Month: نوامبر 2019

مبدل‌های حرارتی صفحه و پوسته به خاطر بازده حرارتی بالا، اندازه و توانایی برای مقاومت در برابر فشارهای بالا بسیار محبوب شده‌اند. اما آن‌ها نسبت به خستگی مکانیکی فلز نیز حساس هستند. برای جلوگیری از خرابی تجهیزات پرهزینه و اطمینان از عمر طولانی آنها، طراحی، ساخت‌ و جوشکاری باید جزو ملاحظات مهم در طراحی این نوع مبدلها قرارگیرد. ​

مبدل‌های حرارتی صفحه و پوسته، راندمان انتقال حرارت مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای را با قابلیت کنترل فشارهای بالا که در مبدلهای پوسته و لوله یافت می‌شوند، ترکیب می‌کنند. ​

این امر آن‌ها را به گزینه ارجح برای انواع کاربردها در بسیاری از صنایع از جمله دماهای بالا ویا فشار و دماهای نوسانی تبدیل کرده‌است که می‌تواند باعث خستگی متریالی شود. مبدل‌های حرارتی اغلب از نظر فرایندی ، تجهیزی بحرانی هستند و جلوگیری از شکست ناشی از خستگی آنها، امری ضروری است. متاسفانه، بسیاری از مبدلهای واحدهای مرسوم به گونه‌ای طراحی و تولید می‌شوند که منجر به مسائل غیرضروری و نهایتا از کارافتادن تجهیزات می‌شود.

خستگی متریالی وقتی رخ می‌دهد که یک قسمت از تجهیز در معرض باری قرار می‌گیرد که به طور چرخه‌ای در طول زمان تغییر می‌کند و باعث شکسته شدن آن در سطوح تنش می‌شود. تحقیقات اولیه در مورد ماهیت خستگی توسط آگوست وهلر در قرن ۱۹ منجر به کشف یک رابطه لگاریتمی بین باری که یک بخش از تجهیز می‌تواند تحت آن بار دوام بیاورد و تعداد نوسانات بار ، شد. ماهیت لگاریتمی رابطه به این معنی است که طول عمر یک قطعه به طور چشمگیری با کاهش جزیی در تنش افزایش می‌یابد. تغییرات طراحی که تنش را کاهش می‌دهند، تاثیر قابل‌توجهی دارند. ​

ترکهای کوچک نقطه شروع شکست خستگی هستند. آن‌ها ناشی از نقصی در ساختار اتمی به نام “نابجایی” هستند، لایه های اتمی که به جای عبور از جهت دانه های استیل، در وسط آن قرار می‌گیرند. اگر نابجایی در مرزهای دانه ای تجمیع شود، آن‌ها در نهایت ترک‌های میکروسکوپی را با تمرکز تنشهایی در نوک این ترکها ایجاد خواهند کرد. ترک با هر چرخه بار ادامه خواهد داشت و آنقدر بزرگ می‌شود که سطح باقیمانده نمی‌تواند از بار پشتیبانی کند. ​

مبدلهای پوسته و لوله دارای کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف هستند. با اینحال یکی از محدودیت های اصلی که بر سر راه بهینه سازی طراحی حرارتی این نوع مبدلها وجود دارد، موضوع افت فشار است.

در پست امروز به موضوع مدیریت افت فشار مبدل و همچنین ملاحظات آن که یکی از جنبه های ضروری در طراحی آن است می پردازیم.

طراحی حرارتی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله تنها زمانی معنادار است که بهینه باشد و میزان بهینه بودن ، به افت فشار نیز بستگی دارد. بهینه کردن طراحی حرارتی نیازمند بیشینه سازی ضریب انتقال حرارت کلی  و/یا  بیشینه سازی اختلاف دمای متوسط موثر (EMTD) است تا بتوان سطح انتقال حرارت  را تا میزان قید ها پایین آورد. یکی از این قید ها ، افت فشار است. سایر قیود میتواند شامل ارتعاشات اجباری ناشی از جریان، محدودیت فضا و … می باشد.

ضریب کلی انتقال حرارت را می توان با بیشینه کردن سرعتهای جریان سمت پوسته و جریان سمت تیوب بیشینه کرد که توسط افت فشار مجاز کنترل میشود چون سرعت بالاتر به معنای افت فشار پایینتر است.

بیشینه کردن EMTD توسط حرکت جریان کاملا مخالف سیال و در دوپاس در سمت دیگر امکان پذیر است، اما افت فشار مجاز در آن سمت، ممکن است اجازه ندهد که شرایطی مانند شرایط فوق الذکر داشته باشیم.  

چرا اندازه گیری افت فشار برای مبدلهای حرارتی بسیار حیاتی است ؟

به دلایل فوق ، لازم است که افت فشار را در طول فرایند طراحی حرارتی مبدل، مدیریت کنیم. اگر حین طراحی حرارتی، افت فشار محاسبه شده ، خیلی بیشتر از افت فشار مجاز باشد، فاکتور افت فشار یک عامل محدود کننده است. اما ممکن است حالتهایی وجود داشته باشد که افت فشار محاسبه شده، خیلی کمتر از افت فشار مجاز است و افت فشار مازاد داریم.

افت فشار باید طوری مدیریت شود که افت فشار محاسبه شده کوچکتر و نزدیک به افت فشار مجاز باشد. به بیان دیگر اگر افت فشار یک فاکتور محدود کننده حین طراحی حرارتی باشد، افت فشار محاسبه شده باید طوری کاهش یابد که نزدیکترین مقدار ممکن به افت فشار مجاز بدون عدول از آن شود. از سوی دیگر، اگر افت فشار مازاد باشد، افت فشار محاسبه شده ، باید افزایش یابد تا نزدیکترین مقدار به افت فشار مجاز شود.