مقاله طراحی نانو مبدل حرارتی پوسته_لوله با نرم افزارAspen B - Jac

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه هزینه هاي زیادي صرف مطالعه و پژوهش در زمینه یافتن روش هاي نوین جهت حفظ و نگهداري تجهیزات و سیستم هاي موجود در صنعت می گردد و بحران انرژي در سالهاي اخیر باعث گردید بسیاري از محققان و دانشمندان به سراغ پرکاربردترین تجهیزات موجود که نقش اساسی در صنایع عظیم امروزي را دارند بروند و با بهره گیري از نانو مواد و دانش امروزي در زمینه نانو، این فناوري را در راستاي کارامدتر شدن سیستمهاي صنعتی به خدمت صنعت درآورند.

لذا در این مقاله با تمرکز بر روي مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله که یکی از پرکاربردترین انواع مبدل در صنایع مادر نظیر پتروشیمی ها، پالایشگاه ها و نیروگاه ها می باشند به معرفی نانو پوشش کامپوزیتی Polyaniline/Sio2 بعنوان یک پوشش داخلی در پوسته ي مبدل پرداخته شده است که با رفع دو مشکل خوردگی پوسته و بهبود عملکرد حرارتی این دسته از مبدل ها سبب افزایش راندمان حرارتی و به تعویق افتادن تعمیرات دوره اي مبدل می گردد و در پایان با استفاده از نرم افزار Aspen B-Jac به شبیه سازي، ارزیابی و مقایسه این نانو مبدل با مبدل هاي موجود در صنعت پرداخته شده است.

مقدمه

در دنیاي امروز با توجه به چالش انرژي حفظ و ذخیره ي انرژي از اهمیت بسزایی برخوردار است بگونه اي که بسیاري از کشورهاي جهان سهم عظیمی از تولیدات ناخالص خود را به مطالعه و بررسی روشهاي نوین به منظور افزایش راندمان سیستمهاي موجود و ساخت دستگاههاي جدید با کیفیت مطلوبتر و کارآمدتر اختصاص داده اند؛ در این میان اهمیت مبدل هاي حرارتی مخصوصا نوع پوسته و لوله آن که بیشترین سهم را در صنایع بزرگ مانند پتروشیمی ها، نیروگاه ها، پالایشگاه ها و ... دارند چنان مشهود است که نمی توان به سادگی از کنار آن گذشت و همچنین با توجه به پیشرفت هاي اخیر در زمینه نانو مواد و نانوکامپوزیت ها استفاده از آنها جهت افزایش راندمان و کارآمد شدن این دسته از مبدل هاي حرارتی در صدر روش هاي شیمیایی این تحقیقات قرار گرفته است.

لذا در این مقاله با تمرکز بر روي دو مشکل اساسی مبدل هاي حرارتی نوع پوسته- لوله -1 - عملکرد پایین حرارتی1 و -2 خوردگی2 پوسته ي مبدل - ، به معرفی نانو پوشش کامپوزیتی Polyaniline/Sio2 پرداخته شده است که به عنوان یک پوشش شیمیایی در داخل پوسته ي مبدل حرارتی، سبب مقاومت در برابر خوردگی و تبادل بهتر حرارت بین دو سیال مایع درون مبدل میگردد. و در پایان با طراحی یک مبدل با داده هاي واقعی توسط نرم افزار Aspen B-Jac به شبیه سازي، ارزیابی و مقایسه این نانو مبدل در صنعت و میزان کارآمد بودن آن شده است.

مبدل حرارتی پوسته _ لوله

مبدل هاي حرارتی، وسایلی هستند که جریان انرژي گرمایی بین دو یا چند سیال در دماهاي مختلف را فراهم می کنند . انتقال گرما در یک مبدل حرارتی معمولا به صورت انتقال گرماي جابجایی در هر سیال و هدایت از طریق دیواره جدا کننده است. مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله اي، پرکاربردترین مبدل هاي حرارتی در صنایع بزرگ می باشند که ط ی فرآیندهاي شیمیایی مستقیاًم با مصرف انرژي ارتباط دارند.

این مبدل ها از لوله هاي با مقطع دایره اي که در پوسته هاي استوانه اي بزرگ نصب شده اند، ساخته می شوند به طوري که محور لوله ها موازي با محور پوسته است و همواره دو سیال در آنها جریان می یابند، بگونه اي که سیال اول از داخل لوله ها و سیال دوم درون پوسته به صورت متقاطع با لوله ها و یا در طول آنها جریان می یابد .

این مبدل هاي حرارتی به صورت وسیعی به عنوان خنک کن هاي روغن، چگالنده ها و پیش گرمکن ها در نیروگاهها، و به عنوان مولدهاي بخار در نیروگاههاي هسته اي و همچنین در صنایع فرایند ي و شیمیایی استفاده می شوند. ساده ترین شکل از یک چگالنده نوع پوسته و لوله افقی به همراه اجزاء متعدد آن، در شکل 1 نشان داده شده است.

