بخشی از مقاله
چکیده
مبدل هاي حرارتیتقریباً پرکاربرترین عضو در فرآیندهاي شیمیاییاند که امکان انتقال انرژي گرمایی بین دو یا چند سیال در دماهاي مختلف را فراهم میکنند. این عملیات میتواند بین مایع- مایع، گاز- گاز و یا گاز- مایع انجام شود.
مبدل هاي حرارتی در محدوده وسیعی از کاربردها از جمله صنایع پتروشیمی، نیروگاه ها، پالایشگاه ها، صنایع ساخت و تولید، صنایع فرآیندي، صنایع غذایی و دارویی، صنایع ذوب فلز، گرمایش، تهویه مطبوع، سیستمهاي تبرید و ... استفاده میشوند.
این تجهیزات در دستگاههاي مختلف نظیر دیگ بخار، مولد بخار، کندانسور، اواپراتور، تبخیرکنندهها، برج خنککن، پیشگرمکن فن کویل، خنککن و گرمکن روغن، رادیاتورها، کورهها و ... کاربرد فراوان دارند و از مهمترین تجهیزات موجود در هر صنعتی به شمار میآیند. لذا در این مقاله به شبیهسازي یکی از مبدل هاي گرمایی واحد الفین پتروشیمی مروارید، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - خًه - پرداخته شده و براي ایجاد هندسه و شبکه بندي، حل معادلات حرکت حاکم بر جریان با روش المان محدود و تحلیل دینامیکی نتایج، از برنامه A استفاده شده است. در نهایت میزان افت فشار جریان در طول مبدل بررسی شده و نتایج آن ارائه گردیده است.
-1 مقدمه
مبدلهاي حرارتی یکی از مهمترین تجهیزات در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی محسوب میشوند و طراحی آنها از درجه اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از پرکاربردترین انواع مبدلهاي حرارتی، که در تحقیق جاري نیز به شبیهسازي آن پرداخته شده است، مبدلهاي حرارتی پوسته و لوله است. این نوع مبدلهاي حرارتی از لولههاي با مقطع دایرهاي که در پوستههاي استوانهاي بزرگ نصب شدهاند، ساخته میشوند به طوري که محور لولهها موازي با محور پوسته است بخم. این مبدلها به صورت وسیعی به عنوان خنککنهاي روغن، چگالندهها و پیشگرمکنها در نیروگاهها، و بهعنوان مولدهاي بخار در نیروگاههاي هستهاي و در کاربردهاي صنایع فرآیندي و شیمیایی استفاده میشوند
بسته به کاربرد مبدلهاي حرارتی پوسته و لوله، تفاوت زیادي در شکل و ساختمان آنها وجود دارد. اهداف اصلی طراحی در این مبدلها، در نظر گرفتن انبساط حرارتی پوسته و لولهها، تمیز کردن آسان مجموعه، و در صورت بااهمیت نبودن سایر جنبهها، کمهزینهترین روش ساخت و تولید آنهاست
مبدلهاي حرارتی پوسته و لوله با دسته لوله س شکل داراي کمهزینهترین ساختار است، زیرا در آن فقط به یک صفحه لوله نیاز است بزم. سطح داخلی لولهها بهدلیل خم س شکل تند، نمیتواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این مبدلها تعداد زوجی از گذرهاي لوله به کار میرود ولی محدودیتی از نظر انبساط گرمایی وجود ندارد.
