بخشی از مقاله
چکیده
مبادله کنهاي گرماي صفحهاي، قادر به انجام محدودهي بسیار وسیع از وظایف گرمایی در صنایع گوناگون هستند.
سیستم خنک کاري موتورهاي احتراق داخلی، یکی از مواردي است که میتوان از قابلیتهاي این مبادله کنها استفاده نمود. در این مقاله، یک مبادله کن صفحهاي دو مرحلهاي براي خنک کردن دو مسیر آب خنک کاري موتور، طراحی و آنالیز شده است.
در این تحقیق، خنک کاري موتور با توان خروجی حدود 4000 اسب بخار با کاربري دریایی مورد بررسی قرار میگیرد. به این منظور دو دسته تغییرات اصلی ناشی از تغییرات توان و شرایط مرزي گوناگون مورد بررسی قرار میگیرند. تغییراتی که روي موتور اجرا میشوند تا الزامات بر آورده شود شامل اضافه شدن مبدل آب دریا براي مدارهاي آب کم دما و پر دما، نصب تجهیزات گردش آب خنک کاري از دریا و تغییرات سامانههاي جانبی است.
با توجه به اینکه در طرف سرد مبدل، آب دریا استفاده میشود و با تغییر فصل، دماي آب دریا تغییر میکند و از طرفی دو نوع سیال گرم از دو مدار با دبی متفاوت در دو حالت کارکرد در حالت کم دما و پر دما، از موتور وارد این مبدل میشود . لذا طراحی ویژهاي براي ساختار دو مرحلهاي مبدل با سه ورودي و سه خروجی براي انجام وظیفه حرارتی در حالت کم دما و پر دما در این تحقیق انجام پذیرفته است. نتایج طراحی و آنالیز پارامترهاي ضریب عمومی انتقال گرما و افت فشار در کانال صفحات نشان میدهد که این مبدل براي این دو حالت فرآیندي، عملکردي پایدار دارد.
-1 مقدمه
مبادله کن هاي گرمایی صفحه اي،اساسال براي سادگی و تمیزکاري، در صنایع غذایی، در دهه 1930 معرفی شده اند و طراحی آنها در دهه 1960 با تکامل موثر هندسه صفحات،مونتاژ اجزاء و مواد بهبود یافته واشر کارآمد گشت. محدوده کاربردهاي ممکن این مبادله کن، بصورت قابل ملاحظه اي توسعه داده شد و در حال حاضر در زمینه هاي مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند.
این مبادله کن ها قادر به انجام محدوده اي بسیار وسیع از وظایف گرمایی در صنایع گوناگون هستند بنابراین براي کاربردهاي انتقال گرماي مایع - مایع در فشار کم و متوسط، آنها می توانند جایگزینی براي مبادله کن هاي گرمایی نوع پوسته و لوله اي باشند.
با توجه به امکان تنوع در طراحی این مبادله کن ها براي صفحات و آرایش هاي مختلف که می توانند براي وظایف گرمایی متفاوت مناسب باشند، طراحی مبادله کن هاي صفحه اي بسیار تخصصی است. در حال حاضر در ایران چندین شرکت دانش فنی طراحی و ساخت مبادله کن گرماي صفحه اي و ماشین آلات مربوطه را توسعه و ارتقاء داده اند.
کاربردهاي معمول مبادله کن هاي صفحه اي،عمدتال در شرایط مایع – مایع و جریان آشفته است. از موارد بسیار مهم، بویژه در نواحی ساحلی یا دریایی، سیستم هاي خنک کننده مرکزي هستند که از آب دریا، آب رودخانه یا آب چاه به عنوان منبع کم دما استفاده می کنند در این حالت جنس صفحات مبادله کن هاي صفحه اي می توانند از تیتانیوم ساخته شوند تا در برابر خوردگی آب دریا مقاومت کنند.
در این تحقیق مبدل صفحه اي براي خنک کاري موتور استفاده شده است و گرماي منتقل شده توسط دو مدار داخلی کم دما و پر دماي موتور به مبدل منتقل می شوند و آب دریا نیز در طرف دیگر مبدل، گرماي انتقال یافته را به دریا منتقل می کند.