آرایش هاي مختلف جریان در سمت پوسته و سمت لوله، بسته به ظرفیت گرمایی، افت فشار، سطح فشار، تشکیل رسوب، شیوه هاي ساخت و هزینه بري و کنترل خوردگی و مسائل تمیزکاري، طراحی می شوند. دیوارك ها در مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله اي برا ي افزایش ضریب انتقال گرما در سمت پوسته و براي نگه داشتن لوله ها استفاده می گردند..

خوردگی [2] در ابتدا باید بیان نمود که خوردگی همیشه یک پدیده ي نامطلوب نیست بلکه در بعضی موارد مانند: آندیزه کردن1 آلومینیوم و تراش شیمیایی 2 نقش مطلوبی دارد؛ اما خوردگی به عنوان یک پدیده ي نامطلوب داراي تعاریفی متعددي است و بطورکلی و جامع خوردگی عبارت است از برهم کنش الکتروشیمیایی بین ماده و محیط اطراف آن که نتیجه آن انهدام و نابودي یا فساد مواد و یا تغییر و دگرگونی در خواص و مشخصات آنهاعموماً - فلزات - به سبب فعل و انفعال شیمیایی آن ها با محیط اطراف می باشد.

طبقه بندي انواع خوردگی در مبدل هاي حرارتی پوسته-لوله

براي خوردگی طبقه بندي هاي مختلفی وجود دارد؛ طبقه بندي انواع خوردگی غالباً با توجه به شکل ظاهري فلز خورده شده صورت می گیرد، بطوري که در اکثر حالات با مشاهده فلز خورده شده می توان نوع آن را مشخص نمود و حال آنکه خوردگی هاي قالب در مبدل حرارتی عبارتند از : خوردگی دماي بالا3، خوردگی داخل مبدل و لوله ها ، خوردگی سطح خارجی مبدل و لوله ها ، خوردگی مرطوب4  و خوردگی گالوانیکی یا دو فلزي - شکل . - 2

اصول خوردگی

مقاومت در برابر خوردگی وابسته به فاکتورهاي مهمی است از علوم زیر حاصل می گردد:

- 1 ترمودینامیک : بیان کننده امکان پذیر بودن واکنش هاي خوردگی از نظر تئوري می باشد.

- 2 متالورژي : تاثیر ساختمان متالورژیکی فلزات و آلیاژها را در تقلیل خوردگی نشان میدهد.

- 3 شیمی – فیزیک: تاثیر خواص شیمیایی و فیزیکی - سطحی - فلز را در خوردگی نشان میدهد.

- 4 الکتروشیمی: به کمک قوانین الکتروشیمی می توان پدیده خوردگی را توجیه و سینتیک آنرا توضیح داد.

روش هاي جلوگیري و کنترل خوردگی

بطور کلی هدف از کنترل خوردگی شناخت پدیده ها و ارزیابی کلیه عوامل موثر در این پدیده و تلاش براي مبارزه با اثرات تخریبی خوردگی و انتخاب مناسب ترین مواد و روش ها می باشد. در این میان مهمترین و معمول ترین روش هاي جلوگیري و یا کنترل خوردگی عبارتند از: انتخاب مواد ازبین بردن یا کاهش قدرت خورندگی محیط5 ، طراحی ، حفاظت کاتدي6 ، حفاظت آندي7 و پوشش . استفاده از بیشتر روشهاي فوق با توجه به شکل، نحوه ي عملکرد و نوع کاربرد مبدل هاي حرارتی پوسته- لوله امکان پذیر نمی باشد و در برخی موارد هزینه هاي سنگینی را بهمراه خواهد داشت اما استفاده از پوشش ها آلی در این میان به مراتب ساده تر و مقرون بصرفه تر می باشد که در ادامه ي مطالب این مقاله بطور کاملتر به آن پرداخته می شود.

نانو کامپوزیت ها

در بحث مواد نانو، نانوکامپوزیت ها از جایگاه ویژه اي برخوردار هستند. یکی از ویژگی هاي ساختاري مهم در نانوکامپوزیت ها، نسبت زیاد مساحت سطح بین اجزا به حجم آن می باشد؛ در واقع نانوکامپوزیت ها موادي چند جزئی اند که یک یا تعداد بیشتري از اجزاء آنها حداقل ابعادي حدود 100 nm یا کمتر دارند . در مقایسه با کامپوزیت هاي معمولی، خواص نانو کامپوزیت ها بهبود چشمگیري را حتی در مقایسه با خواص هر کدام از اجزاء تشکیل دهنده ي آن به تنهایی نشان می دهد.

