مقدمه :
با توجه به اهميت و افزايش مصرف بالاي انرژي در کشور و با توجه محدود بودن منابع فسيلي، استفاده از روشها و شيوه هاي جلوگيري از هدر رفتن و تلف شدن انرژي در صنعت داراي اهميت بسياري مي باشد. بخش عمده اي از افزايش مصرف موجود در بخش انرژي در کشور ما به علت وجود تکنولوژي هاي قديمي در صنايع اصلي انرژي بر از جمله پالايشگاه ها مي باشد. در اين ميان پالايشگاه آبادان به عنوان قديمي ترين پالايشگاه کشور داراي بيشترين مصرف انرژي جهت پالايش نفت خام و توليد بنزين مي باشد. واحد تبديل کاتاليستي پالايشگاه آبادان در سال 1962 ميلادي مورد بهره برداري قرار گرفت. وظيفه اين واحد بالا بردن عدد اکتان بنزين واحدهاي تقطير از مقدار آن حداکثر 60 به حدود اکتان 95 مي باشد. واحد تبديل کاتاليستي داراي 2 بخش الف) يونيفاينر (Unifiner) و ب) پلت فرمر (Platformer) مي باشد که تحقيق حاضر در مورد مبدل هاي پيش گرم PE-1 بخشPlatformer واحد مي باشد مجموعه اين مبدل ها 10 عدد مي باشد که در دو رديف موازي 5 تايي قرار گرفته اند. که از نوع پوسته و لوله (Shell & Tube) مي باشند (U Tube). اين مبدل ها نقش اساسي در بالا بردن ميزان خوراک ورودي به کوره ها را دارند بنابراين افزايش تبادل حرارت در اين مبدل ها مي تواند باعث بالا بردن دماي خوراک (Combined Feed) و کاهش يافتن دماي محصول (Reactor Effluent) ورودي به کولرهاي هوايي و آبي شود که در نتيجه آن باعث کاهش ميزان مصرف آب cooling و برق مورد نياز کولرهاي هوايي مي شود. با توجه به مصرف انرژي بالا و در جهت صرفه جويي در مصرف انرژي و کاهش هزينه ها، نياز به استفاده از مبدلهاي حرارتي با راندمان بالا احساس ميشود. افزايش کارايي و راندمان بالا در مبدل ها باعث مي شود علاوه بر بهينه سازي مصرف انرژي، هزينه هاي عملياتي و تعميراتي نيز کاهش پيدا کند. بنابراين به منظور دستيابي به هدف اصلي لازم است از زوشهايي که بتوانند راندمان اين مبدل هارا افزايش داده و در نهايت بتوان بار حرارتي کوره را کاهش داد، استفاده کرد. با کاهش بار حرارتي ميزان مصرف سوخت در کوره ها که مقدار آن قابل توجه مي باشد، نيز کاهش يافته و در کنار آن از ميزان آلودگي هاي محيط زيست ناشي از سوخت مانند NOx را نيز کاهش داد. در ضمن با کاهش مصرف سوخت در کوره ها، امکان افزايش ظرفيت خوراک واحد تبديل کاتاليستي نيز وجود دارد. از آنجا که رسيدن به راندمان بالاتر و کاهش يافتن مصرف انرژي بدون انجام هزينه غير ممکن است بنابراين هدف رسيدن به اهداف مورد نظر با صرف کمترين هزينه مي باشد. با توجه به اينکه هدف از اين پروژه بالا بردن راندمان مبدل هاي واحد (PE-1 A to K) مي باشد و سعي بر اين است که اين افزايش راندمان با حداقل هزينه همراه باشد .
در فصل اول راجع به روشهاي بهبود انتقال حرارت و تکنيک هاي مربوط به آن مورد بررسي قرار گرفته است. که اين روش هاي بالا بردن انتقال حرارت تحت عنوان Heat Transfer Enhancement که در دنيا متداول مي باشد که اصول آن، افزايش سطح انتقال حرارت، تغيير رژيم سيال از حالت آرام(laminar) به مغشوش (Turbulent)، افزايش سرعت سيال و غيره مي باشد. فصل دوم نيز به تقسيم بندي مبدل هاي حرارتي بر اساس نوع سرويس وشکل ساختماني آنها اشاره کرده است و راجع به انواع مختلف مبدل حرارتي مانند پوسته – لوله و نوع صفحهاي توضيح داده شده است. فصل سوم در مورد شناخت واحد تبديل کاتاليستي و فرايند آن شرح داده شده است. فصل چهارم به شبيه سازي مبدل هاي حرارتي مورد نظر در اين پروژه مي پردازد که در وحله اول براي جلوگيري از افزايش هزينه ها سعي بر اين قرار گرفت که ساختار مکانيکي مبدل ها تغيير پيدا نکند و در صورت لزوم تنها به تغيير در آرايش و چيدمان مبدلها و تغييرات در Piping که بسيار کم هزينه تر است، اقدام نمود. همچنين جابجايي جريان سرد و گرم در مبدل ها نيز بررسي گرديده است. از آنجا که بررسي اين روش ها نياز به نرم افزارهاي شبيه سازي دارد بنابراين در اين پروژه ابتدا آرايش و چيدمان مبدل هاي موجود توسط نرم افزار Aspen HYSYS 2006.5 شبيه سازي گرديد. براي همه مبدل ها ، به صورت جداگانه فايل شبيه سازي شده توسط نرم افزار Aspen HTFS+ ايجاد گرديد. بعد از شبيه سازي چيدمان مبدل ها توسط Aspen HYSYS و با استفاده از لينک و اتصال نرم افزار به Aspen HTFS+ ، استخراج داده ها و اطلاعات صحيح انجام پذيرفت و اين امکان فراهم شد تا ارزيابي وضعيت موجود (Rating) مبدل هاي PE-1 بوجود آيد و ميزان Performance موجود را مشاهده کرد. در مرحله بعد ابتدا به جابجايي سيال گرم و سرد توسط نرم افزار شبيه ساز Aspen Hysys و سپس تغيير چيدمان مبدل ها انجام شد و دوباره با اتصال به نرم افزار HTFS+ شرايط جديد از نظر Performance و راندمان مورد بررسي قرار گرفت. بعد از اينکه تغيير آرايش و چيدمان مبدل ها مورد بررسي قرار گرفت به سراغ روشهاي بهبود انتقال حرارت رفته و پس از بحث و مقايسه راجع به نتايج بدست آمده، استفاده از تيوب هاي فين دار نوع HPT براي افزايش سطح انتقال حرارت و افزايش Duty در نظر گرفته شده است. فصل پنجم ميزان صرفه جويي ناشي از استفاده از تيوب فين دار و و مباحث اقتصادي آن در اثر کاهش مصرف سوخت کوره و ميزان افزايش ظزفيت واحد مورد بررسي قرار گرفته است و در فصل ششم نيز در مورد مزاياي نصب مبدل جديد از نوع Packinox و ميزان کارايي آن اشاره شده است.