آرایشهاي مختلف جریان در سمت پوسته و لوله، بسته به ظرفیت گرمایی، افت فشار، سطح فشار، تشکیل رسوب، شیوههاي ساخت و هزینهبري، کنترل خوردگی و مسائل تمیزکاري، استفاده میشوند بزم. در مبدلهاي داراي بافل - تیغهها و صفحات هدایتکننده جریان - ، بافلها براي افزایش ضریب انتقال حرارت در سمت پوسته و براي نگهداشتن لولهها استفاده میگردند که جریان سمت پوسته به صورت متقاطع با لولهها در بین دو بافل مجاور جهت داده میشود و در حالیکه از فاصله مابین دو بافل به فاصله بعدي منتقل میشود، موازي با لولهها، جهت مییابد
مبدلهاي پوسته و لوله، بر حسب نیاز، براي هر ظرفیت و شرایط کارکرد، طراحی میشوند. این مشخصه مبدلهاي پوسته و لوله، متفاوت با بسیاري از انواع دیگر مبدلها میباشد که باعث کاربرد فراوان آنها در صنایع مختلف گردیده است
صنایع بسیاري در طراحی انواع مبدل هاي حرارتی فعالیت دارند و هم چنین ، دروس متعددي در کالج ها و دانشگاه ها با نام هاي گوناگون در طراحی مبدل هاي حرارتی ارائه میگردد. محاسبات مربوط به مبدل ها کاري طولانی و گاهی خسته کننده استمثلاً. طراحی یک مبدل براي یک عملیات به خصوص نیاز به حدس هاي زیادي دارد که با استفاده از آن ها و طبق استانداردها می توان اندازه هاي یک مبدل مناسب را پیدا کرد. اما با استفاده از برنامه هاي کامپیوتري تمام این محاسبات توسط کامپیوتر انجام میشود و طراح براي طراحی تنها باید شرایط عملیاتی و خواص سیالات حاضر در عملیات را وارد کند.
-2 دسته بندي مبدلهاي حرارتی
- 1 بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
- 1-1 مبدلهاي حرارتی نوع Recuperative
در این مبدلها سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شدهاند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت میگیرد. اکثر مبدلهاي موجود در صنعت از این دستهاند بزم.
- 2-1 مبدل هاي حرارتی نوع Regenerative
در این مبدلها، سطح جدا کننده سیال سرد و گرم، ثابت نبوده و به طور متناوب قسمتهایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار میگیرد. این نوع مبدلها بیشتر در مقیاس آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار میگیرند
- 3-1 مبدل هاي حرارتی نوع تماس مستقیم
در این نوع مبدلها سیال سرد و گرم که دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند، به طور مستقیم تماس حاصل نموده و تبادل انرژي یا حرارت انجام میگیرد. نمونهاي از این مبدلها، برجهاي خنککن، کولرهاي آبی و گرم کن هاي موجود در نیروگاه هاي بخار میباشند بخم.
- 2 بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
- 1-2 مبدلهاي حرارتی از نوع جریان همسو
در این نوع مبدل ها جریان سرد و گرم موازي یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آن ها موافق یکدیگر می باشند.
یعنی دو جریان سیال ، از یک انتها به مبدل وارد می شوند و هر دو در یک جهت جریان می یابند و از انتهاي دیگر خارج می شوند. نکته اي که باید به آن توجه داشت این است که دماي سیال سرد خروجی از مبدل هیچگاه به دماي سیال گرم خروجی نمی رسد. نزدیک شدن مقدار عددي دو دماي مذکور مستلزم بکارگیري سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می باشد.
- 2-2 مبدلهاي حرارتی از نوع جریان غیر همسو
در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازي یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان غیر همسو می نامند.
باید توجه داشت در این نوع مبدل ها امکان افزایش دماي سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدلها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتري نسبت به مبدل هاي همسو برخوردار هستند.
- 3-2 مبدلهاي حرارتی از نوع جریان عمود بر هم
در این نوع مبدل ها جهت جریان هاي سرد و گرم عمود بر هم می باشند. به عنوان متداول ترین نمونه می توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم ، بسته به طراحی ، جریان مخلوط یا غیر مخلوط نامیده می شود. سیال داخل لوله ها چون اجازه حرکت در راستاي عرضی را نخواهد داشت غیر مخلوط است. سیال بیرونی براي لوله هاي بی پره مخلوط است چون امکان جریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و براي لوله هاي پره دار غیر مخلوط است زیرا وجود پره ها مانع از جریان آن در جهتی عمود بر جهت اصلی جریان می شود.
- 3 بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم
- 1-3 جابجایی یک فاز در هر دو سمت
در مبدلهاي حرارتی از قبیل اکونومایزرها - مبدلهایی که در آن سیال از شرایط مایع مادون اشباع بسمت شرایط مایع اشباع میرود - و گرمکنهاي هوا در دیگ بخار، خنککنهاي میانی در کمپرسورهاي چند مرحلهاي، رادیاتور خودروها، ژنراتورها، خنککنهاي روغن، گرمکنهاي مورد استفاده در گرمایش اطاقها و غیره، در هر دو سمت سیال سرد و گرم، انتقال گرما از طریق جابجایی یک فاز اتفاق میافتد
