بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثير رسوب بر روي ضريب انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي
چکيده
اکثر مبدلهاي حرارتي در طي دوران بهره برداري در معرض تشکيل رسوب بوده و همين امر به شدت بر
عملکرد و کارائي ن تاثير نامطلوب مي گذارد. طراحي و انتخاب صحيح مبدل حرارتي و کنترل شرايط بهره برداري از آن نقش بسزايي بر روي سرعت تشکيل رسوب بر روي سطوح تبادل حرارتي دارد. به عنوان مثال ، انتخاب و طراحي مناسب مبدلهاي حرارتي از نوع پوسته (Shell&tube) مي تواند به شدت ميزان تشکيل رسوب بر روي سطوح تبادل حرارتي را کاهش دهد. تشکيل رسوب ضمن تاثير بر ضريب کلي انتقال حرارت (U) ، بر روي افت فشار در مبدل حرارتي نيز تاثير مي گذارد. با تشکيل رسوب سطح مقطع آزاد جريان سيال در لوله و يا پوسته کاهش يافته و در دبي ثابت ، سرعت جريان افزايش مي يابد که به سهم خود موجب افزايش افت فشار در مبدل حرارتي مي گردد. با افزايش افت فشار، جهت ثابت نگهداشتن دبي جريان ، اجبارا بايد از پمپ قوي تر و انرژي بيشتري استفاده شود. اصولا تشکيل رسوب به عواملي نظير سرعت جريان مايع ، درجه حرارت سطوح گرم و PH مايع بستگي دارد. همچنين تشکيل آن بر روي مبدلهاي حرارتي مخصوص مايعات شديد بوده ، اما اين امر براي مبدلهاي حرارتي طراحي شده براي گازها بسيار ناچيز خواهد بود که لحاظ اين مساله در طراحي مبدل مي تواند از بروز مشکلات بعدي و تعميرات ناخواسته جلوگيري نمايد.
واژه هاي کليدي : مبدل حرارتي ، انتقال حرارت ، تشکيل رسوب
1
١- مقدمه
دريک تعريف کلي مي توان رسوب کردن را فرايند ته نشين شدن موادي نامطلوب و مقاوم در مقابل انتقال حرارت بر روي سطوح تبادل حرارتي تعريف کرد. شدت تشکيل رسوب به عوامل متعددي بستگي دارد که عمده ترين آنها طبيعت سيال مورد انتقال و مواد معلق در آن ، درجه حرارت ، سرعت جريان سيال و طراحي مبدل حرارتي مي باشد.رسوب مي تواند در هر دو سمت سطوح تبادل حرارتي تشکيل شود. با کاهش ضريب کلي انتقال حرارت در اثر تشکيل رسوب ، جهت حفظ نرخ تبادل حرارتي لازم است که از سطوح تبادل حرارتي بيشتري استفاده شود و اين امر موجب افزايش هزينه ساخت مبدل حرارتي مي گردد.
هرچند که با تشکيل رسوب و کاهش سطح مقطع آزاد جريان سيال ، سرعت جريان سيال افزايش يافته و اين امر موجب افزايش ضريب انتقال حرارت مي گردد؛ ولي تاثير نامطلوب لايه مقاوم در مقابل انتقال حرارت غالبا از تاثيرافزايش ضريب انتقال حرارت در اثر افزايش سرعت بيشتر بوده و نهايتا تشکيل رسوب ، کاهش (U) را بدنبال خواهد داشت . لذا در اکثر موارد خارج سازي مبدل حرارتي جهت رسوب زدائي عموما بخاطر کاهش عملکرد و کارآيي مبدل در اثر کاهش ضريب انتقال حرارت مي باشد. در يک جمع بندي کلي تشکيل رسوب بر روي سطوح تبادل حرارتي داراي عوارض متعددي بوده که عمده ترين آنها عبارتند از:
الف : افزايش قيمت تمام شده مبدل حرارتي به لحاظ افزايش سطح تبادل حرارتي جهت غلبه بر عوارض ناشي
از کاهش ضريب انتقال حرارت کلي (U)
ب: افزايش انرژي مصرفي جهت انتقال سيال بخاطر:
* افزايش دبي سيال جهت حفظ شرايط دمايي در سيستم
* افزايش افت فشار و نهايتا ضرورت استفاده از فشار بالاتر جهت انتقال سيال در دبي ثابت در اثر کاهش سطح مقطع آزاد عبور سيال
ج: کاهش عملکرد سيستم هاي سرمايشي و گرمايشي (نظير رسوب کردن در کندانسر و تبخيرکننده )
د: افزايش ميزان مصرف مواد شيميايي جهت کاهش قدرت رسوب کردن سيال
ه: افزايش هزينه هاي تعميراتي بخاطر رسوب زدايي
و: کاهش عملکرد سيستم که مي تواند بر راندمان ساير تجهيزات و راندمان توليد تاثير نامطلوب بگذارد.