فصل اول :
بهبود انتقال حرارت
1-1 : مقدمه
افزايش انتقال حرارت مي تواند تاثيربخشي جريانهاي داخلي و خارجي را در مبدل هاي حرارتي بهبود بخشد. به طور معمول با افزايش جريان گردابي، آشفتگي و مغشوش کردن جريان و کاهش يافتن و نازک کردن لايه مرزي مي تواند به اين امر کمک کند. در حالت آشفتگي جريان (Turbulent) به خاطر اختلاط شديد ي که در ساختار آن است باعث مي شود انتقال حرارت بين سطح و جريان سيال راحت تر انجام شود. در حالت جريان آرام (Laminar) ضريب انتقال حرارت (h) کمتر مي باشد و براي غلبه بر آن نياز به استفاده از روش هاي بهبود انتقال حرارت از طريق ايجاد جريان گذرا (Transition) و مغشوش(Turbulent) که باعث بوجود آمدن حالت گردابي (Vorticity) در آن و در نهايت به کاهش لايه مرزي کمک کند.
افزايش کارايي مبدل هاي حرارتي معمولا با انتقال بيشتر گرما (duty) و با کارکرد مبدل در کم کردن اختلاف دماي دو سيال ارتباط مستقيم دارد و اين در صورتي است تغييري درسطح واندازه مبدل بوجود نمي آيد. افزايش کارايي و بهبود عملکرد انتقال حرارت به معناي افزايش ضريب انتقال حرارت کلي U مي باشد. اين ضريب انتقال حرارت کلي (U) با سطح انتقال حرارت (A) ، duty (Q) و عامل نيروي محرکه T? ارتباط دارد و مي توان معادله انتقال حرارت را به اين شکل نوشت:
Q= U.A.?T(1-1)
U نيز تابعي از ضريب انتقال حرارت h، ضريب هدايت فلز k، و اثرات fouling (f) مي باشد بنابراين براي محاسبه دقيق U نياز به ضرائب فيلم، ضريب هدايت و ميزان fouling مي باشد يعني اينکه:
U= f(h,k,f,A)(2-1)
اصولاً مبدل‌هاي حرارتي، به‌خصوص از نوع پوسته- لوله‌اي (Shell-and-Tube)، داراي دو مشكل اساسي مي باشند: الف) عملكرد پايين حرارتي (Thermal Deficiency) و ب) جرم‌گرفتگي داخل لوله‌ها (Fouling)، به‌خصوص در هنگام كاركرد با سيالات كثيف که حساس به دما مي‌باشند. مشکل ديگري که ممکن است در اين نوع مبدل ها وجود داشته باشد مسئله ارتعاشات در لوله ها مي باشد وقتي که سرعت جريان در سمت پوسته بالا مي رود باعث مي شود رسوب ذرات روي سطح لوله کاهش يابد که اين امر شرايط بهتري براي انتقال حرارت فراهم مي کند ولي در عوض باعث بوجود آمدن ارتعاشات در لوله ها مي شود که اين ارتعاشات مشکلاتي مانند سائيدگي مکانيکي، شکست ناشي از خستگي، سروصدا از آن جمله مي باشند. البته بايد توجه داشت که اين ارتعاشات باعث آميختگي بيشتر سيال و در نتيجه بالا رفتن انتقال حرارت مي شود که از اين نظر مطلوب است ولي معايب آن بيشتر است.
2-1 : بهبود انتقال حرارت
بحث بهبود انتقال حرارت در حالت کلي به افزايش ضريب هدايت گرمايي خلاصه مي شود. بررسي هاي گسترده اي در زمينه بسط و توسعه در افزايش انتقال حرارت انجام شده است. يک قرن از مطالعات اوليه بر روي افزايش ضريب انتقال حرارت مي گذرد. در يک بررسي که توسط bergles و همکاران انجام گرفته بيش از 5676 مقاله و کتاب و اختراع در اين زمينه تا سال 1995 ثبت شده است .فناوري بهبود انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي کاربرد وسيعي دارد . سيزده روش افزايش انتفال حرارت توسط برگلس (Bergles, A.E.) معرفي شده است که تعداد اين روشها همچنان رو به افزايش مي باشد.
