بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی پیشگرم کن هوا برای بویلر کارخانه قند ارومیه به منظور کاهش مصرف سوخت به روش بل دلاور
چکیده:
استفاده از منابع انرژی فسیلی باعث ایجاد پیامدهای زیست محیطی گوناگون میشود. نیاز به بویلرهای با بازده بالا امروزه مورد توجه بسیاری از صنایع میباشد. بهبود مصرف انرژی و صرفهجویی مالی زمانی که ما بدانیم اکثر بویلرهای صنعتی با بازدهی کمتر از 81 درصد عمل میکنند، قابل توجه میشود. فرآیندهای احتراق معمولا منجر به تولید آلودگیهای بسیاری در محیط میشود. در بهینهسازی این فرآیند نه تنها میبایست به بالابردن بازده بویلرها و کاهش سوخت توجه کرد بلکه میباست کاهش آلایندگی بویلر نیز مدنظر باشد. یکی از شیوههای بالابردن بازده بویلرها پیشگرم کردن هوای ورودی به بویلر میباشد. رایجترین شیوه برای پیشگرمایش هوا استفاده از مبادلهکنهای حرارتی میباشد که معروفترین و پرکاربردترین آنها مبدلهای پوسته و لوله میباشد. طراحی این مبدلها دارای روشها و محدودیتهای خاصی از جمله فضا و میزان افت فشار مجاز میباشد. در این پروژه از شیوه بل دلاور که یکی از معتبرترین شیوهها میباشد استفاده شده است.
واژه های کلیدی:
کاهش مصرف سوخت، پیشگرمایش هوا، مبدل پوسته و لوله ، روش بل دلاور
-1 مقدمه
صنعت قند و شکر با مصرف سالیانه بالغ بر 1/2 میلیون متر مکعب معادل نفت کوره، عمدهترین صنعت مصرفکننده انرژی در بخش صنایع غذایی می باشد .[1]
افزایش مصرف انرژی و رشد فزاینده آن در کنار منابع محدود آن توجه به ضرورت صرفه جویی در مصرف انرژی را تاکید میکند. از سوی دیگر، استفاده از منابع انرژی فسیلی باعث ایجاد پیامدهای زیست محیطی گوناگون در کوتاه مدت و درازمدت خواهد شد.
به این مطلب باید، محدودیتهای اقتصادی برای بهرهبرداری از منابع انرژی را نیز اضافه کرد. کمبود منابع انرژی امری است که امروزه به وضوح به چشم میخورد و ادامه روند فعلی مصرف انرژی این موضوع را به بحران تبدیل خواهد کرد. این واقعیت در مجموع از واضحترین دلایلی است که میتوان برای ضروری بودن صرفهجویی در مصرف انرژی بیان کرد.
استفاده منطقی از منابع انرژی با بکارگیری راهکارهای بهینه مصرف انرژی، همواره بهترین رویکرد برای این کار بوده است. با استفاده منطقی از انرژی نه تنها شاهد کاهش هزینههای مصرف انرژی خواهیم بود که البته این روزها با اجرای قانون هدفمند کردن یارانهها بیشتر مورد توجه قرار گرفته است، بلکه آثار مفیدی همچون کاهش آلودگی زیست محیطی، تداوم طول عمر منابع مالی و در نهایت توسعه اقتصادی کشور را به دنبال خواهد داشت.
یکی از شیوههای بالابردن بازده بویلرها پیش گرم کردن هوای ورودی به بویلر میباشد. رایجترین شیوه برای دست یابی به این مهم استفاده از مبدل پوسته و لوله میباشد. این دست مبدلها به طور عمده در صنایع مورد استفاده قرار میگیرد، به گونهای که بیش از 35 تا 40 درصد مبدل های مورد استفاده از این دست می باشد.
