وبلاگ

مبدل های حرارتی پوسته و لوله توسط سدلهای افقی یا عمودی محافظت می شوند. ریبویلر های ترموسیفون عمودی نسبتاً کوچک هستند و معمولاً قطر آنها ماکسیمم یک متر و طول آنها ماکسیمم سه متر است و به همین دلیل می‌توان آنها را از برجهای تقطیر آویزان نمود و به صورت عمودی قرار داد طوری که بسیار نزدیک به برج قرار بگیرد. معمولاً ساپورت نزدیک به تیوب شیت بالایی قرار می گیرد و دو عدد براکت در طرف های دیگر مبدل قرار می گیرد.

کندانسور ها و یا کولرهای زیر صفر عمودی نیاز به این دارند که به صورت عمودی نصب شوند تا بتوانند هر دوعملیات کندانس کردن را درست انجام داده و سپس عملیات سرد سازی تا منفی صفر را انجام دهند. در صورتی که نیاز به مبدل های بزرگتری از ریبویلرهای ذکر شده وجود داشته باشد این مبدل ها توسط چهار عدد ساپورت مورد حمایت قرار می گیرند که مجدداً به منظور کاهش مشکلات ناشی از انبساط کانکشن های بزرگ روی قسمت تیوب ساید، در نزدیکی تیوب شیت بالایی قرار میگیرد.

براکت ها روی قطر vessel و با زاویه ۹۰ درجه از همدیگر قرار می گیرند.در سایر موارد، مبدل های حرارتی به صورت افقی قرار داده می شوند و در این موارد نیاز به حمایت مبدل توسط دو عدد سدل وجود دارد.این نوع آرایش مبدل حرارتی اجازه حمایت از  مبدل با قطرهای بزرگتر و طول های بیشتری را نسبت به مبدل های ذکر شده در بالا میدهد. و یا ممکن است که وزن کلی بالاتری را به دلیل نیاز به عمل کردن در فشار بالاتر داشته باشد که این امر موجب ضخیم تر شدن پوسته و فلنج های سنگین تر می شود.در خصوص استاندارد طراحی سدلها،  یکی از استانداردهای بسیار جامع استاندارد BS بریتانیا میباشد.

در محاسبات سدل ها باید چندین نیروی مهم را مدنظر قرار داد که در ادامه به آنها میپردازیم.

ابتدا بايد نيروي باد را براي مخزن محاسبه كرد. نيروي اوليه باد از روي نمودارها و كد UBC به‌صورت تعريف شده مشخص مي‌باشد و بايد شرايط رادر فرمول‌ها و نمودارها قرار داد و مقادير را به‌دست آورد. (UBC SECTION 1615)براي محاسبه نيروي باد فشار طراحي مخزن نبايد از ۱۰ PSI كم‌تر باشد.

نيروي باد باعث ايجاد يك نيروي برشي مي‌شود كه اين نيروي برشي ممان خمشي ايجاد كرده و اين نيروها بر روي SHELL تنش ايجاد مي‌كند. اين تنش‌ها بر روي مخزن و پايه‌ها نيرو وارد مي‌كند. از اين نيروها از نيروي برشي باد در مقابل بقيه نيروها مي‌توان صرف‌نظر كرد به علت اين كه مقدار تنشي كه ايجاد مي‌كند بسيار كوچك‌تر از تنشي است كه در اثر ممان ايجاد مي‌شود. بنابراين براساس تنش ايجاد شده مي‌توان ضخامت مورد نياز را محاسبه كرد.

نيروي وزن مخزن:

وزن مخزن نيز باعث ايجاد تنش فشاري بر روي پايه‌ها مي‌شود كه در صورتي اين تنش را داريم كه هيچ نيروي خارج از مركزي نداشته باشيم(نيروهايي كه از محور مخزن دور هستند) وزن را براي همه قطعات مخزن محاسبه مي‌كند كه عبارتند از:

۱٫              shell

۲٫              Head

۳٫              پايه‌ها و supportها

۴٫              رينگ‌هاي سخت‌كننده

۵٫              كليه OPPENINGها

۶٫              صفحه‌هاي داخل مخزن

۷٫              صفحه پايه‌ پيچ‌ها

۸٫              پيچ‌ها (Anchor Bolt)

۹٫              نردبان و سكو

۱۰٫         كليه عايق‌ها

۱۱٫         جمع موارد زير به اضافه ۶% از وزن shell به‌عنوان ضريب اطمينان

S: تنش مجاز

W: وزن كل مخزن                                  S=

C: ضريب واحد

T: ضخامت  Shell  يا skitt

زمين لرزه:براي به‌دست آوردن مقدار نيروي زلزله نيز بايد به استاندارد UBC مراجعه كنيم و باتوجه به دستور بخش فرآيند(process) ناحيه موردنظر را انتخاب مي‌كنيم و باتوجه به نمودارهاي UBC مقدار زلزله را به‌دست مي‌آوريم.

