر سطوح مبدل حرارتی ، مهندس با ترکیب عامل رسوبگیری و طراحی مبدل حرارتی و فضای بیشتر برای اجازه دادن به عمل رسوبگیری را فراهم خواهد کرد.
در طول دوره عملیا مقدماتی و یا بعد از آن تمیز خواهد شد. واحد مورد نظر انتظار می رود بهتر از ظرفیت نهایی مبدل حرارتی عمل کند. بنابراین با گسترش عملیات عملکرد تدریجا شروع به بدتر شدن می کند. زمانیکه مقاومت واقعی رسوب fa برای مبدل های طراحی شده از حد مجاز فراتر رود (طراحی عامل رسوبگیری که با fd نشان داده می شود) عملکرد حرارتی (با Ua برای ضریب انتقال حرارت کلی واقعی ) ممکن است به پایین تراز نرخ ظرفیت نهایی (Ud نرخ ضریب انتقال حرارت کلی (طراحی شده)) برسد.
ضریب عملکرد:
ضریب عملکرد مبدل Ua/Ud می توان بازبینی و اندازه ای از مقدار رسوبگیری باشد.این نسبت به آسانی بدست می آید. Ud بوسیله داده های طراحی شده مشخص و Ua بوسیله تقسیم حرارت واقعی به تولید سطح ئ اختلاف میانگین لگاریتمی دما محاسبه می شود و زمانیکه Ua/Ud به مقدار 80% کاهش می یابد. شستن برای جلوگیری از بدتر شدن عملکرد انجام می شود. Ua/Ud به Ud و اختلاف بین عوامل رسوبگیری طراحی شده و واقعی وابسته است و بوسیله رابطه زیر:
این رابطه می توان برای fa بازآرایی و حل گردد:fa=fd+1/Ua-1/Ud
شکل نشان دهنده ارتباط بین Ua/Ud و (fa-fd) برای مقادیر مختلفی از Ud است. همانطور که دیده می شود است . برای مثال اگر (fa-fd)=0.001 و عملکرد حرارتی خنک کننده گازی با Ud=20 به مقدار 20% کاهش یافته و فرایند چگالشی با Ud=200 تقریبا 17% زمانیکه بخارچگالنده دارای Ud= 1,000 باشد به 50% تقلیل می یابد.
نظارت گرافیکی بر رسوبگیری:
رسوبگیری در بویلر یا مبدل گرمایی گاز- مایع منجر به کاهش عملکرد حرارتی که در مقادیر کمی از ضریب انتقال حرارت ممکن می شود. مهندس واحد صنعتی می تواند خط درجه رسوبگیری و سرعت انجام بوسیله نظارتU (وهمچنین عامل رسوبگیری f) به عنوان تابعی از دبی جریان و زمان مورد نیاز انجام دهد. وقتی پیشرفت رسوبگیری در یم نقطه خاص محاسبه می شود اندازه اصلاح شده می تواند به ff≥0.03 برای محصولات با سوخت بنزینی یا زغال سنگ برسد.
روند انجام:
روش ارئه شده در اینجا اندکی ساده است/. دبی جریان گاز ورودی و خروجی هر دو سیال اندازه گیری می شود. استفاده از سطح انتقال حرارت و ظرفیت حرارتی گاز و دماهای اندازه گیری شده مشخص شده می تواند ضریب انتقال حرارت کلی را محاسبه کرد. سپس نمودار 1/U نسبت به w-0.8 اگر گاز در جداره درونی لوله جریان یابد و یا w-0.6 اگرگاز در جداره بیرونی لوله جریان یابد رسم می شود. (توجه کنید که در شکل مقیاس محور بالایی افقی برای w-0.6 بوسیله عامل آسان کننده متراکم می شود. این امر بر تخمین عامل رسوبگیری و یا درجه رسوبگیری اثر می گذارد.)
روند انجام ابتدا از زمانیکه دایر شود یا فورا بعد از اینکه شسته شد صورت می پذیرد برخی از قدائت ها در طول مدت چند روز در دبی های جریانی یا دماهای مختلف انجام می گیرد. این نقاط رسم و خطوط ترسیمی از بین آنها می گذرد. خط پشتی به w=∞ برون یابی و عرض ازمبدا B مقدار تخمینی ff را در شرایط مناسبی نشان می دهد. سپس بصورت دوره ای یکبار در هر ماه و یا بیشتر روند انجام این کار تکرار می شود و در هر زمان قرائت های مختلفی درشرایط گوناگون و در طی محدوده زمانی حدود یک هفته یا کمتر انجام و خطی را رسم می کنیم. (خطوط بایستی تقریبا موازی باشند.) عامل رسوبگیری جدید می تواند با مقدار B خوانده شده از محور عمودی و درجه رسوبگیری مه بوجود می آید تقریب زده شده و بوسیله مسافت بین خطوط بین شرایط جریانی و clean Line صورت پذیرد.
مبنا:
با توجه به موازنه انرژی پیرامون لوله آب و یا لوله آتش با اتلاف حرارتی مربوط به بویلر داریم:
Q=WCP(T1-T2)
=US
ضریب انتقال حرارت کلی می تواند بصورت زیر بیان شود:
U=
ضریب انتقال حرارت گاز بر ضریب انتقال حرات کلی غالب است. برای لوله های آتش بویلر و مبدل های حرارتی که دارای جریان درونی گاز لوله ها می باشد: 1/U=AW-0.8+B و برای بویلر های لوله آبی و مبدل های حرارتی که دارای جریان طولی یا بیرونی یا لوله های پره دار هستند بصورت زیر است: 1/U=AW-0.6+B
ثابت A که شیب خط (1/U در مقابل W-0.8) یا (1/U در مقابل w-0.6) است و گرمای سیال و خواص تبدیلی را در دمای حجمی و مقدار B برای ارتباط میزان رسوبگیری به انتقال حرارت کلی را نشان خواهد داد.