تکنيک هاي بهسازي گرمايي (Enhancement technique) به دو گروه کلي فعال (Active) و غيرفعال (Passive) دسته بندي مي شوند. در روش فعال به انرژي خارجي نياز است. در چنين مواردي از ميدان الکتريکي، صوتي و يا ارتعاش سطوح استفاده مي شود. در روشهاي غير فعال به استفاده مستقيم از انرژي خارجي نياز نيست و از سطوح با آرايش خاص، مانند استفاده از پوشش زبر بر روي سطوح گسترش يافته ، سطوح چرخش دهنده با سيال و غيره بکار گرفته مي شوند. در روش هاي فعال به تاسيسات جانبي مثل پمپ و يا دستگاههاي ايجاد ارتعاش نياز دارد حال آنکه در روش هاي غير فعال نياز به چنين تجهيزاتي نداشته ولي در عوض افزايش ضريب انتقال حرارت مبدل عمدتا به بهاي افزايش توان پمپاژ سيال تمام مي شود البته زماني روش هاي بهبود انتقال حرارت موثر است که اين افزايش توان کمتر از ميزان افزايش انتفال حرارت کلي مبدل باشد. بهبود انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي معمولا با افزايش افت فشار و در نتيجه قدرت پمپاژ بيشتر (higher pumping power) مي باشد بنابراين هرگونه افزايش انتقال حرارت بايد در مقابل هزينه هاي صرف شده جهت غلبه بر افت فشار مورد توجه قرار گيرد.
به هر حال ممکن است دو و يا بيشتر از اين روش ها (فعال و غير فعال) به طور همزمان در يک دستگاه مورد استفاده قرار بگيرند که اين ترکيب دو و يا بيشتر از روشهاي بالا مي تواند تاثير بيشتري در انتقال حرارت داشته باشد که در اين حالت به آن بهسازي ترکيبي (Compound enhancement) مي گويند.
جدول زير روشهاي فعال و غير فعال را نشان مي دهد.
Active TechniquePassive Technique* Mechanical aids
* Surface vibration
* Fluid vibration
* Electrostatic fields
* Suction or Injection
* Additives for fluids* Treated surface
* Rough Surface
* Extended Surface
* Displacement enhancement devices
* Swirl flow devices
* Coiled tubes
* Surface-tension devicesجدول(1-1): روشهاي فعال و غير فعال
3-1: روش هاي فعال بهبود انتقال حرارت
روش هاي مکانيکي : در اين روش از وسايل مکانيکي براي مخلوط کردن سيال يا چرخش محوري سطوح کشيدن سطوح در مواردي که با مايعات بسيار لزج سرو کار داريم استفاده مي شود.
* لرزاندن سطوح : اين روش با فرکانس هاي کم يا زياد براي بهبود انتقال حرارت در جريان هاي يک فازي سيال به کار مي رود.
* لرزاندن سيال : در اين روش به خاطر جرم زياد مبدل ها در بعضي موارد سيال را در محدوده فرکانسي 1 Hz تا مافوق صوت مي لرزانند. براي اين کار جريان هاي يک فازي در اولويت هستند.
* ميدان هاي الکترواستاتيک : در موارد مختلفي به مواد عايق اعمال مي شود.عموما ميدان هاي الکترواستاتيک در اختلاط بيشتر جريان سيال در نزديکي سطوح سطوح انتقال حرارت نقش موثري دارند.
* مکش : که شامل حذف بخار در جوشش هسته اي و فيلمي يا حصول مايع در يک سطح گرماديده متخلخل در جريان يک فازي مي باشد .
* تزريق : که شامل تزريق گاز به مايع جاري يا ساکن از يک سطح انتقال حرارت متخلخل مي باشد. در اين روش يک سيال شبيه به سيال فرايند از جريان بالا دست سطح انتقال حرارت به سيال فرايند تزريق مي شود.زدودن گاز از سطح مايعات کاري شبيه تزريق گاز به مايع است . اين تکنيک فقط در مورد جريان يک فازي سيال اعمال مي شود.
4-1: سطوح بهبود يافته (Enhanced Surfaces)
اين سطوح به طور گسترده در مبدل هاي پوسته و لوله (Shell&Tube) استفاده مي گردد. اين مدل از بهسازي گرمايي در دسته غير فعال (Passive) قرار مي گيرد. در ساخت چنين سطوحي عمليات ساخت متنوعي مانند machining, forming, layering و coating مورد استفاده قرار مي گيرند. استفاده از اين سطوح علاوه بر اينکه ضريب انتقال حرارت جوشش هسته اي را بالا مي برد اين مزيت را هم دارد که فرآيند جوشش در اختلاف دماهاي بسيار پايين تري اتفاق مي افتد.
1-4-1: تکنيک هاي Active Enhancement
روش هاي مختلف اين تکنيک شامل :
1. چرخش سطح مورد حرارت
2. لرزش سطح (Surface vibration)
3. لرزش سيال (Fluid vibration)
4. Electrostatic fields
5. مکش در سطح مورد نظر(Suction at the heated Surface)
اگرچه روشهاي فعال (Active) تاثير بسزايي در کاهش اختلاث دما و يا افزايش شار (flux) گرمايي بحراني دارند ولي در عمل استفاده از آن ها به دلايل اقتصادي و مصرف انرژي محدوديت دارد.