ارتعاشات: به علت نيروي باد در مخازن عمودي ارتعاش به‌وجود مي‌آيد و براي اين‌كه ايجاد نشود بايد دوره نوسان اين ارتعاش محدود و در دسترس باشد و از مقدار مجاز تجاوز نكند. زماني كه بيش‌ترين دوره نوسان طبيعي در مخزن به‌دست مي‌آيد ممكن است مخزن در نقاط اتصالات دچار وامادگي و تغييرشكل در مخزن و يا شكست در آن مي‌شود. به همين علت دوره نوسان مجاز بايد محاسبه شود.

D:  قطر خارجي                                                              T = 0.0000265

H: قطر مخزن از پايه                                                         دوره نوسان

G : شتاب گرانش زمين

T : ضخامت skir                                                             .  Ta= 080 

V: نيروي برشي باد                                                              دوره نوسان موجاز

W: وزن مخزن

W: وزن ويژه مخزن

طراحي پايه (SKIRT SUPPORT SKIRT:SKIRT نام پايه‌ايست كه مخازن عمودي بر روي آن قرار مي‌گيرد. اين پايه توسط جوش به Head متصل مي‌شود و معمولاً نياز است كه قطر جوش با ضخامت SKIRT برابر باشد براي محاسبه ضخامت موردنياز است كه قطر جوش با ضخامت SKIRT برابر باشد براي محاسبه ضخامت موردنياز SKIRT از فرمول زير استفاده مي‌شود:

t =  

D: قطر خارجي SKIRT

E: ضريب اتصال

MT: ممان درمحل اتصال SKIRT و SHELL

R: شعارع خارجي SKIRT

S: تنش مجاز

T: ضخامت موردنياز

W: وزن مخزن بر روي HEAD

اتصال SKIRT به HEAD به دو نوع مي‌باشد:

۱٫BUTT WELD كه در شكل A آمده و در اين حالت E= 0.6

۲٫LAP WELD كه در شكل B آمده است و در اين حالت E=0.45

مساحت موردنياز بلت‌ها در شرايطي كه مخزن خالي است اندازه‌گيري مي‌شود. براي محاسبات داريم:

ماكزيمم كشش lb/in. in                                                      T=

مساحت موردنياز ۱ بلت: in^2                                                BA =

تنش وارد بر انكريت psi                                                       SB =

AB: مساحت دايره بلت

CB: محيط دايره بلت

M: ممان حاصل از باد يا زمين‌لرزه

N: تعداد انكربلت

SB: ماكزيمم تنش مجاز ماده سازنده بلت

W: وزن مخزن در حالت ايستاده

طراحي حلقه انكربولت : حلقه بايد به اندازه‌كافي بزرگ باشد تا زماني كه بر روي پي بتوني قرار مي‌گيرد مقدار نيروي مناسب را تحمل كند.ضخامت اين حلقه بايد به اندازه‌ كافي باشد تا بتواند تنش ايجاد شده در اثر نيروي باد يا زلزله را تحمل كند و براي اين از فرمول‌هاي زير استفاده مي‌كنيم:

ماكزيمم نيروي فشاري : ۱b/ in                                           Pc=

فاصله عرضي از حلقه:   in                                                            L=

ضخامت حلقه: in                                                                 tB = 0.321

تنش كششي: psi                                                                   S1=

تنش فشاري: psi                                                               S2 =

AR: مساحت حلقه

AS: مساحت بين SKIRT

Cs: محيط از قطر خارجي SKIRT

Fb : ضريب اطمينان نيرو و بتن (جدول E)

L1 : in

L1L2: in

M: ممان تا پايه

W: وزن مخزن در شرايط عادي يا تست

طراحي انكربولت‌ها همراه حلقه آن‌ها:

براي طراحي در اين شرايط ضخامت حلقه موردنظر است. بنابراين بايد تنش‌هاي وارد بر حلقه را به‌دست آوريم. هنگامي كه يك مخزن تحت نيروي باد يا زلزله قرار مي‌گيرد در قسمت و طرفي كه در مقابل باد قرار مي‌گيرد تنش كششي در حلقه فولادي ايجاد مي‌شود و در طرف ديگر تنش فشاري در فونداسيون بتني بيش‌تر مي‌شود. اين هم واضح است كه سطح بلت‌ها محل قارگيري آن‌ها به هم وابسته‌اند اگر سطح بلت‌ها  افزايش يابد سطح حلقه كاهش مي‌يابد پس با هم نسبت عكس دارند. با روش طراحي كه در زير مي‌آيد مي‌نيمم مقدار سطح انكربلت‌ها بر اساس سطح حلقه داده شده است و چون مقاومت فولاد و بتن با هم متفاوت است بنابراين محور مركزي بر مركز SKIRT منطق نمي‌شود