ز: افزايش هزينه هاي بهره برداري ناشي از توقف سيستم هاي فرايندي
٢- تاثير رسوب بر روي ضريب انتقال حرارت
تشکيل رسوب بر روي سطوح تبادل حرارت باعث افزايش مقاومت در مقابل جريان حرارت از سيال گرم به سيال سرد شده و همين امر موجب کاهش راندمان مبدل حرارتي مي گردد. در شکل (١) يک سطح انتقال حرارت
که در دو سمت داخلي و بيروني رسوب گرفته اند نشان داده شده است . تا درجه حرارت سيالات گرم و سرد مي باشد.
شکل (١): توزيع درجه حرارت در يک سطح تبادل حرارتي
اساسا رسوبها داراي ضريب هدايت حرارتي نسبتاً کمتري با فلزات مي باشند . به همين خاطر درصورت تشکيل رسوب برروي سطوح تبادل حرارتي جهت انتقال حرارت در حد مطلوب ، بايد اختلاف درجه حرارت بين دوسيال گرم و سرد در حد زيادي ، بالا باشد و اين در حالي است که اختلاف درجه حرارت در دو سمت سطح فلز بسيار ناچيز مي باشد در جدول ١ ظريب هدايت حرارتي بعضي از فلزات نشان داده شده است .
جدول (١ ): ضريب هدايت حرارتي بعضي از فلزات
مقاومتي که در سطح جامدات در مقابل انتقال حرارت وجود دارد به صورت نشان داده مي شود که در آن x
ضخامت و k ضريب هدايت حرارتي سطح تبادل حرارت مي باشد . با توجه به اصل پيوستگي انتقال حرارت ( ميزان
حرارت منتقل شده در حالت پايدار در لايه هاي مختلف مساوي مي باشد ) مي توان نتيجه گرفت :
(1)
از سوي ديگر در مقابل انتقال حرارت در سيال هاي گرم و سرد نيز مقاومت هايي وجود داشته و ضريب انتقال
حرارت (به صورت جابجايي ) به صورت نشان داده شده است .
(2)
رابطه (٢) را مي توان به صورت زير نيز نشان داد :
(3)
که در آن مقاومت در مقابل انتقال حرارت در سيالات گرم و سرد مي باشد.
طبق قانون اهم ، اگر چند مقاومت به صورت سري بسته شوند ، مقاومت معادل برابر است با جمع مقاومت ها.
(4)
اختلاف درجه حرارت کلي در سيستم برابراست با .بنابراين :
(5)
اگر A سطح تبادل حرارتي باشد ، در اين صورت شدت جريان حرارت در مبدل برابر است با :
(6)
در طراحي مبدلهاي حرارتي که هدف ازآْن محاسبه A مي باشد ، لازم است که خواص فيزيکي مورد نياز جهت محاسبه ضرايب انتقال حرارت براي سيالات سرد و گرم ، فلز و رسوبات در سمت آن ، مشخص گردد. هر چند که محاسبه بسياري از پارامترهاي مورد نياز در روابط (٤) و (٦) چندان مشکل نمي باشد، ولي محاسبه ضريب انتقال حرارت در لايه هاي رسوبي چندان آسان نبوده و از سوي ديگر اشتباه در تعيين آن مي تواند بر روي قيمت تمام شده و عملکرد مبدل حرارتي تاثيرات شديدي باقي بگذارد .
از آنجا که تعيين ضريب هدايت حرارتي و ضخامت رسوب در مبدل ها کاري سخت مي باشد، لازم است که روش مناسب تري براي تاثير آن بر روي محاسبه سطح تبادل حرارتي مورد نياز انتخاب شود .