2-4-1: تکنيک هاي مرکب (compound Technique)
تکنيک هاي مرکب به روشهايي گفته مي شود که در آنها از دو و يا بيشتر از روش هاي بهسازي (Enhancement) استفاده مي شود تا نسبت به استفاده يکي از آنها به تنهايي داراي راندمان گرمايي بالاتري باشيم. برخي از اين تکنيک ها مرکب که در فرآيند جوشش استخري (Pool Boiling) استفاده فراوان دارند عبارتند از:
1. Fins and Electric Fields
2. Electric Fields in a bundle of Treated Tubes
3. Radially grooved rotating disk
4. Extended surfaces that are treated
5. Rough surfaces with additives
5-1: روشهاي افزايش انتقال حرارت
مزاياي حرارتي استفاده از Augmentation زياد هستند که بايد در مقابل هزينه هاي صرف شده از نظر اقتصادي نسبت به لوله هاي (تيوپ هاي) ساده بررسي شوند. براي واحدهايي با ظرفيت کم، افزايش 10 تا 30 درصدي توسط خريد و نصب (تجهيزات جديد) مبدل حرارتي توجيه اقتصادي ندارد. با اين حال هنگامي که مبدل هاي حرارتي به عنوان Bottelneck عمليات واحد باشند در آن صورت Augmentation مي تواند به عنوان راه حل استفاده شود.
براي رسيدن به افزايش دادن انتقال حرارت مي تواند با استفاده از راه هاي زير عملي شود:
* استفاده از روشهاي موجود افزايش انتقال حرارت
* جايگزين کردن يک تيوپ باندل با نوع جديد Enhanced آن
* جايگزين کردن يک مبدل حرارتي با يک مبدل حرارتي Enhanced با همان اندازه يا کوچکتر راه هاي اشاره شده در بالا بدون تغيير دادن اتصالات Piping مي باشد.
1-5-1: وسايل افزاينده انتقال حرارت در داخل لوله
يکي از معمولترين فن آوري هاي بهبود انتقال حرارت مورد استفاده در مبدلهاي حرارتي که به عنوان مهمترين دستگاه هاي مصرف کنند انرژي در صنايع فرايندي مي باشند وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله مي باشد. به طور کلي دو راه اصلي براي افزايش انتقال حرارت در مبدلهاي مرسوم وجود دارد :
* افزايش سطح انتقال حرارت
* افزايش ضريب انتقال حرارت
براي مبدلهاي پيوسته – لوله اي هر دو اين راه ها قابل دسترس است.هر دو روش فوق را مي توان براي سمت پوسته مبدلهاي حرارتي استفاده نمود در حال حاضر جهت بالا بردن ضريب انتقال حرارت و بهبود آن، از روشها و ابزارهاي مختلفي استفاده مي شود که به بعضي از آنها در زير اشاره شده است :
* تيوب اينزرت (Tube Insert)
* تيوب فين دار (Finned Tube)
* بفلهاي ميله اي ( ROD Baffle )
* بافل حلزوني (Helical Baffle)
* تيوب پيچشي (Twisted Tube)
1-1-5-1: تيوب اينزرت (Tube Insert)
انواع مختلفي از وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله موجود مي باشد که هر يک عملکرد مخصوص به خوشان را دارند .وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله شامل اينزرت هاي نوارپيچ و اينزرت هاي فنرپيچ و اينزرت هاي سطوح گسترده و اينزرت هاي شبکه اي و …. مي شوند که در شکل (1-1) زير نشان داده شده است :
شکل (1-1): اينزرت هاي نوارپيچ و اينزرت هاي فنرپيچ
هندسه هاي گوناگوني از وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله موجود هستند اما twisted tape ها و شبکه هاي سيمي مرسوم تر هستند. مبناي عمومي عملکرد آنها توسعه رژيم جريان و ايجاد انتقال حرارت آشفته در شرايط جريان آرام است.
1 – نوارهاي تابيده (Twisted tape ) : Twisted tape ها سبب ايجاد جريان حلزوني در طول لوله ( چرخش جريان داخل لوله ) مي شوند. آنها عموما تماس حرارتي خوبي با ديواره لوله ندارند.
2- مفتولهاي پيچشي : اين وسايل به صورت حلقوي بر روي جداره داخلي لوله ها قرار گرفته و سبب از بين رفتن لايه مرزي حرارتي شده و منجر به افزايش لايه مرزي حرارتي شده و منجر به افزايش ضريب انتقال حرارت داخل لوله مي گردند.
3 – شبکه هاي سيمي : اين وسايل شامل شبکه هاي متعدد سيمي که به دور يک هسته مرگزي بافته شده اند مي باشد. اين وسايل چندين مکانيزم بهبود انتقال حرارتي ايجاد مي کنند اين عناصر داراي قطر بيشتري نسبت به لوله هستند. لبه اين سيم ها با ديواره لوله در نقاط منظمي تماس پيدا مي کنند. در شرايط جريان آرام لايه مرزي را کاهش مي دهند و اختلاط توده بيشتر مي شود. تحت شرايط جريان آشفته آنها به عنوان ايجاد کننده اغتشاش بطوريکه لايه مرزي ديواره را از بين ميبرند عمل مي کنند. اين وسايل براي جريانهاي آرام داخل لوله پيشنهاد ميشوند. ايجاد دماي يکنواخت براي سيال داخل لوله و افزايش اختلاط سيال داخل لوله از مکانيزم هاي افزايش انتقال حرارت اين وسايل مي باشد .
