بخشی از مقاله
چکیده
مبدلهای حرارتی پوسته لولهای در بین خانواده بزرگ مبدلهای حرارتی بیشترین استفاده را دارند. پایین بودن میزان ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته مبدلها معمول، به نحوی است که احتمال بوجود آمدن نواحی مرده و در نتیجه تشکیل رسوب در آنها زیاد و میزان افت فشار بالا است. با توجه به استفاده از بافلهای نوع قطاعی ساده در مبدل صنعتی مورد مطالعه و کاهش راندمان مبدل در طی چند سال اخیر، امکان پژوهش بر روی بافلهای نوع جدید در راستای افزایش راندمان بوجود آمده است. ابتدا بافلهای قطاعی و مارپیچ با استفاده از نرم افزا Aspen B-JACTM مقایسه شده و نتایج با دادههای صنعتی اعتبار سنجی شده است. در فاز بعد قسمتی از مبدل با تحلیل عددی سه بعدی و با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد، مبدل با استفاده از بافلهای موجود با وجود انتقال حرارت مناسب، افت فشار شدید را در سمت پوسته ایجاد میکند، استفاده از بافلهای مارپیچ و نردبانی افت فشار را به ترتیب 84 و 78 درصد بهبود بخشیده و هزینه برگشت سرمایه برای بافل مارپیچ کمتر از 3.5 سال و بافل نردبانی 5.5 برآورد شده است. پیشنهاد نهایی با توجه به نتایج استفاده از بافل مارپیچ به جای بافل قطاعی است.
واژگان کلیدی: مبدلهای حرارتی پوسته- لولهای، بافلهای قطایی، بافلهای مارپیچ، بافلهای نردبانی
مقدمه
در طراحی به رغم کاربرد گسترده و محبوبیت عمومی مبدل های پوسته لوله، مواقعی وجود دارد که باید تمهیداتی در جهت بهبود عملکرد آنها اندیشیده شود. عمده این کارها برای دستیابی به انتقال حرارت بهتر به ازای افت فشار کمتر و به شیوههای گوناگون همچون تغییر آرایش بافلها صورت میگیرد. همانطوری که در شکل 2 نشان داده شده است در مبدلهای متعارف که با بافلهای قطاعی کار میکنند، افت فشار قابل توجهی به هنگام تغییر جهت رخ میدهد. ضمن اینکه این آرایش بافلها منجر به پدیدههای نامطلوبی چون ایجاد نقاط مرده و یا نواحی با جریانهای بازگشتی و مارپیچ و در نتیجه تولید جرم گرفتگی و یا نشتی میگردد. حرکت زیگزاگی که در این نوع بافل وجود دارد، سبب لرزش دستگاه و نیز باعث اختلاط برگشتی زیادی میشود که اختلاف دمای مؤثر را کاهش میدهد. استفاده از بافلهای مناسب در مبدل حرارتی پوسته لوله منجر به صرفه جویی در هزینه اولیه سرمایه گذاری در تجهیزات مربوط به پمپاژ و کاهش مصرف برق و انرژی در طول عملیات میشود. کاهش افت فشار در فرآیندهای مختلف تأثیر مهمی در کاهش هزینهها و خصوصا در قسمت پمپهای انتقال ایجاد میکند.
مبدل حرارتی پوسته لوله که از بافل مارپیچ استفاده میکند، در دهه 1980 میلادی در جمهوری چک ابداع و ساخته شد. مشابه این مبدل توسط گروهی نروژی نیز به طور مستقل ابداع گردید. لوچا و نمکانسکی نقش مهمی در ابداع و معرفی بافل های مارپیچ در مبدل های پوسته لوله داشت.[1] استفاده از این نوع مبدل ایرادات اساسی متعارف با طرح بافل های قطاعی را به حداقل میرساند. اساس این نوع مبدل حرارتی بسیار ساده است. صفحات قطاعی شکل ربع دایره یا بیضی در حالتی شبیه مارپیچ درون پوسته قرارگرفتهاند، به گونهای که هر بافل یک چهارم سطح مقطع مبدل را بصورت زاویهدار با محور استوانه میپوشاند. به عبارت دیگر هر صفحه بافل مورب است شکل شماره .1 همچنین در مقایسه با مبدل های حرارتی پوسته لوله با بافلهای قطاعی متعارف، مبدل با بافلهای مارپیچ از مزایای زیر برخوردار است.
