بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر، طراحی، ساخت و تست هیتر تابشی کاتالیستی لوله ای جهت گرمایش سیال فرآیندی در دستور کار قرار گرفته است. در این هیترها با استفاده از احتراق کاتالیستی، دمای احتراق کاهش یافته که ضمن تولید حرارت تابشی، موجب حذف شعله و عدم تولید آلایندههای زیستمحیطی می گردد. به منظور افزایش راندمان این هیترها، با در نظر گرفتن پارامترهای طراحی نظیر نسبت طول به قطر هیتر، قطر هیتر به قطر لوله، طول و قطر لوله، شکل هیتر از حالت تخت به شکل لوله ای تغییر یافت تا با افزایش ضریب شکل بین هیتر و لوله، راندمان سیستم افزایش یابد.
سپس این دستگاه جهت گرمایش سیال عبوری از درون یک لوله با طول 60 سانتیمتر و قطر 4 اینچ در آزمایشگاه انرژی، آب و محیط زیست دانشگاه علم و صنعت ایران طراحی و ساخته شد. جهت تست عملکرد سیستم، پارامترهای دمای سطح و عمق هیترها، دبی سوخت، دما و دبی سیال فرآیندی و آنالیز محصولات احتراق، اندازه گیری شد. سپس نتایج بدست آمده با نتایج تست های انجام شده با استفاده از 4 هیتر تخت مقایسه گردید و مشاهده شد که راندمان گرمایش سیال فرآیندی با هیتر لوله ای نسبت به هیتر تخت، 13 درصد افزایش یافته و از 25 درصد به 38 درصد رسیده است.
مقدمه
احتراقی که در آن از یک کاتالیست برای تغییر و بهبود نرخ واکنشهای احتراقی استفاده گردد، احتراق کاتالیستی نامیده می شود. کاتالیست در واقع یک مسیر واکنش انحرافی با انرژی فعالسازی کمتر ایجاد می کند، بدون اینکه در طول واکنش مصرف گردد. در احتراق کاتالیستی به دلیل کاهش انرژی فعال سازی واکنش، احتراق بین سوخت و هوا در دمای 400 درجه سلسیوس رخ می دهد که این امر منجر به حذف شعله میگردد.
دمای 400 درجه سلسیوس زیر نقطه اشتعال بسیاری از گازها و بخارات قابل اشتعال میباشد. بنابراین از این فرآیند میتوان در گرمایش محیطهای پر خطر و سیالات قابل اشتعال نظیر گاز استفاده کرد. احتراق کاتالیستی در مقایسه با احتراق همگن1، در دماهای پایینتری رخ میدهد، که منجر به تولید آلاینده اندک در آن بوده بهگونهای که مقدار اکسیدهای نیتروژن در محصولات احتراق را به صفر میرساند همچنین به علت حذف دودکش و احتراق کامل گاز در دمای پایین از راندمان بالاتری برخوردار است.
مزیت دیگر احتراق کاتالیستی این است که در آن شعلهای مشاهده نمیشود که این ویژگی امنیت این نوع از احتراق را بالا می برد. با توجه به مزایای پرشمار احتراق کاتالیستی، تلاش ها به سمت ساخت سیستمی با هدف ایجاد گرمایش معطوف شد و این تلاشها منجر به ساخت پنل2 تابشی کاتالیستی شد. این پنلها با توجه به مکانیزم تبدیل انرژی و انتقال حرارت کاربردهای بسیاری را دارا میباشند. برخی از کاربردهای صنعتی این پنلها عبارتند از: کورههای پخت رنگ ، کورههای عملیات حرارتی، صنایع پارچه و چرم، صنایع چوب و کاغذ، صنایع غذایی، صنایع نفت وگاز جهت گرمایش سیال فرآیندی. همچنین به علت خصوصیات ذکر شده بهترین و امنترین سیستم جهت استفاده در محیطهای پرخطر است.
اجزای مختلف یک پنل تابشی تخت در شکل 1 نشان داده شده است، در این پنلها از یک لایه کاتالیستی به همراه چندین لایه عایق استفاده می شود، این لایهها وظیفه توزیع سوخت گازی، جلوگیری از اتلاف حرارت از پشت پنل و همچنین پیش گرمایش سوخت را بر عهده دارند. واکنش احتراق در لایه کاتالیستی نیاز به انرژی فعالسازی داشته که توسط یک المنت حرارتی تامین میگردد.