مبدلهای حرارتی ابزاری برای انتقال حرارات بین دو سیال است بهگونهای که حرارت از سیال گرم به سیال سرد منتقل میشود. انواع مختلفی مبدل وجود دارد اما رایجترین نوع آن مبدل پوسته و لوله میباشد. همانگونه که از اسم این مبدل مشخص میباشد این نوع مبدلها شامل دسته لوله ای داخل پوسته میباشند که سطح مورد نیاز برای انتقال حرارت را فراهم کرده و باعث جدایش دو سیال می شود. سیال داخل لوله در راستای محور لوله جریان داشته و سیال سمت پوسته بر روی سطح خارجی لوله ها جریان دارد. صفحات لوله ها دو انتهای لوله ها را جدا کرده و باعث اطمینان بخشی از جدا بودن دو جریان میشود. سیال کثیفتر یا رسوبده در داخل لوله جریان می یابد زیرا تمیز کاری این سمت راحتتر میباشد. اجزای اصلی این مبدل شامل پوسته، دسته لوله ، صفحات لوله و بافل، درپوش ورودی و خروجی و دسته لوله ها میباشد. در طراحی مبدل پوسته و لوله بریا محاسبه فضای مبدل شیوههای مختلفی موجود میباشد 2]و.[3
طراحی مبدلهای پوسته و لوله امری مهم در صنایع میباشد. در طراحی این مبدلها مشکلاتی وجود دارد که مهمترین آن طراحی سمت پوسته میباشد، که دلیل این امر پیچیدهگیهای جریان در این قسمت می باشد.چندی از شیوههای طراحی سمت پوسته شامل : روش کرن )Kern Method)، روش دنوهو (Donohue Method)، روش تینکر (Tinker Method)، روش مولر (Mueller Method) ، روش تبورک (Taborek Method) و روش بل دلاور (Bell Delaware method( میباشد.
شکل 1جریان های داخل پوسته
-2 روش بل دلاور
این روش برای محاسبه ضریب انتقال حرارت و افت فشار در سمت پوسته، برای حالتی که سیال در این سمت تک فاز میباشد مورد استفاده قرار می گیرد. این روش در دانشکده مهندسی شیمی در دانشگاه دلاور )Delaware( طی سالهای 1946 تا 1963 طی آزمایش های متعددی به دست آمده است.
در شیوه بل دلاور جریان اصلی همانطور که در شکل 1 نمایش داده شده است بهصورت مجموعهای از جریانهای متعددی میباشد. پنج جریان مختلف در سمت پوسته میباشد که به شرح زیر است.
جریان A جریان نشتی در لقی بین لوله ها و بافل میباشد. جریان B جریان اصلی متقاطع با دسته لوله است. این جریان جریان مطلوب در سمت پوسته مبدل میباشد . جریان C جریان کنار گذر (میانبر) دسته لوله است که در اطراف دسته لوله ، بین بیرونیترین لوله در دسته لوله و سطح داخلی پوسته جریان دارد. جریان E جریان نشتی بین بافل و پوسته است که در لقی بین بافل ها و قطر داخلی پوسته جریان دارد.
سپس جریان F وجود دارد که سیال در هر کانالی که برای ایجاد چندین گذر لوله در دسته لوله ها بهوجود میآید، جریان مییابد.
هر یک از جریانهای A تا F یک ضریبی را در معادلات افت فشار و ضریب انتقال حرارت به خود اختصاص میدهند. که یکی از مزیتهای این روش نسبت به روشهای دیگر است. در ادامه بهطور خلاصه به این ضرایب اشارهای میکنیم.
jc فاکتور تصحیح برای درصد برش بافل ها و فاصله بین آنها است. این فاکتور انتقال گرما در ناحیه پنجره (بخش بریده شده و جدا شده بافل) را لحاظ نموده و متوسط ضریب کل یانتقال گرما را بریا کل مبدل گرما تصحیح می نماید. این فاکتور، به قطر داخلی پوسته و ارتفاع برش (بریده شده) بافل بستگی دارد.برای برش بزرگ بافل، مقدار این فاکتور ممکن است تا 0/53 کاهش یابد و برای مبدل گرما بدون هیچ لوله ای در ناحیه پنجره مقدار این فاکتور برابر 1 می باشد. این فاکتور ممکن است برای پنجره کوچک با سرعت زیاد جریان در آن، به مقادیری به بزرگی 1/15 برسد ( بریا یک طراحی خوب این فتکتور نزدیک یک می باشد).