4 – لوله هاي مرکزي ( core tubes ) : لوله ها يا ميله هايي هستند که در مرکز لوله قرار ميگيرند و مي توانند هم قطر هيدروليکي و هم سطح جريان را کاهش دهند . کاهش سطح جريان باعث افزايش سرعت مي شوند . کاهش قطر هيدروديناميکي هم سبب توسعه انتقال حرارت مي گردد.
5 – Extended Surface Inserts : اين سطوح قالبي شکل در داخل لوله جاي مي گيرند . بين ديواره لوله و اينزرت تماس خوبي وجود دارد . اين اينزرت ها باعث کاهش قطر هيدروليکي مي شوند و به عنوان سطوح اضافي عمل مي کنند .
هزينه ساخت وسايل افزاينده انتقال حرارت داخل لوله بسيار پايين مي باشد و نصب آنها در داخل لوله هاي مبدل هاي حرارتي به آساني صورت ميگيرد . اين وسايل براي افزايش توان عملکردي مبدلهايي که جريان سمت لوله در آنها احتياج به عملکرد حرارتي بالاتري دارند مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. علاوه بر آن در مواقعي که تميز کردن لوله هاي مبدل هاي حرارتي مدنظر باشد اين نوع وسايل افزاينده انتقال حرارت را براحتي مي توان از لوله هاي مبدل خارج نمود . به طور کلي قرار گرفتن اينزرت ها در مسير جريان باعث افزايش افت فشار و کاهش سطح جريان ميشوند که اين کاهش سطح جريان به افزايش سرعت در لوله ها منتهي مي شود و شرايط بهتري براي تماس بين سطح تيوب و سيال مي شود.
2-1-5-1: لوله هاي پره دار (Finned Tube)
در اين لوله ها ميزان گرماي انتقال از سيال گرم به جريان سرد که از بدنه لوله پره دار صورت مي گيرد تابع دو پارامتر مي باشد:
1. ضريب انتقال حرارت سيال هاي موجود در دو سوي لوله و بدنه لوله
2. کميت سطح و افزايش مساحتي از لوله که سيالات سرد و گرم از روي آن عبور مي کنند.
اگر لوله مورد استفاده به صورت ميله اي و صاف (Bare tube) باشد سيالي که ذاراي کمترين ضريب انتفال حرارت است پارامتر تعيين کننده بوده و عملا نرخ انتقال حرارت کل را راهبري و کنترل مي نمايد. در صورتي که ضريب انتقال حرارت سيال داخل لوله به مراتب از ضريب انتقال حرارت سيال خارج لوله بيشتر باشد، افزايش سطح موثر خارجي لوله پديده اي مفيد خواهد بود که پيامد آن افزايش نرخ انتقال حرارت کلي است. بهترين شيوه رسيدن به مساحت (سطح) موثر، بيشتر بخش خارجي لوله مي باشد و اضافه کردن قطعات فلزي به اين قسمت لوله با عنوان پره شناخته مي شود. از مزاياي مهم استفاده از پره ها کاهش تعداد کلي لوله هاي مورد استفاده و تقليل وزن تجهيزات انتقال حرارت است و علاوه بر اين باعث کاهش افت فشار گاز و در نتيجه به سبب عدم نياز به پمپ و يا کمپرسور قوي تر، هزينه هاي عملياتي کاهش خواهد يافت.
استفاده از لوله هاي پره دار راهي است تا سطح تماس سمت پوسته مبدل هاي پوسته – لوله اي افزايش يابد. لوله هاي پره دار را در واقع مي توان به سه دسته تقسيم کرد :
1 – لوله هاي با پره کوتاه . 2 – لوله هاي با پره بلند. 3 – لوله هاي شيار دار .
از آنجا که در مبدل ها ي حرارتي فضاي محدودي براي تعداد زيادي لوله در نظر گرفته مي شود, ارتفاع پره ها در اين لوله ها نمي تواند از يک مقدار معين بيشتر باشد. به همين خاطر تنها لوله فين کوتاه که در آن تعداد زيادي پره کوچک تعبيه شده است, قابليت استفاده در اين مبدل ها دارد. اين نوع لوله مي تواند دو تا سه برابر سطح خارجي لوله را افزايش دهد که باعث بهبود خواص حرارتي مبدل شده و حجم آن را کاهش مي دهد. ولي در عين حال هم گران تر هستند و هم باعث افزايش افت فشار در سمت پوسته مبدل مي شوند. علاوه بر آن خود پره ها هم مقاومت حرارتي دارند که بر کارآيي حرارتي مبدل ها تاثير منفي مي گذارد.
در لوله هاي با پره بلند پره ها به صورت مجزا روي لوله ها نصب مي شوند ( جوش خورده يا پرچ مي شوند) . پره ها در واقع جهت افزايش سطح موثر لوله هاي مبدل استفاده مي شوند . لوله هاي پره دار معمولا زمانيکه ضرايب انتقال حرارت در سمت بيرون لوله نسبت به داخل لوله کم است استفاده مي شوند به عنوان مثال در انتقال حرارت از يک مايع به يک گاز از قبيل مبدل هاي حرارتي Air-Cooled ( هوا خنک ) کارايي پره تابعي است از ابعاد پره و هدايت حرارتي ( جنس ) پره بنابراين معمولا پره ها از موادي با هدايت حرارتي بالا استفاده مي شوند. براي مس و آلومينيوم کارايي عموما بين 0.9 تا 0.95 است . در شکل (2-1) چند نمونه از انواع تيوب هاي فين دار ديده مي شود.