تعمیرات و نگهداری مبدل حرارتی پوسته و لوله شامل تمیز کردن باندل تیوب های داخلی و تمیز کردن پوسته خارجی می باشد که این امر به صورت پروسه ای چهار مرحله ای و به شرح زیر انجام می شود:

خارج کردن تیوب باندل

انتقال تیوب باندل

تمیز کردن تیوب باندل

جا زدن تیوب باندل

یکی از رایج‌ترین ایرادات در عملکرد مبدل حرارتی رسوب گذاری بیش از حد می باشد. رسوب گذاری به ته نشین شدن رسوبات جامد محلول در سیال داخل لوله که به صورت پوسته پوسته شکل می‌گیرد اطلاق می‌شود. این موضوع به کاهش ضریب انتقال حرارت و در نتیجه عملکرد بدتر مبدل حرارتی میشود.عملیات نگهداری مبدل حرارتی دارای پروسه های زیر می باشد: 

۱- پروسه بیرون کشیدن تیوب باندل

دستگاه بیرون کشنده تیوب باندل یا bundle Puller برای جدا کردن تیوب باندل از پوسته آن انجام می‌پذیرد و نیاز به ماشین آلات مخصوصی به نام Aerial tube bundle extractor وجود دارد که تیوب باندل را در هوا به صورت معلق از داخل پوسته بیرون می کشد. معمولاً این دستگاه ها توسط جرثقیل سقفی قابل حمل هستند و کوچکترین سایز آن ها تا وزن ۵ تن توانایی حمل بار را دارد و وزن خود آن نیز ۱۶۰۰ کیلوگرم می باشد و بزرگترین آنها می‌تواند تا ۱۰۰ تن وزن را تحمل کند و برای تیوب باندل های بزرگ مناسب می باشد. قدرت کشش این دستگاه ها بسته به سایز مبدل حرارتی متفاوت می باشد.

۲- پروسه انتقال تیوب باندل

پروسه انتقال تیوب باندل توسط دو متد متفاوت قابل انجام است که بستگی به ارتفاع محلی که مبدل حرارتی در آنجا قرارداده شده دارد. برای ارتفاع های زیاد انتقال باید ابتدا توسط جرثقیل هایی انجام پذیرد و سپس با استفاده از دستگاههای straddle carrier از محل خارج شود. این دستگاه عمل انتقال تیوب باندل را راحت تر می نماید زیرا دیگر نیازی به جرثقیل های محوری برای تنظیم موقعیت تیوب باندل و گیر نکردن آن به پوسته وجود ندارد. این دستگاه ها قابلیت انتقال بار تا وزن بیستون را دارا می باشد همچنین از قوانین جاده‌ای نیز پیروی می کند.برای ارتفاع های پایین تر بهتر است که تیوب باندل بر روی کامیون قرار داده شود.

۳-پروسه تمیز کاری تیوب باندل

فرایند تمیز کاری تیوب باندل شامل تمیزکاری مکانیکی با استفاده از دستگاه های رسوب زدا با فشار بالا و سپس متدهای تمیزکاری شیمیایی با استفاده از محلول های رسوب زدا انجام می پذیرد. 

۴- فرایند جاگذاری تیوب باندل در داخل پوسته

پس از انجام مراحل تمیز کاری بر روی تیوب باندل ، باید دوباره به داخل پوسته برگردانده شود. این کار باز هم توسط دستگاه‌های aerial bundle extractor انجام می پذیرد. آخرین مرحله جازدن تیوب باندل در داخل پوسته را میتوانید در کلیپ زیر مشاهده فرمایید. 

مبدل های حرارتی هوا خنک که گاهی اوقات از آنها به عنوان کولرهای هوایی هم یاد می شود. در پالایشگاه ها،پلنت های پتروشیمیایی پلنت های پالایش گاز کمپرسور خانه ها نیروگاه های برق و دیگر تاسیسات مورد استفاده قرار می گیرد. مبدل های حرارتی هوا خنک برای فرایندهای خنک کاری و یا کندانس کردن مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فرآیندها اغلب بسیار حیاتی برای فعالیت پلنت هستند. عدم کارکرد درست مبدل هوا خنک می‌تواند باعث از کار افتادن و یا کار کردن در پایینترین ظرفیت ممکن پلنت شود و این امر به معنی هزینه های بسیار زیاد و ضرر مالی می باشد.