jL فاکتور تصحیح برای اثرات نشتی بافل شامل نشتی مابین سطح داخلی پوسته و بافل (جریان A و ( E میباشد.اگر بافلها خیلی نزدیک به یکدیگر قرار داده شوند، کسر جریانهای نشتی در مقایسه با جریان متقاطع با دسته لوله ، افزایش مییابد و از jL کاسته میشود. jL تابعی از نسبت مساحت سطح نشتی کل به ازای هر بافل، به مساحت سطح جریان متقاطع با دسته لوله در بین بافل های مجاور و همچنین نسب مساحت نشتی پوسته و بافل، به مساحت نشتی لوله و بافل می باشد. مقدار معمول jL در محدوده 0/7 تا 0/8 است.
jb فاکتور تصحیح برای اثرات جریانهای کنار گذر (میان بر) دسته لوله ناشی از لقی بین بیرونیترین لوله ها در دسته لوله و پوسته از یک طرف و کانال بهوجود آمده در دسته لوله برای ایجاد گذرهای لوله ، از طرف دیگر (جریانهای C و ( F میباشد.برای لقی نسبتا کوچک بین بیرونیترین لوله ها و پوسته برای پوسته با صفحه لوله ثابت jb 0/9 میباشد. برای پوسته با سر شناور با قابلیت بیرون کشیدن سر و دسته لوله ها از پوسته، لقی بزرگی نیاز است، و jb 0/7 میباشد. قطعات باریک مربوط به آببندی میتوانند این مقدار را افزایش دهند.
jS، فاکتور تصحیح برای فاصله متغیر بافل ها در ورودی و خروجی پوسته میباشد. بهدلیل فاصله بیشتر بافلها، در محل قرار گیری ورودی و خروجی پوسته، و تغییرها در سرعتهای محلی در این مناطق، متوسط ضریب انتقال گرما در سمت پوسته تغییر خواهد کرد. مقدار این فاکتور عموما بین 0/85 تا 1/00 میباشد.
فاکتور jr، زمانی بهکار میرود که عدد رینولدز سمت پوسته کمتر از 100 باشد. اگر رینولدز کمتر از 20 باشد این فاکتور کاملا موثر است. اگر رینولدز بزرگتر از 100 باشد فاکتور برابر 1/00 میشود.
اثر ترکیبی تمام این فاکتورهای تصحیح برای مبدل گرمایی پوسته و لوله ای با طراحی خوب و منظقی از مرتبه 0/6 میباشد 4]و[5، که معادل %40 کاهش در مقدار ایدهآل ضریب انتقال گرما است.
-3 شرایط سیالهای موجود
در این مبدل سیال گرم ما دود می باشد و سیال سرد هوای ورودی به بویلر است. به دلیل اینکه سیال کثیفتر ما دود میباشد بنابراین دود را لز لوله عبور داده و هوا را از پوسته عبور میدهیم.
دود را تا هر دمایی نمیتوان سرد نمود زیرا به دلیل گوگرد موجود در آن زمانی که به نقطه شبنم خود میرسد باعث ایجاد سولفوریک اسید شده که خوردگی لوله ها را در پی دارد. بنابراین با توجه به گوگرد موجود در سوخت این کارخانه ما مجاز هستیم تا دمای آن را تنها تا 170 درجه سانتی گراد خنک کنیم. همچنین به دلیل دمای بالا از لوله های استیل استفاده شده است.
-5 معادلات حاکم در سمت پوسته برای محاسبه ضریب انتقال حرارت
گام 1 محاسبه سطح جریان
گام 2 محاسبه دبی جرمی و سرعت خطی
گام 3 محاسبه Res سمت پوسته
گام 4 محاسبه پرانتل سمت پوسته
گام 5 محاسبه ضریب کلبورن jr
گام 6 محاسبه مقدار ضریب a
a4 , a3 a2, a1 ضرایبی هستند که متناسب با عدد رینولدز از ]صنایع[ استخراج شدهاند.
گام 7 محاسبه hi
گام 8 محاسبه Fc
مقدار Jc را میتوان از [6] پیدا کرد.
گام 10مساحت نشتی بین یک بافل و پوسته
گام 11 محاسبه لقی مابین لوله و بافل