طراحی مسیرهاي لولههاي آب متصل به مبدل براي آب پر دما و کم دما و همچنین آب دریا در شکلهاي 2 و3 نشان داده شده است.موتور دو مدار خنککاري آب داغ و آب گرم دارد. آب داغ، بدنه، سرسیلندر و مرحله اول هوایورودي موتور را خنک میکند و مدار آب گرم، وظیفه خنک کردن روغن و مرحله دوم هوایورودي به موتور را بر عهده داردح آب هر دو مدار در یک مبدل حرارتی صفحهاي با آب دریا خنک میشوند.
مدار آب داغ و گرم که به ترتیب پر دما و کم دما نامیده شده اند در مبدل حرارتی، دو مسیر جدا دارند و فشار مورد نیاز هر مدار به وسیله تلمبه گریز از مرکزي که نیروي خود را به وسلیه چرخدنده از میل لنگ موتور میگیرد، تأمین میشودحبراي گردش سیال در مدار آب دریا، نیاز است تا فشار مثبت اولیهاي قبل از تلمبه آب دریا که بر روي موتور نصب است وجود داشته باشد. این تلمبه به وسیله چرخدنده از میل لنگ موتور نیروي خود را تأمین میکند. آب دریا ابتدا آب کم دما و سپس آب پردما را خنک میکند.
-2 آنالیز مواد صفحات مبدل آب دریا
با مکاتباتی که با سازندگان مبدل و تلمبه آب دریا صورت گرفت جنس بخشهایی از این قطعات که در تماس با آب دریا است مشخص شد. به این ترتیب طبق گواهی دریافت شده از سازندگان، اطمینان لازم براي استفاده از این قطعات در کاربرد آب دریا حاصل شد. جنس صفحات مبدل که در تماس با آب دریا هستند از جنس تیتانیوم بوده و استاندارد مورد استفاده در طراحی است که ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی آن در جدول - 1 - آورده شده است.
جدول - - 1 ترکیب شیمیایی صفحات مبدل آب دریا
-3 طراحی لولههاي بین مبدل آب دریا و موتور
تعداد مسیرهاي ارتباطی بین مبدل آب دریا و موتور6 مسیر می باشد. چهار مسیر براي رفت و برگشت آب پر دما و کم دما به مبدل آب دریا و یک مسیر بین دهش تلمبه آب دریا به مبدل آب دریا و یک مسیر خروجی آب دریا از مبدل. از آنجا که موتور و مبدل جداگانه و مستقل از هم روي شاسی نصب میشوند لازم است این مسیرهاي آب قابلیت تحمل ارتعاش را داشته باشند.
به این منظور دو طرح اصلی براي طراحی این لولهها داریم.
-1 لولههاي فلزي صلب با در نظر گرفتن اتصالاتی که ارتعاشات را تحمل کنند -2 لولههاي لاستیکی انعطاف پذیر.
با توجه به اینکه که براي سمت کم دماي مبدل آب دریا باید قابلیت جابجایی 20 میلیمتر در نظر گرفت - در این سمت سه لوله داریم: لولههاي رفت و برگشت آب کم دما به مبدل و لوله دهش تلمبه آب دریا به مبدل - ، لازم است علاوه بر اتصالات تحمل کننده ارتعاش، اتصال با امکان جابجایی نیز براي لولههاي این سمت در نظر گرفت که در این صورت در سمت کم دما محدودیتهاي بیشتري براي لوله کشی خواهیم داشت.با توجه به مطالب ذکر شده، در سمت لولههاي کم دماي مبدل که لازم است صفحه مبدل 20 میلیمتر جابجایی داشته باشد، از اتصالات انبساطی استفاده خواهد شد. این اتصال توانایی جابجایی در راستاي لوله را ایجاد میکنند.
به این ترتیب براي لولههاي سمت کم دماي مبدل که در شکل - 1 - نشان داده شده اند و شامل مسیر آب کم دما از موتور به مبدل و مسیر آب کم دما از مبدل به تلمبه کم دما و مسیر آب دریا از تلمبه آب دریا تا مبدل هستند، طراحی لولهها با در نظر گرفتن اتصال آکاردئونی کامل شد. براي ساده تر شدن نصب لولهها در مسیرهاي رفت و برگشت آب کم دما به مبدل از قطعات ارتعاش گیر نیز استفاده شده است. به طوري که در دو راستا براي هر مسیر این ارتعاشگیرها نصب خواهند شد
شکل-1 نمایی از لولههاي سمت کم دما مبدل آب دریا – رنگ آبی مسیر آب دریا به مبدل، رنگ قرمز مسیر آب کم دما به مبدل و رنگ زرد مسیر آب کم دما از مبدل را نشان میدهد.