با رسیدن دمای لایه کاتالیستی به 120œC واکنش شروع شده و در ادامه به صورت خودبخودی ادامه مییابد. دمای حاصل از احتراق کاتالیستی در سطح پنل معمولا در محدوده 400œC میباشد. کاتالیست مورد استفاده در این پنلها، معمولا کاتالیست فلزات نجیب6 مانند پلاتین و پالادیم بر روی پایه فیبر آلومینا است4]،3،.[2 پنل های تابشی کاتالیستی امروزه به عنوان سیستمهای تولید حرارتِ پاک و ایمن تلقی می گردند که به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد خود، توانستهاند جایگاه خود را در بسیاری از کاربردهای تجاری و صنعتی باز نمایند.
به عنوان یکی از کاربردهای صنعتی پنل های تابشی که در سالهای اخیر بیشتر به آن پرداخته شده است، میتوان به گرمایش سیال عبوری از درون لوله اشاره کرد، این سیالات میتوانند سیالات قابل انفجار نظیر گاز طبیعی در ایستگاه های تقلیل فشار، گاز طبیعی سوخت توربین های گاز و یا سوختهای مایع جهت حرکت در خطوط انتقال باشند. با توجه به عدم تشکیل شعله در این پنلها استفاده از آنها در گرمایش سیالات پرخطر نظیر روغن در پالایشگاه ها و چاه های استخراج مرسوم شده است.
استفاده از این پنل ها در گرمایش سیالات فرآیندی نظیر گاز طبیعی، پروپان، نفت و روغن، از سال 2006 آغاز گردیده و تا سال 2010 نزدیک به 120 نمونه از این هیترها در این کاربرد مورد بهرهبرداری قرار گرفته است، این هیترها جایگزین هیترهای حمامی در صنعت شدهاند6]،.[5 یکی از این محیطهای پرخطر صنایع نفت و گاز است، بطور مثال یکی از موارد استفاده از هیترهای کاتالیستی تابشی ایستگاههای تقلیل فشار گاز بوده که به علت افت فشار گاز درجه حرارت گاز کم شده و باعث ایجاد ترکیبات مختلف یخزده میشود که میتواند به تجهیزات مختلف ایستگاه صدمه وارد کند.[7]
در هیترهای تابشی، با قرار دادن حداقل دو و حداکثر چهار پنل تخت به صورت افقی حول لوله و در فاصله ای مشخص از سطح آن، انرژی تابشی صادره ناشی از فرآیند احتراق کاتالیستی در پنلها، جذب لوله شده و بنابراین، سیال عبوری از درون آن، گرم می شود. شکل 2 شماتیک قرارگیری 4 پنل تخت حول لوله عبور سیال فرآیندی در این سیستمها را نشان می دهد. شایان ذکر است که با توجه به اثرگذاری زاویه نصب پنل بر عملکرد احتراقی آن به دلیل محدودیت نفوذ اکسیژن به لایه کاتالیستی و خروج محصولات احتراق از آن، بیشتر از چهار پنل نمیتوان به صورت چیدمان افقی حول لوله قرار داد.