در این مقاله به عملکرد مبدل های هوا خنک می پردازیم و اجزای حیاتی آنرا که در صورت خراب شدن باعث کم شدن ظرفیت خنک‌کاری میشوند به همراه روش هایی برای افزایش عمر این نوع مبدل ها ارائه می‌کنیم.اصول عملکرد یک مبدل هوا خنک بسیار ساده است. سیال داغ به یکی از ورودی‌های مبدل حرارتی وارد شده و در داخل تیوب ها جریان پیدا می کند در حالیکه هوای محیط دور تا دور و در میان جریان دارد که معمولاً این نوع تیوب ها دارای سطح فین دار می باشد. گرما در طی این فرآیند به هوا منتقل می‌شود که باعث خنک شدن سیال داغ می گردد و هوای داغ نیز به درون فضای بیرون تخلیه می شود که این امر معمولاً توسط فن های مکش انجام میپذیرد. 

با وجود اینکه چنین مفهوم عملکردی بسیار ساده است، حفظ عملکرد بهینه مبدل حرارتی هوا خنک به دقت بسیار زیادی نیاز دارد.اندازه این واحدها بسیار متنوع هستند. از واحدهای خیلی کوچک نظیر رادیاتور خودرو یا رادیاتور کامیون گرفته تا اندازه های بسیار بزرگ نظیر کندانسورهای وکیوم بخارتایپ A . به همین جهت بهینه سازی مبدل های هوا خنک موجود می تواند با رویکردهای متفاوتی انجام پذیرد.

در موارد مطرح شده در این مطلب بهینه سازی محدود به آن مبدل های حرارتی هوا خنکی می شود که در پالایشگاه ها، پلنت های شیمیایی یا نیروگاه های برق و تحت استاندارد api661 کار میکنند.دو نوع اصلی مبدل های حرارتی هوا خنک در پلنت های پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرد: 

۱- جریان دمشی (Forced draft) :  که در آن یک فن در زیر باندل فرآیندی قرار دارد و هوا به صورت اجباری در میان تیوب ها دمیده می شود.

۲- جریان مکشی (Induced draft) که در آن فن در بالای باندل فرآیندی قرار دارد و هوا از میان تیوب ها مکیده میشود.

یک مبدل هواخنک رایج از اجزای زیر تشکیل شده است: یک یا تعدادی از باندل های سطح انتقال حرارت که شامل تیوبهای فین دار یا تیوب های معمولی می شود توسط هدر ها به یکدیگر متصل شدند. یک تجهیز به حرکت دراورنده هوا نظیر فن آکسیال یا یک بلوئر یا یک دودکش به جز در مواردی که جریان طبیعی است، یک موتور الکتریکی محرک فن و همچنین یک تجهیز انتقال قدرت نظیر تسمه یا گیربکس برای به چرخش درآوردن تجهیز دمنده هوا نیاز است. مقداری فضا بین باندل ها و تجهیز به حرکت در آورنده هوا یک سازه حمایتی که به اندازه کافی بلند باشد تا اجازه دهد هوا با سرعت مناسبی وارد قسمت زیرین مبدل هوا خنک شود یک فضای جداگانه برای تعمیرات یک خروجی اضافی جهت کنترل دمای سیال خروجی داکت هایی جهت به چرخش درآوردن و جلوگیری از یخ زدن یا جامد شدن سیالات در هوای سرد. استفاده از یک فن با محرک فرکانس متغیر جهت کاهش مصرف برق و کنترل دما هدرها سیال را از پایپینگ منبع به سمت تیوبهای فین دار هدایت می‌کند. برای اغلب کاربردها یک هدر با طراحی پلاک باکس برای باندل تیوب درنظر گرفته میشود.  در صورتی که قسمت داخلی هدر قابل دسترس باشد، نیاز است که طراحی کاور پلیت مدنظر قرار گیرد. با اینکه این روش گران‌تر است اما به طور کامل اجازه دسترسی به داخل هدرها را برای تمیزکاری و بازرسی می دهد.