شکل (2-1) :چند نمونه از انواع تيوب هاي فين دار
در حالت هايي که مقاومت هاي طرف پوسته خيلي بيشتر از سمت لوله است لوله هاي با پــره کوتاه مي توانند ضريب انتقال حرارت کلي را با افزايش سطح خارجي لوله ها توسعه دهند. استفاده از اين لوله ها مي تواند سطح خارجي لوله را در مقايسه با لوله هاي صاف تا 6/2 برابر افزايش دهد. لوله هاي پره دار از لوله هاي صاف طي يک فرايند ساخت شکل مي گيرند و لوله در واقع قطر مشابه با لوله صاف (bare tube) را که در شروع از آن ساخته شده است حفظ مي کند .اين تکنولوژي به ويژه براي سيستم هايي که از فلزات گران نظير تيتانيوم و آلياژهاي بالاي نيکل استفاده مي کنند موثرتر و نيز با صرفه تر است . لوله هاي fine-fin وقتي از جنس مواد گران قيمت ساخته مي شوند به ميزان زيادي هزينه ها زا کاهش مي دهند به طوري که مثلا وقتي جنس لوله از تيتانيوم باشد هزينه هر فوت مربع از سطح انتقال حرارت تا 50 % کاهش مي يابد.
مبدلهاي داراي پره هاي طولي (شياردار) نسبتاً گران هستند و چون قابل تميز كردن نمي باشند مي توان از آنها فقط براي سيالاتي استفاده كرد كه به طور معمول داراي ضرايب فيلم بسيار پايين بوده و رسوبي از خود بر جاي مي گذارند كه با جوشيدن خارج مي شوند. به اين ترتيب اين نوع مبدلها براي گازها در فشار پايين كه چگالي آنها كم بوده و افت فشار مجاز نيز پايين است ايده آل مي باشند.
3-1-5-1: بفلهاي ميله اي ( ROD Baffle )
مبدل هاي ROD بفل توسط شرکت نفتي Phillips در سال 1970 جهت بر طرف کردن مشکل لرزش مبدل ها توسعه داده شد. در اين هندسه توسعه يافته سمت پوسته بفلهاي قطابي با يک سيستم شبکه اي جهت ساپرت لوله ها جانشين شده اند . جريان محوري روي لوله ها باعث افت فشار کمتر و لرزش کم خواهد شد. در اين مبدل ها بفل هاي ميله اي با آرايش خاصي به حلقه بفل در دور دسته لوله جوش خورده اند. اين بفل ها به صورت دسته 4 تايي مورد استفاده قرار مي گيرند.
ROD بفل ها علاوه بر حل مشکل لرزش دسته لوله ها سبب کاهش در افت فشار و رسوب گذاري مي شوند و همزمان کارايي حرارتي را هم بالا مي برند و نيز جريان خالص مخالف در طراحي هاي با يک گذر لوله بدست مي آيد . نمونه ROD بفل در شکل (3-1) ديده مي شود.
شکل (3-1) : نمايي از Rod Baffle در مبدل پوسته و لوله
در شکل هاي (4-1) و (5-1) الگوي جريان در مبدل هاي Segmental Baffle و Rod Baffle را نشان مي دهد.
شکل (4-1) : الگوي جريان در Segmental Baffle
شکل (5-1) : الگوي جريان در Rod Baffle
در کل مي توان مزاياي ROD بفل ها را به صورت زير خلاصه نمود :
* مبدل هاي ROD بفل مشکل مربوط به لرزش لوله ها را از بين مي برد و باعث کاهش افت فشار سمت پوسته و افزايش عملکرد حرارتي مبدل مي گردد.
* افت فشار کمتر در پوسته در اين مبدل ها باعث ذخيره انرژي قابل توجهي بالاخص در سيستم هاي گازي مي شود .
* پوسته مبدل به شکل هاي استاندارد X ,K ,G , H , F , E مي تواند ساخته شود و در ساختن لوله و بفل ها از آلياژهاي معمول استفاده مي گردد جنس بفل ها هم با توجه به نوع سيال سمت پوسته انتخاب مي شود .
4-1-5-1: بفل هاي حلزوني ( Helical Baffle )
هندسه توسعه داده شده ديگر سمت پوسته جايگذاري بفل هاي قطايي وسط يک سيستم بفل قطابي با زاويه هاي خاص مي باشد که سبب ايجاد الگوي جريان حلزوني در داخل پوسته مي شود. اين تکنولوژي سبب کاهش ميزان افت فشار و کاهش لرزش و کاهش تمايل به رسوب گذاري مي شود. مبدل هاي پوسته – لوله اي با بفل هاي حلزوني در جمهوري چک توسعه داده شد . اين مبدل ها که به مبدل هاي Helix (Helixchanger) معروفند نواقص عمده مبدل هاي با بفل هاي قطايي را حداقل مي کند. بفل هاي حلزوني صفحاتي هستند که با يک زاويه خاص نسبت به محور لوله ها در سمت پوسته قرار مي گيرند و ضرايب انتقال حرارت بالايي در سمت پوسته ايجاد مي کنند. اينها اثري مشابه با اينزرت هاي نوار پيچ در داخل لوله دارند در شکل(6-1) زير يک مبدل حرارتي با بفل هاي حلزوني و شکل(7-1) الگوي جريان در آن نشان داده شده است .
شکل(6-1) : مبدل حرارتي با بفل هاي حلزوني
شکل(7-1) : الگوي جريان در بافل هاي حلزوني
تستهايي که انجام شده است نشان دهنده کاهش بسزايي در ميزان رسوب گذاري ( در اين مبدل ها ) مي باشد. اين نوع بفل ها باعث افزايش کارايي انتقال حرارتي و کاهش در مقدار سطح مورد نياز و نيز مهمتر از آن کاهش قطر پوسته خواهند شد. نتيجه اينست که اين نوع بفل ها باعث مي شوند مبدلي ارزانتر و کوچکتر داشته باشيم .