· کاهش افت فشار سمت پوسته
· بهبود انتقال حرارت در افت فشار یکسان
· کاهش جرم گرفتگی سمت پوسته
· کاهش سهم جریانهای نشتی
· کاهش اثرات کنارگذر
· جلوگیری از لرزش ناشی از جریان
· توزیع بهتر جریانهای دو فازی
· کاهش هزینههای تعمیراتی
کاتکه [2] در سال 1998 نشان داد که استفاده از بافل های نوع سگمنتال به دلیل شکل ظاهری و ذاتی که دارند در تیوب باندل جریان مرده ایجاد کرده که باعث تشکیل رسوب و افزایش هزینههای تعمیرات می گردد. لوچا و نمکانسکی [1] در 1990 بیان کردند که جریان مارپیچ سمت پوسته منجر به گرادیان شعاعی شده که در نهایت ضریب انتقال حرارت را افزایش میدهد پنگ و همکارانش [3] از بافل مارپیچ پیوسته در سال 2007 برای جلوگیری از گپهای مثلثی و افزایش ضریب انتقال حرارت تا 10 درصد استفاده کردند. بشیر و همکارانش [5] در سال 2003 تحقیقی بر روی اثرکاهش رسوب با استفاده از تغییرات در جریان مارپیچ در مبدلهای حرارتی پوسته لوله ارائه نمود که نشان میداد در صورتی که جریان به شکل مارپیچ حرکت کند توزیع سرعت یکنواختتر و رسوبگیری کاهش پیدا میکند که در این تحقیق از نتایج بدست آمده در توزیع سرعت یکنواخت استفاده شده است.
ژانگ و همکارانش در سال 6] 2009 و [7 به شبیهسازی عددی سه بعدی یک مبدل حرارتی کامل با بافل های مارپیچ دارای همپوشانی پرداختند. آنها از نرم افزار فلوئنت برای این منظور استفاده کردند. در تحقیق ایشان 6 سیکل از بافل های همپوشان با زاویه 40 درجه درنظر گرفته شد. اعتبارسنجی آنها از مدل متناوب اصلاح شده برای مقایسه کارایی مبدل در سه زاویه مختلف 30 ، 40 و 50 درجه بافلها استفاده نمودند و نشان دادند که زاویه 40 درجه بهترین کارایی از نظر ضریب انتقال حرارت بر واحد افت فشار را دارا میباشد. همچنین ضریب انتقال حرارت بر واحد افت فشار برای بافلهای مارپیچ همپوشان بصورت قابل توجهی بالاتر از بافل های پیوسته است که دلالت بر این دارد که انتقال حرارت در اینگونه بافلها بهتر است. موثق و همکارانش در سال [4] 2012 به مقایسه کارایی در سمت پوسته برای بافلهای سگمنتال و بافلهای مارپیچ پرداختند و نشان دادند کارایی بافلهای مارپیچ بهتر است و این بافلها رفتار آرامی برای جریان فراهم میآورند که منجر به کاهش افت فشار میشود. آنالیز انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی پوسته- لولهای:
مراحل حل و ورودی های نرم افزار:
به منظور مقایسه دقیق بین نتایج این تحقیق با نتایج مبدل E-1-805 شرکت ملی مناطق نفتخیز جنوب تمامی ورودیها بر اساس برگه اطلاعات و نقشههای سازنده شرکت Parsons برای نرم افزار تعریف شده است. -1 دماهای ورودی و خروجی پوسته 65.5 و 43.33 درجه سانتی گراد و همچنین دبی جرمی سیال ورودی گرم 53312 کیلوگرم بر ساعت میباشد. جنس پوسته از فولاد کربنی و ماکزیمم فشار کاری 24.48 بار لحاظ شده است. -2 دماهای ورودی و خروجی لولهها 35 و 48.9 درجه سانتیگراد و همچنین دبی جرمی ورودی سیال سرد که به صورت تک فاز میباشد، 86046 کیلوگرم بر ساعت است. جنس لولهها از فولاد کربنی SA-214 و ماکزیمم فشار کاری 81.9 بار لحاظ شده است.