تعمیرات و نگهداری روتین قابلیت اعتماد و عملکرد گرمایی هر مبدل حرارتی هواخنک بستگی به این موضوع دارد که اجزای مکانیکی آن با چه کیفیتی مورد تعمیرات و نگهداری قرار گرفته‌اند. شکل شماره ۵ نحوه قرارگیری بخش‌های مختلف مکانیکال یک مبدل حرارتی هوا خنک را نشان میدهد اجزای مبدل هوا خنک بسیار رایج هستند معمولاً هر مجموعه مبدل دارای ۱ تا ۳ فن برقی هستند. بیشتر مبدل های هوا خنک دارای یک کاهش دهنده سرعت هستند که معمولاً شامل یک تسمه V شکل یا یک گیربکس زاویه دار می باشد.یک سیستم رانش تسمه ای دارای ۴ بیرینگ می باشد که نیاز به روغن کاری دارند دو عدد بیرینگ موتور و دو عدد بیرینگ فن. جهت خنک کاری این برینگ ها معمولاً مداری از روغن به آنها متصل است که عملیات خنک کاری روغن را انجام میدهد سازندگان معمولاً پیشنهاد می دهند که بیرینگ ها توسط گریس یک بار در ماه و درحالیکه مجموعه در حال کار است روانکاری شوند. جهت بررسی عملکرد صحیح مبدل هوا خنک نیاز است که کشش تسمه به صورت ماهانه و با دقت چک شود که این فاصله معمولاً هر شش هفته می باشد. مواردی که باید در تسمه بررسی شود شامل کشش مناسب خوردگی فرسودگی و یا خلل و فرج در داخل ان میباشد. مورد بعدی که باید بررسی شود فن ها هستند که در مراحل زیر به آنها می پردازیم: ۱.  به صورت دیداری هرکدام از پره ها و دایره داخلی فن را چک کنید و به دنبال اثری از ترک ،ساییده شدن و یا فرسودگی بیش از حد باشید. ۲. تمامی پیچ و مهره ها و بولت هایی که روی مجموعه بسته شده بخصوص بولتهای نگهدارنده تیغه ها را از نظر گشتاور مناسب چک کنید. ۳. تیغه ها را از نظر فاصله مناسب که در دیتاشیت مبدل هوا خنک ذکر شده است چک کنید. ۴. حتما چک کنید که تیغه ها در یک صفحه در فضا در حال گردش باشند و از نظر فیزیکی در یک صفحه قرار داشته باشد یا کج نشده باشند.  ۵. حتماً چک کنید که نوک فن ها دارای لقی مناسبی که مطابق با محدودیتهای استاندارد است باشند تا مشکلی از نظر ساییدگی یا کشیده شدن به دیواره محفظه فن نداشته باشد. 

مبدل حرارتی سرمایش با هوا، از هوا به عنوان سیال خنک کننده استفاده می کند تا یک سال دیگر را که به آن فرایندی » گفته می شود و داخل لوله ها جریان دارد، خنک کند. به این منظور از «فن ، برای به حرکت در آوردن هوا و عبور آن از روی لوله ها استفاده میشود. فنها می توانند در دو نوع «دمشی» و «مكشی» بر روی مبدل نصب شوند. چون هوا سیالی با ضریب رسانش بسیار کوچک است (نسبت به سیالاتی مانند آب)، بنابراین باید برای بهبود انتقال حرارت از لوله های پره دار استفاده شود. از طرفی گرمای ویژه آب در حدود چهار برابر هوا و چگالی آن در دما و فشار اتمسفر در حدود ۸۰۰ برابر هواست و لذا برای یک بار حرارتی مشخص و افزایش دمای مشخص سمت سیال خنک کننده، جرم هوای مورد نیاز برای استفاده به عنوان سیال خنک کننده چهار برابر جرم آب مورد نیاز به عنوان سیال خنک کننده و حجم هوای مورد نیاز ۳۲۰۰ برابر حجم آب خواهد بود.

همین موضوع نشان می دهد مبدل های سرمایش با هوا نسبت به مبدل های مشابهی که از آب استفاده می کنند، باید حجم بزرگتری داشته باشد.در شکل (۱۷) انواع معمول آرایش های مبدل سرمایش با هوا نشان داده شده است. رایج ترین آرایش، نوع افقی است. نوع عمودی از نظر فضای اشغال شده روی زمین باعث صرفه جویی میشود، ولی به شدت تحت تاثیر جهت وزش باد غالب است و در کل از نوع عمودی بیشتر در واحدهای صنعتی کوچک استفاده می شود. دو نوع دیگر این مبدل، نوع A یا سقفی و نوع ، فضایی در حدود نصف فضای مبدل افقی اشغال می کنند. نوع A رایج تر بوده و بیشتر در کاربردهای چگالش بخار استفاده میشود.

استاندارد طراحی مبدل حرارتی هوا خنک

همان نقشی که استاندارد TEMA در طراحی و ساخت مبدل های لوله پوسته دارد، استاندارد API 660 موسسه ی نفت آمریکا در طراحی و ساخت مبدل های سرمایش با هوا ایفا میکند. این استاندارد همانند TEMA در برخی قسمت ها به استاندارد ASME رجوع میکند.