این امر راندمان حرارتی هیتر را به علت فرار تابش از مجموعه محدود می نماید، همچنین نمی توان پنل را بیش از حدی به لوله نزدیک کرد چون باعث عدم رسیدن اکسیژن به پنل می شود. البته باید به این نکته توجه نمود که طبیعتا قرار دادن چهار پنل حول لوله عملکرد بهتری را نسبت به دو پنل خواهد داشت 8]،.[7 تحقیقات گسترده ای توسط نویسنده از سال 1388 در گرمایش سیال فرایندی با پنلهای تخت در زمینه طراحی، ساخت و تست پنلهای تابشی انجام شده است. تست و شبیه سازی گرمایش سیال فرایندی با دو پنل تخت در لوله ای 4 اینچ با طول 60 سانتیمتر طی دو تحقیق مختلف با پنل هایی با ابعاد 30 در 60 سانتی متر و 15 در 60 سانتی متر انجام شده است.[7]
طبق آزمایشات انجام شده بر روی هیترتابشی کاتالیستی جهت افزایش راندمان با 4 پنل تخت جهت گرمایش سیال فرآیندی بازده در حدود 25 درصد مشاهده شده است که علت آن را میتوان فرار تابش از داخل هیتر به بیرون، عدم وجود بدنه مستقل برای هیتر، تماس هیتر با فضای بیرون، عدم عایق بودن فضای جانبی، هدر رفت حرارت به علت گرم شدن سطوح جانبی و فوقانی هیتر و خروج اجتناب ناپذیر محصولات احتراق داغ دانست.[9]
همچنین طی آزمایشات انجام شده بر روی پنلهای تابشی این سیستم ها از لحاظ تولید آلاینده در شرایط محیطی مختلف مورد بررسی قرار گرفتند که میزان آلایندگی بسیار ناچیزی - تولید کربن مونوکسید کمتر از - 10 ppm را با تغییر شرایط محیطی و شبیهسازی شرایط چندین شهر در کشور از خود نشان دادهاند11]،.[10
به منظور حل مشکل فنی مطرح شده جهت افزایش ضریب دید تابش بین سطح پنل و سطح لوله تصمیم بر این شد که شکل پنل به طور لوله ای شود تا پنل و لوله به یک نزدیک شود تا تمرکز تابش ساطع شده از سطح پنل بر روی لوله عبوری سیال فرآیندی قرار گرفته و مانع از هدر رفت و خروج انرژی از هیتر تابشی شود. با توجه به هدف هیتر که گرمایش سیال عبوری از داخل لوله میباشد اقدام به طراحی و ساخت 2 پنل تابشی کاتالیستی نیم استوانه متناسب با سایز لوله نموده و با چیدمان مناسب آنها یک هیتر تابشی کاتالیستی لولهای برای اولین بار در جهان ساخته شد.
در یک هیتر تابشی کاتالیستی لولهای از دو پنل تابشی نیماستوانه استفاده می شود در شکل 3 اجزای این پنل نیماستوانه نشان داده شده است. همانطور که در شکل 4 مشاهده میشود سیستم هیتر تابشی کاتالیستی لولهای دارای 2 عدد پنل تابشی نیم استوانه به همراه لولهی عبور سیال فرآیندی و پایه سیستم میباشد. سیال فرآیندی از داخل لوله عبور کرده و لوله عبور سیال با جذب حرارت از هیتر تابشی کاتالیستی گرمای لازم جهت گرمایش سیال فرآیندی را فراهم میکند. همچنین جهت تست پارامترهای مختلف در این سیستم با توجه به دادههای مطلوب یک سیستم تست طراحی شده و بر روی هیتر تابشی کاتالیستی لولهای اعمال شده است که در ادامه به تفصیل توضیح داده خواهد شد.
طراحی و ساخت هیتر تابشی کاتالیستی لولهای
پارامترهای طراحی که جهت ساخت هیتر لوله ای به منظور گرمایش سیال فرآیندی در نظر گرفته شده است عبارتند از: طول هیتر، قطر هیتر - نسبت قطر به طول هیتر از اهمیت بالایی برخوردار است - ، قطر لوله، نسبت قطر هیتر به قطر لوله، چیدمان هیتر و لوله - نصب عمودی - ، جایابی تجهیزات داخلی، راهاندازی اولیه، دبی سیال فرآیندی، دبی سوخت. با توجه به اینکه نمونههای2 پنله و 4 پنله تست شده به عنوان نمونه هایی برای مقایسه مطرح شدهاند و دارای ابعاد 60 سانتی متر هستند، طول 60 سانتیمتر برای ارتفاع هیتر انتخاب شده است.
شعاع داخلی هیتر اصلیترین پارامتر در طراحی است و تعیین این پارامتر با فرض ابعادی استاندارد برای لوله تابع چندین شرایط است. نسبتی به صورت نسبت طول هیتر به قطر هیتر تعریف میگردد که مقدار آن هر چقدر بیشتر باشد فرار تابش از قسمت بالایی و پایینی هیتر کمتر خواهد بود، قابل درک است هر آنچه فاصله سطح تابش با لوله کمتر باشد میزان حرارت تشعشی بیشتری به لوله رسیده و گرمایش سیال داخل لوله بیشتر خواهد بود ولی باید به این نکته توجه کرد که گازهای ناشی از احتراق راه خروجی به غیر از فاصلهی بین لوله و هیتر نخواهند داشت پس در صورتی که هیتر و لوله بیش از اندازه به هم نزدیک شوند مقدار کربن دیاکسید در ارتفاعهای بالاتر باعث اختلال در سوختن گاز میشود.