برخي از مزاياي مبدل هاي Helix به ترتيب زير است :
1 – مبدل در بازه هاي زماني ديرتري احتياج به تميز کردن خواهد داشت به طوري که اين مدت زمان در برخي سرويس ها به 3 تا 4 برابر افزايش مي يابد.
2 – کارايي و عملکرد بسيار خوبي بالاخص در سيستم هاي بزرگ که Upgrade مي شوند بدست مي آيد.
3 – صرفه جويي هزينه سرمايه گذاري خوبي حاصل مي شود .
4 – صرفه جويي انرژي بالايي ناشي از هزينه هاي پايين تر کمپرسورها و پمپ ها و تجهيزات پايين دستي حاصل مي شود .
5 – لرزش دسته لوله نيز کاهش مي يابد ( يک دليل آن ناشي از کوتاه شدن طول لوله ساپرت نشده است )
6 – ميزان رسوب گذاري در اين مبدل ها به دليل از بين رفتن فضاهاي مرده بسيار کاهش مي يابد .
5-1-5-1: لوله هاي پيچشي ( Twisted – Tubes)
توسعه ديگري که در زمينه مبدل هاي حرارتي پوسته – لوله اي صورت گرفته است مبدل هايي با لوله هاي پيچشي مي باشد. اين لوله ها بوسيله يک فرايند ويژه شکل دهي توليد مي شوند و در دسته لوله قرار مي گيرند. لوله هاي استفاده شده در مبدل هاي Twisted – tubes طي يک فرايند تک گامي شکل گرفته اند لوله هاي توليدي يک مقطع بادامي شکل دارند و پيچش به آنها اضافه مي شود . اين لوله ها هر يک توسط ديگري در طول مبدل ساپرت مي شوند . اگرچه Twisted – tubes ها با يکديگر تماس دارند اما فاصله کافي بين آنها براي جريان سمت پوسته وجود دارد . جريان سمت پوسته همانند درون لوله يک حرکت چرخشي خواهد داشت . اين باعث افزايش آشفتگي هر دو سمت لوله و پوسته ( بخوبي ) مي شود. اين لوله ها به نحوي به هم قفل مي شوند که نيازي به بفل هاي حمايت کننده نمي باشد . اين واحدها جريان کاملا محوري و بدون فضاهاي مرده دارند و تمايلي به لرزش در اين واحدها وجود ندارد. همانطور که بيان شد هيچ بفلي براي اين واحدها مورد نياز نيست .توسعه انتقال حرارت در هر دو سمت لوله و پوسته اتفاق خواهد افتاد و نسبت هاي بالاتر سطح به حجم به دست مي آيد ( در مقايسه با دسته لوله هاي مرسوم ) اصطکاک کمتري در سمت پوسته وجود خواهد داشت و جريان خالص مخالف مي تواند در حالت هاي يک گذر لوله و دو گذر پوسته – دو گذر لوله حاصل شود . لوله هاي پيچشي در واقع هدفشان ترقي دادن انتقال حرارت در هر دو طرف لوله و پوسته مي باشد که توسط توسعه و بهبود ميدان جريان در دو سمت مبدل صورت مي گيرد. اين چنين افزايش دهنده هاي دوتايي را مي توان با ترکيب استفاده از اينزرت ها و مثلا لوله هاي پره کوتاه مقايسه کرد. در شکل(8-1) يک مبدل حرارتي با لوله هاي پيچشي نشان داده شده است.
شکل(8-1) : مبدل حرارتي با لوله هاي پيچشي
عموما در طراحي هاي با Twisted – tubes) ها) شکل (9-1)، حرکت پيچشي سيال موجب افزايش توربولنسي حتي در سرعت هاي کم و سيالات با ويسکوزيته بالا و در نتيجه بهبود انتقال حرارت مي ش به ميزان 40% ضرايب انتقال حرارت بالاتري نسبت به مبدل هاي لوله اي با بفل هاي قطايي در افت فشار مشابه را مي دهد . ليسانس اين نوع مبدلها به صورت تجاري در اختيار شرکت هاي Allard سوئد و Brown Fin tube آمريکا قرار دارد . اين مبدل ها همچنين مي توانند به صورت ترکيب با دسته لوله هاي معمولي براي نيازهاي ويژه انتقال حرارتي و افت فشاري مورد استفاده واقع شوند .
شکل (9-1) : الگوي جريان در تيوب و پوسته در مبدل لوله هاي پيچشي (Twisted Tube)
از مزاياي ديگر اين نوع مبدلها مي توان به موارد زير اشاره کرد.