مزایا و معایب مبدل سرمایش با هوا

مزایا و معایب مبدل سرمایش با هوا در مقایسه با مدل هایی همانند لوله پوسته که از آب به عنوان سیال خنک کننده استفاده می کنند، به شرح زیر است:

برخلاف آب، هوا سیالی همیشه در دسترس است. در مناطق بیابانی که دسترسی به آب فراوان دارد، بهترین گزینه استفاده از مبدل سرمایش با هوا است؛

تجهیزات جانبی نظیر لوله کشی و سیستم پمپاژ که برای آب مورد نیاز است در مبدل های سرمایش با هوا وجود ندارد که این خود باعث کاهش هزینه می شود؛

برخلاف آب ، هوا سیال رسوب گذاری نیست و اغلب نیازی به تمیزکاری سطح بیرونی لوله ها که درمعرض هوا قرار دارند، وجود ندارد؛

گاهی پساب حاصل از مبدل هایی که از آب استفاده میکنند سبب ایجاد آلودگی های حرارتی و حتی شیمیایی در محیط می شوند، ولی هوا این مشکلات را ندارد؛

از آنجا که هوا سيالی خورنده نیست در نتیجه انتخاب جنس لوله ها بستگی به سیال فرایندی دارد ولی در مورد مبدل هایی که از آب به عنوان خنک کننده استفاده میکنند این طور نیست و خاصیت  خورندگی آب در انتخاب جنس لوله ها موثر است؛

هزینه ی تعمیر و نگهداری مبدل های سرمایش با هوا در حدود ۲۵ درصد سیستم های با سیال آب است .

معایب مبدل حرارتی سرمایش با هوا

ضريب رسانش، چگالی و ظرفیت گرمایی هوا بسیار کوچکتر از مقدارهای متناظر برای آب است و این باعث می شود برای یک بار حرارتی مشخص، مبدل سرمایش با هوا حجم بسیار بیشتری اشغال نماید؛

لوله های مبدل سرمایش با هوا باید پره دار باشند که این مساله باعث افزایش قیمت لوله ها و دشواری ساخت آنها می شود؛

فن ها تجهیزاتی پر سروصدا هستند و باعث آلودگی صوتی محیط اطراف میشوند؛

هزینه ی ساخت مبدل سرمایش با هوا دو تا چهار برابر هزینهی مبدل لوله پوستهی متناظر است؛

مبدل سرمایش با هوا نمی تواند نزدیک موانعی همانند درخت و ساختمان که جلوی گردش هوا را می گیرند، قرار داشته باشد.

مبدل های حرارتی ، به خصوص مبدل حرارتی پوسته و لوله از تجهیزات بسیار پرکاربرد در صنایع فرایندی محسوب می شوند. این نوع مبدل حرارتی به دلیل مقرون به صرفه بودن و هزینه های عملیاتی پایین نسبت به دیگر انواع مبدل حرارتی، از محبوبیت بیشتری در صنایع مختلف برخوردار است. گروه صنعتی نسیم مبدل تولیدکننده انواع مبدل حرارتی ، یکی از برندهای نام آشنا در این عرصه می باشد و همکاران ما در این مجموعه همواره در تلاش بوده اند بهترین و مقرون به صرفه ترین راه حل ها را به مشتریان گرامی ، ارائه نمایند . در این مقاله به کاربردهای مبدل حرارتی پوسته و لوله در صنایع مختلف می پردازیم.

