بخشی از مقاله
خلاصه
مبدل حرارتی وسیلهای است که برای انتقال حرارت موثر بین دو یا چند سیال ساخته شده است که در آن دو سیال توسط یک دیواره از هم جدا شدهاند، بنابراین دو سیال هیچ وقت در همدیگر مخلوط نمیگردند. بیشترین استفاده مبدلهای حرارتی در: حرارت دادنهای فضایی، یخچالها، تهویه مطبوع، تجهیزات قدرت، واحدهای پتروشیمی، پالایشگاهها و تصفیه گازهای طبیعی میباشد.
مبدلهای حرارتی موجود در صنایع و کارخانجات به خصوص صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، معمولا از نوع پوسته و لوله - Shell & Tube - میباشند. از مزایای این مبدلها میتوان به سطح تماس زیاد در حجم کم، طرح مکانیکی خوب و توزیع یکنواخت فشار و راحتی تمیز کردن آنها اشاره کرد. در این مقاله به بررسی تغییر پارامترهای ساختاری با هدف کاهش هزینه ساخت در مبدل حرارتی پوسته لوله 100 -E- 101 ، پرداخته می شود. جهت انجام این امر ابتدا تک تک اجزای مهم ساختاری مبدل حرارتی 100 -E- 101 ، به صورت مجزا و مفصل از لحاظ اقتصادی و شرایط عملیاتی مورد بررسی قرار گرفته و سپس با توجه به نوع بهینه هر جزء، مبدل حرارتی جدیدی طراحی و شبیه سازی می گردد.
با تعیین قیمت مبدل جدید طراحی شده مشخص می گردد هزینه ساخت مبدل پوسته لوله 100 -E- 101 نسبت به مبدل موجود با %30 کاهش مواجه می گردند، این کاهش هزینه در حالی رخ می دهد که مبدل جدید قادر به تامین دماهای خروجی مورد نظرمی باشد و مهم تر از آن مبدل پیشنهادی از لحاظ شرایط عملیاتی نیز نظیر افت فشار هر دو سمت، ضریب انتقال حرارت، ارتعاشات و ... مشکلی نداشته و امکان ساخت آن ها با توجه به استانداردهای مبدل های حرارتی پوسته لوله - TEMA - کاملا میسر می باشد.
.1 مقدمه
مبدل های حرارتی متنوعی در صنایع گوناگون از جمله تولید قدرت، فرایندهای شیمیایی، صنایع غذایی، الکترونیک، مهندسی محیط زیست، بازیافت حرارت، صنایع ساخت، تهویه ی مطبوع ، تجهیزات برودتی و کاربردهای فضایی استفاده می شوند. هدف از مقدمه این مقاله، توضیح مختصری درباره ی انواع این مبدل ها و طبقه بندی آن هاست.
به طور کلی مبدل های حرارتی بر اساس فرایندهای انتقال حرارت، تعداد سیال کاری، میزان فشردگی، خصوصیات ساختاری، آرایش جریان و ساز و کار انتقال حرارت دسته بندی می شوند. مبدل حرارتی دستگاهی برای انتقال حرارت بین حداقل دو محیط است. مبدل های کمی وجود دارند که در آنها سیالات کاری در تماس مستقیم با هم هستند. در بیشتر مبدل ها سیالات کاری توسط جداره ی جامدی از هم جدا میشوند. به طور کلی مبدل ها براساس معیارهای زیر طبقه بندی می شوند.
- 1 بهبود دهنده و بازیاب
- 2 فرایندهای انتقال شامل تماس مستقیم و تماس غیر مستقیم؛
- 3 هندسه ی ساخت شامل لوله ای، صفحه ای، سطوح پره دار؛
- 4 نوع انتقال حرارت شامل تک فاز یا دوفازی؛
.2 تحقیق اثر تغییر پارامترهای ساختاری با هدف کاهش قیمت در مبدل100 -E-101 در این بخش از مقاله، ابتدا پارامترهای مهم و تاثیر گذار در قیمت مبدل را به طور جامع مورد بررسی قرار داده و سپس مبدلی طراحی می گردد که علاوه بر تامین دما و Duty مبدل قبلی ، در هزینه ساخت مبدل نیز صرفه جویی قابل توجهی صورت پذیرد.