همانطور که توضیح داده شد هر چه طول هیتر را بیشتر در نظر بگیریم نیز خواهیم دید که اختلال در سوختن گاز ایجاد خواهد شد. جهت طراحی و ساخت با توجه به مطالعات گذشته[7] لوله 4 اینچ و فاصله 2 سانتیمتر از لوله نیز برای هیتر انتخاب گردیده است. در بحث انتخاب لوله برای عبور سیال فرآیندی چند پارامتر مورد توجه قرار میگیرد . ابتدا طول لوله و دیگر قطر خارجی لوله و ضخامت پوسته لوله ، این نکته قابل ذکر است که لولهی انتخابی باید ابعاد و اندازه طبق استاندارد داشته و به این منظور باید به جدول استاندارد ابعاد لوله1 مراجعه کرده و ابعاد لوله را بهدست آورد.
با توجه به نمونهی قابل مقایسه از لحاظ عملکردی که در بخشهای قبل توضیح داده شد طول لوله 60 سانتیمتر انتخاب شده است که با توجه به استفاده از لوله آهنی با استاندارد API 5l2 در نمونه 4 پنله اینجا نیز از همان ابعاد استفاده شده تا بتوان مقایسه مناسبی به عمل آورد. به این منظور از لوله 4 اینچ SCH403 استفاده شده است.
برای به حرکت درآوردن سیال در داخل لوله از مکش هوا استفاده شده است که با توجه به جهت حرکت محصولات احتراق مسیر معکوس را طی نموده و نرخ انتقال حرارت بالاتر برود. طبق استاندارد ماکزیمم سرعت گاز درون لوله 20 متر بر ثانیه است. جهت ایجاد انتقال حرارت ماکزیمم از یک فن با توانایی ایجاد سرعت سیال 20 متر بر ثانیه درون لوله استفاده شده است.
پس از تهیه نقشههای تمامی قطعات و همچنین نقشه مورد نیاز جهت برش قطعات اولیه پنلهای تابشی نیم استوانه مراحل ساخت را شروع نموده که شامل برش لیز، نورد و خمکاری قطعات، جوش و در نهایت مونتاژ کامل قطعات و تجهیزات داخلی است. شکل 5 هیتر تابشی کاتالیستی لولهای را پس از مونتاژ کامل قطعات و قرار گرفتن بر روی پایه نشان میدهد. به دلیل جذب تابش بیشتر توسط لوله، روی سطح لوله با رنگ مقاوم به حرارت با فام مشکی رنگ شد.
تست هیتر تابشی کاتالیستی لولهای
جهت تست عملکرد گرمایش سیال فرآیندی با استفاده هیتر تابشی کاتالیستی لولهای سیستم تستی مطابق شکل 6 طراحی شد و بر روی سیستم قرار گرفت. جهت بررسی عملکرد هیتر تابشی کاتالیستی لولهای می بایست پارامترهای مختلفی نظیر دمای سطح هیتر، دمای عمق هیتر، محصولات احتراق، دمای سیال فرآیندی در ورودی و خروجی، سرعت جریان سیال فرآیندی - دبی سیال فرآیندی - ، دبی سوخت و دمای محصولات احتراق مورد اندازهگیری و ارزیابی قرار داده شوند. لذا دستگاه تست با در نظرر گرفتن پارامترهای مذکور، محدوده تغییرات و نحوه اندازهگیری آنها طراحی و ساخته شد. برای تست هیتر تابشی کاتالیستی لولهای از هوا به عنوان سیال فرآیندی استفاده شده است.
جهت دستیابی به پارامترهای مورد مطالعه در این پژوهش تجهیزات اندازه گیری مناسب بر اساس دامنه تغییرات پارامترها انتخاب گردید. برای اندازه گیری دما در سطح پنلهای تابشی کاتالیستی نیم استوانهای از ترمومتر5 لیزری استفاده شد که با استفاده از امواج مادون قرمز ساطع شده از سطح دما را اندازهگیری میکند. برای اندازهگیری دبی سوخت از یک کنتور گاز G4 با دقت 200 میلی لیتر استفاده شد.