یکی از کاربردهای اصلی مبدل حرارتی پوسته و لوله، ایفای نقش در سیستم خنک کاری سیستمهای هیدرولیک صنعتی می باشد . اجزای اصلی یک سیستم هیدرولیک پایه عبارتند از: پمپ، شیر و سیلندر هیدرولیک. پمپ مقدار کمی از توان مکانیکی را به توان هیدرولیک تبدیل می‌کند، شیر جریان روغن هیدرولیک را کنترل می‌کند و سیلندر هیدرولیک توان هیرولیک را به مقدار بزرگی از توان مکانیکی تبدیل می‌کند. گرمایش سیال هیدرولیک حین کار توسط ناکارآمدی‌ها رخ می‌دهد. ناکارآمدی‌ها منجر به اتلاف توان ورودی و تبدیل آن به حرارت می‌شود. بار گرمایی یک سیستم هیدرولیک برابر با کل اتلاف توان از طریق ناکارآمدی‌ها می‌باشد. اگر کل اتلاف توان ورودی به حرارت بزرگ‌تر از گرمای از دست رفته باشد، سیستم هیدرولیک در نهایت بیش از حد گرم خواهد شد. ظرفیت خنک‌کاری نصب شده وابسته به نوع سیستم هیدرولیک معمولاً بین ۲۵ تا ۴۰ درصد توان ورودی می‌باشد. دمای سیال هیدرولیک نباید از ۸۲°C بیش‌تر شود. در دماهای بالاتر، سیال ممکن است شروع به تخریب شدن کند، و گران‌روی برای روان‌کاری قابل اطمینان پمپ و اجزای موتور بسیار پایین بیاید. بسیار مهم است که سیال تمیز بماند، پایین‌تر از ۸۲°C بماند، و حاوی آب نباشد (کم‌تر از ۱۵۰ ppm) تا عمر طولانی روغن تضمین شود.نکات مهم:• دمای کاری در اکثر کاربردهای صنعتی حدود ۶۰°C می‌باشد.• در دماهای کاری بالاتر از ۸۵°C فرایند اکسیداسیون تسریع می‌شود.• پایداری اکسیداسیون واکنشی شیمیایی است که با ترکیبی از روغن و اکسیژن رخ می‌دهد.• هر ۱۰°C افزایش دما بالاتر از ۶۰°C، آهنگ اکسیداسیون را دو برابر می‌کند و عمر روغن را نصف می‌کند.دستگاههای تزریق پلاستیکیک ماشین قالب‌گیری تزریقی، که به آن پرس تزریقی نیز می‌گویند، ماشینی برای تولید محصولات پلاستیکی با فرایند قالب‌گیری تزریقی می‌باشد. ماشین شامل دو قسمت اصلی است، یک واحد تزریق و یک واحد نگه‌دارنده. ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی عمدتاً بر اساس نوع سیستم محرکی که استفاده می‌کنند، تقسیم‌بندی می‌شوند: هیدرولیکی، مکانیکی، الکتریکی، یا هیبریدی. ماشین‌های هیدرولیکی رایج‌ترین نوع در اکثر قسمت‌های جهان است.قسمت دیگری از ماشین‌آلات پلاستیک که از نظر کنترل دما حساس می‌باشد، ابزاری است که قطعه‌ی پلاستیکی را می‌سازد. در تأسیسات بزرگ‌تر، آب خنک‌کن که برای سرمایش ابزار استفاده می‌شود، به صورت مرکزی با برج خنک‌کن یا ایستگاه چیلر خنک می‌شود.تولید پاورپکهای صنعتیپاورپک‌های هیدرولیک دستگاه‌هایی خودمتکی هستند (در مقابل سیستم داخل ماشین‌آلات هیدرولیک). بعضی از پاور‌پک‌ها بزرگ و ثابت هستند و برخی قابلیت حمل دارند. اجزای آن شامل یک مخزن هیدرولیک که سیال را نگه‌داری می‌کند، رگولاتورهایی که به کاربر اجازه‌ی کنترل مقدار فشاری که پاورپک به شیر می‌دهد، خطوط تأمین و خطوط آزادسازی فشار، یک پمپ و یک موتور برای توان‌دهی به پمپ می‌باشد.پاورپک‌های هیدرولیک معمولاً امکان انتخاب اتّصالات شیر را می‌دهند، که به کاربر اجازه‌ی اتّصال آن‌ها به یک شیر یا شیرهای کنترلی برای توان‌دهی به انواع ماشین‌ها را می‌دهد. پاورپک توان هیدرولیک را از طریق یک شیر کنترلی برای کار ماشینی دیگر تأمین می‌کند.پرسهای هیدرولیکپرس هیدرولیک ماشینی است که با استفاده از سیلندر هیدرولیک، یک نیروی فشاری ایجاد می‌کند؛ و از معادل هیدرولیکی اهرم مکانیکی استفاده می‌کند. پرس هیدرولیک وابسته به اصل پاسکال می‌باشد: فشار درون یک سیستم بسته ثابت است. یک قسمت از سیستم پیستونی است که به عنوان یک پمپ کار می‌کند، با یک نیروی مکانیکی متوسط که به یک سطح مقطع کوچک وارد می‌شود. قسمت دیگر پیستونی با سطح بزرگ‌تر است که یک نیروی مکانیکی بزرگ تولید می‌کند. اگر پمپ از سیلندر پرس جدا باشد، فقط به لوله‌های با قطر کوچک نیاز است (که فشار را راحت‌تر تحمّل می‌‌کنند). هر پیستونی که به داخل هل داده شود، سیالی مانند روغن را جابه‌جا می‌کند. برای مقدار معینی از جابه‌جایی، پیستون کوچک مقدار حجم کم‌تری نسبت به پیستون بزرگ جابه‌جا می‌کند، که متناسب با نسبت مساحت سر پیستون‌ها می‌باشد. به این ترتیب قانون پایستگی انرژی رعایت می‌شود. کار حاصلضرب نیرو در جابه‌جایی است، و از آن‌جایی که نیرو روی پیستون بزرگ‌تر افزایش می‌یابد، مسافتی که نیرو در آن اعمال می‌شود باید کاهش یابد.پرس‌های هیدرولیک معمولاً برای آهنگری (فورج) قطعات فلزی، و نیز شکل‌دهی ورق‌های فلزی به کار می‌روند.ماشین آلات معدندر معدن‌ها به ماشین‌آلات سنگین برای اکتشاف و توسعه نیاز است، برای کندن و انباشت روباره، برای شکستن و کندن سنگ‌هایی با سختی و چقرمگی متفاوت، برای فراوری سنگ معدن و تلاش‌های آبادسازی پس از بستن معدن. بولدوزرها، مته‌ها، مواد انفجاری و کامیون‌ها همگی برای حفاری زمین ضروری هستند. کارخانه‌های فراوری از خردکن‌ها، آسیاب‌ها، راکتورها، روسترهای بزرگ و دیگر تحهیزات برای یک‌دست‌سازی مواد معدنی غنی و استخراج ترکیبات و فلزات مورد نظر از سنگ معدن استفاده می‌کنند. ماشین سازانماشین ابزار دستگاهی برای ماشین‌کاری فلزات یا دیگر مواد صلب، معمولاً با برش‌کاری، بورینگ، سنگ‌زنی یا دیگر شکل‌های تغییر شکل می‌باشد. ماشین‌های ابزار از نوعی ابزار استفاده می‌کنند که برش‌کاری یا شکل‌دهی را انجام می‌دهد. تمامی ماشین‌های ابزار روش‌هایی برای مهار قطعه‌کار دارند و حرکت هدایت شده قطعات ماشین را فراهم می‌کنند. بنابراین حرکت نسبی بین قطعه کار و ابزار برش (که مسیر ابزار نامیده می‌شود) به وسیله‌ی ماشین تا حدودی کنترل یا مهار می‌شود. امروزه توان ماشین‌های ابزار معمولاً به صورت هیدرولیکی یا الکتریکی تأمین می‌شود. سیستم‌های هیدرولیک دریاییامروزه سفر دریایی بدون هیدرولیک قابل تصور نیست. سیستم‌های محرک هیدرولیک برای توان‌دهی به واحدهای عملیاتی ضروری در کشتی‌ها استفاده می‌شوند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای تیتانیمی خنک‌کننده‌های بی‌نقصی هنگام استفاده از آب دریا به عنوان محیط خنک‌کننده می‌باشند.کاربردهای زیادی روی عرشه وجود دارد، مانند: وینچ‌ها، جرثقیل‌ها، محرک‌های رانشگر و پروانه، درهای سینه و پاشنه‌ی کشتی، لیفت‌ها، پمپ‌های واترجت و کارگو.