مثال:
جدول مشاهدات مربوط به بویلر لوله آتشی که در یک بازه زمانی بوجود آمده را حلاصه کرده: (T1 و T2 دماهای ورودی و خروجی سیال داغ می باشد). نقاط با استفاده از مقیاس پایینی محور افقی «گاز درون لوله ها» در شکل نشان داده شده است. پایین ترین خط روی شکل نشان دهنده شرایط عملیاتی اولیه وقتی ضرورتا هیچ رسوبی وجود نداشته و ضریب رسوبگیری در حدود 0.002 باشد است. بعد از 6 ماه پاهط وسطی نشان داده شده و میزان رسوب تا حدی افزایش می یابد و ضریب رسوبگیری جدیدی در حدود 0.016 بدست می آید. بعد از 16 ماه با بالاترین خط نشان داده شده و میزان رسوب به طور قابل توجه ای برای میزان جدید ضریب رسوبگیری به حدود 0.034 افزایش یافته که نشان دهنده این است که لوله های بویلر بایستی شستشو و تمیز گردد.
اختلاف دما میانگین وزن شده برای مبدل های با تغییر فاز:
محاسبه اختلاف دمای میانگین MTD یک عامل بحرانی برای طراحی مبدل های حرارتی که یکی از آنها میزان اختلاف دمایی ∆T را بین دو جریان مشخص می کند.
Q=UA∆T
Q= کار گرمایی A= سطح مقطع انتقال حرارت U= ضریب اتقال حرارت کلی ∆T= میانگین اختلاف دما
زمانیکه هیچ نوع میعان یا تبخیری چه در حالت سرد و گرم صورت نپذیرد و اختلاف دمای میانگین لگاریتمی LMTD از رابطه زیر بدست می آید:
LMTD=(∆T1-∆T2)/ln(∆T1/∆T2)
که ∆T1=T1-t1 و ∆T2=T2-t2 برای مبدل های جریانی موازی می باشد. محاسبه LMTD بر پایه تنها گرمای یا سرمای محسوس fig.1a برای ارائه دوباره برخی «خطوط مستقیم» اختلاف های دمایی برای مبدل حرارتی با جریان موازی می باشد.
ولی زمانیکه تغییر فاز در فرایندی مثل میعان fig.1b و یا تبخیر fig.1c و یا هر دو fig.1d صورت می گیرد. LMTD به طور مستقیم نمی تواند استفاده شود. در این مورد طراح بایستی مبدل را به دو یا تعداد بیشتری ناحیه تقسیم بندی کند و هر بخش را به طور مجزا مورد مطالعه قرار دهد. برایند ∆T را اختلاف دمای میانگین وزن شده LMTD گویند و بصورت زیر بیان می شود:
WMTD=QT/[(Q1/LMTD1)+(Q2/LMTD2)+…+(Qn/LMTDn)]
که Q برابر با کار حرارتی آن واحد که با زیروند 1و 2 و n به ترتیب به عنوان ناحیه اول، دوم و nام است. تعداد نواحی مورد استفاده با توجه به نظر مهندس یا طراح مشخص می شود. درکل ممکن است تعداد نواحی بیشتر از نیاز برای تدارک بخش های خط مستقیم از منحنی کار گرمایی استفاده شود.
ملاحظات مربوط به طراحی عملی
- اگر مبدل حرارتی برای جریانی مخالف جهت (که معمولا مناسبترین طراحی ترکیبی، وقتی سطح مقطع کمتری برای جریان گرما نیاز باشد است) و هیچ ضریب تصحیحی برای استفاده در LMTD محاسبه شده نیاز نیست. همچنین دمای عرضی زیادی(جائیکه دمای خروجی طرف سرد موجب افزایش دمای خروجی طرف گرم می شود) بای برخی از واحدها می تواند تحمیل شود.
- جریان مخالف جهت همیشه می تواند اگر حرارت ممکن صرفنظر از بازه دمای عرضی و به اندازه دمای رسیده شده (مثل دماهای ورودی سرد و خروجی گرم) بیش از 5˚F است. همچنین فقط پوسته TEMA مربوط به نوع E و F می تواند برای طراحی های جریان های مخالف جهت، استفاده شود که تعداد پوسته و لوله عبوری برابری را فراهم خواهد کرد.
- هرگاه دمای عرضی وجود دارد. هم 1 طراحی مبدل گرمایی برای واحد جریانی مخالف مسیر اگر حرارت عملی وجود داشته باشد یا 2 تعداد پوسته ها را از زمانیکه عامل تصحیحی قابل قبول افزایش یابد. (به عنوان یک قانون کلی، ضریب تصحیح حداقل 0.8 به صورت قابل قبولی لحاظ شود) در مواردبعدی عامل تصحیح بایستی بر اساس دماهای متوسط (دماهای بین پوسته) نسبت به دماهای مربوط به نمودار برای هر ناحیه فرض شود.
یک مثال:
بخار هیدروکربن با استفاده از آب در لوله جانبی 2-1 مبدل و بدن هیچ دمای عرضی (fig.2) میعان می شود. در هر ناحیه، اختلاف دما در طرف سرد و گرم محاسبه شده که در جدول قابل مشاهده است. دما میزان گرما می تواند به طور مستقیم از شکل 2 خوانده شود. توجه کنید که درجدول برای حالت سرد دمای ورودی و خروجی (به ترتیب 85 و 115) برای هر ناحیه استفاده می شود. در حالات عبور چندگانه لوله ها، دمای خوانده شده با تقریب مناسبی بیان می شود.


نویسنده: صادق