در این قسمت با استفاده از نرم افزار Aspen Hetran به تفکیک میزان تاثیر قسمت ها و اجزاء مختلف مبدل های پوسته-لوله بر میزان هزینه و تغییر شرایط عملیاتی، مورد بررسی قرار می گیرد. منظور از شرایط عملیاتی میزان تاثیر پارامترهای مورد نظر بر مقدار افزایش هر چه بیشتر دمای سیال سرد می باشد. هدف از این بخش این است که مناسب و بهینه ترین اجزا را در طراحی مبدل های حرارتی پوسته-لوله شناخته و سپس در طراحی مجدد از کارآمدترین اجزا جهت بهینه سازی مبدل مورد بحث استفاده گردد.
.1,2 بررسی اثر قطر پوسته بر میزان هزینه و شرایط عملیاتی در مبدل 100 -E-101 جهت تعیین میزان تاثیر قطر پوسته بر قیمت و نیز تغییر در دمای سیال سرد در مبدل حرارتی پوسته -لوله 100 -E- 101 ، تعداد لوله های مبدل شبیه سازی شده مورد بحث را از 967 به 600 عدد، طول لوله مبدل را از 3 به 2 متر کاهش داده و ثابت فرض کرده سپس با افزایش قطر داخلی پوسته از 1,475 تا 2,075 متر سعی در رساندن دما خروجی سیال سرد به میزان موجود در شبیه سازی - 31,8oC - گردید.
همانگونه که از نمودار فوق مشخص است با افزایش قطر پوسته علاوه بر افزایش قیمت مبدل به صورت چشمگیر و تصاعدی، دمای خروجی سیال سرد نه تنها افزایش پیدا نکرد بلکه با کاهش مواجه شد که این پدیده ای نامطلوب محسوب می گردد، دلیل این امر را می توان در کاهش سطح انتقال حرارت به سبب افزایش قطر پوسته دانست. لذا می توان نتیجه گرفت در مبدل حرارتی پوسته-لوله 100 -E- 101 کاهش قطر پوسته به میزانی که سبب مشکلاتی نظیر وجود حجم کافی جهت قرارگیری تعداد لوله و دسته لوله نگردد، مفید بوده و در جهت کاهش قیمت مبدل پارامتری مهم و کلیدی محسوب می گردد.
.2,2 بررسی اثر طول لوله بر میزان هزینه و شرایط عملیاتی در مبدل 100 -E-101 جهت تعیین میزان تاثیر طول لوله بر قیمت و نیز تغییر در دمای سیال سرد در مبدل حرارتی پوسته -لوله 100 -E- 101 ، تعداد لوله های مبدل شبیه سازی شده مورد بحث را از 967 به 600 عدد کاهش داده و ثابت فرض کرده و سپس با افزایش طول لوله از 2 تا 4,1 متر سعی در رساندن دما خروجی سیال سرد به میزان موجود در شبیه سازی - 31,8oC - گردید.
نمودار-2 بررسی تغییرات طول لوله با دمای خروجی سیال سرد و هزینه ساخت مبدل همانگونه که از نمودار فوق قابل مشاهده است با افزایش طول لوله از 2 تا 4,1 متر دمای مورد نظر در شبیه سازی - 31,8oC - حاصل گشت. نکته قابل توجه اینست که با افزایش طول لوله و تامین دمای مورد نظر قیمت ساخت مبدل به مقدار 248320 دلار رسید که از هزینه مبدل شبیه سازی شده که عددی برابر 255160 دلار بود، به میزان 6840 دلار کمتر می باشد.
.3,2 بررسی اثر تعداد لوله بر میزان هزینه و شرایط عملیاتی در مبدل 100 -E-101 جهت تعیین میزان تاثیر تعداد لوله بر قیمت و نیز تغییر در دمای سیال سرد در مبدل حرارتی پوسته -لوله 100 -E- 101 ، طول لوله های مبدل شبیه سازی شده مورد بحث را از 3 به 2 متر کاهش داده و ثابت فرض کرده و سپس با افزایش تعداد لوله از 600 تا 2100 عدد متر سعی در رساندن دما خروجی سیال سرد به میزان موجود در شبیه سازی - 31,8oC - گردید.