 به گونه اي که با کاهش ابعاد فیزیکی اجزاء تا حدود نانومتر، اجزاء نانوکامپوزیت ها بر اثر برهم کنش سطحی بین ماده ي زمینه و مواد پرکننده از خواص بهتري برخوردار می باشند. نوع و میزان این برهم کنش ها نقش مهمی در خواص مختلف نانوکامپوزیت ها همچون حلالیت، خواص نوري، خواص الکتریکی و مکانیکی دارد .[4] انواع نانوکامپوزیت ها را می توان بر اساس ماده ي زمینه آن ها به شرح زیر طبقه بندي کرد:

- 1 نانو کامپوزیت هاي پلیمري1

- 2 نانو کامپوزیت هاي سرامیکی2

- 3 نانو کامپوزیت هاي فلزي3

- 4 نانو کامپوزیت هاي بین فلزي4

در بین نانوکامپوزیت ها، بیشترین توجه به نانوکامپوزیت هاي زمینه پلیمري معطوف است، از اینرو با توجه به موضوع این مقاله، در بخش بعدي به بررسی نانوکامپوزیت Polyaniline/SiO2 پرداخته شده است.

نانو کامپوزیت پلی آنیلین/ سیلسیم دي اکسید ] - Polyaniline/SiO 2 - ٧[

ترکیب خواص مطلوب PANI - پایداري محیطی خوب، رسانایی الکتریکی بالا، الکتروکرومیسم، تبدیل برگشت پذیر حالت هاي اکسایش مختلف، فعالیت هاي کاتالیستی و خواص ضدخوردگی - و سیلیس - مقاومت حرارتی خوب، استحکام کششی بالا و سختی - منجر به بهبود چشمگیر کارایی فنی کامپوزیت جدید، نسبت به PANI خالص شده است.[5] لذا در سال هاي اخیر نانوکامپوزیت هاي سیلیس به دلیل هزینه ي کم، تولید و کارایی بالا، توجه زیادي را به خود جلب کرده اند؛ در واقع از میان نانوکامپوزیت هاي آلی -معدنی بیشمار موجود، نانوکامپوزیت هاي سیلیس -پلیمر ها از جایگاه ویژه اي برخوردار هستند.

نانوکامپوزیت هاي سیلیس/پلیمر علاوه بر بهبود خواص فیزیکی نظیر بهبود خواص مکانیکی - مانند: افزایش مدول، استحکام، چقرمگی، و در برخی موارد طویل شدن - و بهبود خواص حرارتی - مانند : افزایش مقاومت حرارتی، دماي انتقال شیشه اي - Tg - و یا دماي انحراف گرمایی بالاتر، کاهش ضریب انبساط حرارتی - ، به دلیل خواص منحصربفردشان در صنایع بسیاري کاربرد دارند که این کاربردها عبارتند از :پوشش هاي مقاوم در برابر سایش و خراش، مواد بازدارندهی آتش، دستگا ههاي نوري، مواد مقاوم در برابر نور، غشاهاي فوق تراوا با برگشت پذیري انتخابی، غشاهاي تبادل پروتون و غیره ]٦.[

آزمایشات عملی صورت گرفته در آزمایشگاه

با توجه با آنچه در مقدمه به آن اشاره شد، هدف این مقاله بررسی تاثیرات مطلوب نانو پوشش کامپوزیت پلی آنیلین/ سیلسیم دي اکسید جهت رفع دو مشکل اساسی مبدل هاي حرارتی یعنی عملکرد پایین حرارتی و خوردگی می باشد و نیز از آنجا که هدف اصلی و نهایی این مقاله نشان دادن تئوري طراحی مبدل حرارتی مدل در فاز آزمایشگاهی با کمک نرم افزار Aspen B-Jac از روي مدل واقعی در صنعت جهت بیان اثرات مثبت این پوشش در صورت عملی شدن آن می باشد، لذا تاثیرات این نانو پوشش را در دو بخش با عنوان هاي آزمایش حرارتی و آزمایش خوردگی با کمک جدول، نمودار و شکل بیان نموده و در این دو بخش از بیان جزئیات آزمایش ها صرفه نظر گردید و تنها به نتایج آزمایشات با کمک جدول، نمودار و شکل پرداخته شده است.

آزمایش حرارتی]٨[

پس از تولید Polyaniline/SiO2 در فاز آزمایشگاهی، براي اینکه این ماده بر روي سطح فلز مورد آزمایش بچسبد باید آن را به مدت 12 ساعت درون آون٥ و در دماي 50 °c قرار داد - شکل . - 3 پس پوشش دادن سطح فلز با نانو پوشش کامپوزیتی ظرف فلزي داراي پوشش را درکنار ظرف فلزي بدون پوشش که کاملاً از نظر ابعاد و جنس همانند ظرف داراي پوشش است بر روي صفحه ي یک هیتر برقی قرار داده و درون هر کدام از آنها 100ml آب - به عنوان سیال مورداستفاده در مبدل حرارتی - با دماي اولیه27°c ریخته می شود.

سپس با کمک دو دماسنج جیوه اي دماي سیال - آب - را اندازه گیري نمایند. در ابتداي امر و رسیدن به دماي 35°c اختلاف فاحش دمایی مشاهده نمی گردد اما پس از گذشتن از مرز دمایی35° c اختلاف دمایی ظاهر و بایک آهنگ خاص و ثابت تا نقطه ي جوش آب ادامه می یابد که جدول 1و نمودار 1 چگونگی این تغییرات را با مقایسه ي اختلاف دما نسبت به زمان نشان می دهند.