الف ) کاهش گرفتگي – بعضي از مواردي که باعث کاهش کرفتگي مي شوند عبارتند از :
* نداشتن بافل و حذف نقاط مرده در قسمت پوسته
* داشتن پروفايل سرعت ثابت و يکنواخت
* کنترل دماي ديواره لوله در اثر توزيع جريان ثابت
ب ) نداشتن لرزش – بعضي از مواردي که باعث از بين رفتن لرزش مي شوند عبارتند از :
* نبود بافل و حرکت سيال پوسته در امتداد طول لوله ها
* تماس لوله هاي مارپيچ در تعداد زيادي از نقاط
ج ) کاهش افت فشار – بعضي از مواردي که باعث کاهش افت فشار مي شوند عبارتند از :
* نداشتن بافل و کاهش افت فشار
* کوتاهتر بودن طول اين نوع مبدل ها و داشتن تعداد پاس هاي کمتر
د ) تميز کردن آسانتر
6-1: تاثير بهبود انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي
بهبود انتقال حرارت در مبدل هاي حرارتي معمولا با افزايش افت فشار و در نتيجه افزايش قدرت پمپاژ (Higher pumping power) را به دنبال دارد. بنابراين هر گونه افزايش انتقال حرارت بايد در مقابل هزينه هاي صرف شده جهت غلبه بر افت فشار مقايسه و بررسي شود. هزينه سالانه مصرف برق براي پمپ در هنگام سرويس برابر است با :
Operating Cost = (Pumping power, kw) (Hours of operation, h) (Price of Electricity, $/kwh)
کم کردن افت فشار و جرم سيال ورودي مي تواند هزينه يک مبدل را کاهش دهد اما در عوض سايز مبدل افزايش پيدا مي کند که اين به معني افزايش هزينه اوليه (initial cost) مي باشد. ضريب انتفال حرارت مي تواند با اختلال در جريان سيال که به کاهش و يا از بين رفتن لايه مرزي و شکستن ويسکوزيته مي شود، بهبود يابد اما براي رسيدن به اين مرحله نياز به افزايش قدرت پمپاژ مي باشد که در نهايت باعث بالا رهتن هزينه مي شود. بنابراين براي رسيدن به انتقال حرارت مطلوب در مبدل هاي حرارتي، تکنيک ها و روش هاي متعددي وجود دارد که در بالا به آنها اشاره شده است.
فصل دوم :
مبدل هاي حرارتي و انواع آن
1-2: تقسيم بندي مبدلها
اين تقسيم بندي بر اساس سيال فرآيندي مبدل شكل گرفته است. البته تفاوت بين ضرايب انتقال حرارت گازها و مايعات در تعيين شكل مبدل نقش موثري دارد.
1-1-2 :مايع / مايع
در اين مبدلهاي حرارتي هر دو سيال مايع هستند و مكانيزم انتقال حرارت براي هردو، انتقال حرارت اجباري است. انتقال حرارت در اين مبدلها به علت بالا بودن ضريب انتقال حرارت مايعات بالاست.
2-1-2: گاز / مايع
در اين مبدلها يك سيال مايع و سيال ديگر گاز است. معمولاً براي خنك نمودن سيال گرم توسط هوا استفاده مي شود. جريان مايع با سرعت كافي داخل لوله پمپ ميشود كه اين موجب بالا بودن ضريب انتقال حرارت طرف لوله ها مي شود. هوا به صورت متقاطع بر روي لوله ها جريان مي يابد. جريان هوا مي تواند به صورت جابجايي اجباري يا آزاد باشد.
3-1-2: گاز / گاز
معمولاً كمتر اتفاق مي افتد كه در مبدلها هر دو سيال گاز باشند. مگر اينكه يكي از گازها در فشار بالا باشد. گاز فشار بالا كه دانيسته آن بيشتر است در داخل لوله ها جريان مي يابد. البته ضريب انتقال حرارت در اين موارد خيلي كوچك است و براي انتقال حرارت مناسب بايد تدابيري انديشيد كه در مباحث بعد در اين مورد بحث مي شود.
4-1-2: كندانسورها
در اين مبدلهاي حرارتي جريات بخار يك سيال مايع (مثلاً آب) و يا جريان گاز (مثلاً هوا) خنك و كندانس مي شود. گاهي اوقات بخار خارج لوله است مثل كندانسورهاي نيروگاههاي حرارتي و گاهي اوقات بخار داخل لوله است مثل كندانسورهاي فرئون.
2-2: تقسيم بندي براساس شكل ساختماني
تقسيم بندي مهم ديگري براي مبدلها وجود دارد كه براساس شكل ساختماني آنها مي باشد. اهميت اين نوع تقسيم بندي از آنجا مشخص مي شود كه در صنعت مبدلها با توجه به همين نوع تقسيم بندي از روي شكل شان ياد مي شود.
1-2-2: مبدلهاي لوله اي (Tubular Heat Exchanger)
اين گونه مبدلها از دو لوله هم محور تشكل شده اند. يكي از سيالها در داخل لوله مياني و در امتداد طول آن جريان مي يابد و سيال ديگر در داخل حلقه بين دو لوله جريان خواهد يافت. ساير اجزاء ساختماني اين مبدلها عبارتند از:
* زانوي برگشت
* سر برگشت
* اتصالات T براي ورودي و خروجي سيالها
هنگامي كه اختلاف انبساط حرارتي بين لوله خارجي و داخلي وجود دارد در كاربرد نوع اتثالات مي يابد دقت كافي شود تا تنش حرارتي مينيمم گردد.
در شکل هاي (1-2)، (2-2) و (3-2) مبدلهاي لوله اي را مي توان براساس شكل تقسيم بندي شده اند.
شکل (1-2) : مبدلهاي لوله اي U شکل
شکل(2-2) : مبدلهاي دو لوله اي ساده
شکل(3-2) : مبدلهاي دو لول هاي كويل دار
2-2-2: موارد كاربرد و مزاياي مبدلهاي لوله اي
هنگامي كه ضريب انتقال حرارت سيال داخل لوله نسبت به خارج آن بزرگتر از 2:1 باشد، مثلاً داخل لوله مايعات كم لزج مثل آب با ضريب انتقال حرارت بالا باشد و خارج از آن مايعات لزج استفاده



قیمت: تومان


پاسخ دهید