طراحی حرارتی و هیدرولیکی مبدل های حرارتی شامل تعیین مقدار انتقال حرارت و ارزیابی افت فشار یا سایزینگ مبدل است .

طراحی حرارتی

طراحی حرارتی شامل تعیین ساده ضرایب انتقال حرارت سیال دو طرف برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت در حالت بدون جرم گرفتگی (U) است. با در نظر گرفتن مقداری منطقی برای ضریب جرم گرفتگی، ضریب انتقال حرارت کلی به دست می آید که با توجه به آن و استفاده از معادله ، سطح مورد نیاز مشخص خواهد شد .

برای طراحی حرارتی یا پیش بینی عملکرد یک مبدل حرارتی ، بایستی روابطی بین نرخ انتقال حرارت کلی و کمیت هایی مانند دماهای ورودی و خروجی سیال ، ضریب انتقال حرارت کلی و مساحت سطح انتقال حرارت به دست آورد که می توان با اعمال موازنه انرژی کلی برای دو سیال ، دو رابطه به دست آورد. مثلا اگر q نرخ کلی انتقال حرارت بین سیال گرم و سرد باشد و انتقال حرارت بین مبدل حرارتی و محیط و تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز باشد ، با اعمال موازنه انرژی ، نتیجه می شود :

که در آن h آنتالپی سیال است ، اندیسهای h,c اشاره به سیال سرد و گرم دارند در حالی که i,o شرایط خروجی و ورودی را مشخص می کنند . اگر در هیچ یک از سیالات تغییر فازی رخ ندهد و گرمای ویژه ثابت فرض شود ، روابط فوق به صورت زیر در می آیند :

دمای ظاهر شده در این معادلات ، دمای متوسط در مقاطع مربوطه اند . معادله انتقال حرارت را می توان به صورت زیر نیز نشان داد که در آن اختلاف دمای متوسط در طول مبدل جایگزین اختلاف دمای سیال گرم و سرد در یک مقطع می شود : (  اختلاف دمای متوسط در طول مبدل است)

طراحی هیدرولیکی :   همانطور که ذکر شد طراحی هیدرولیکی شامل ارزیابی افت فشار و سایزینگ مبدل است . دلیل عمده افت فشار در مبدل های حرارتی ، اصطکاک ناشی از جریان  سیالات درون لوله و پوسته مبدل است. اصطکاک ناشی از انبساط و انقباض ناگهانی و یا معکوس شدن جهت جریان نیز موجب افت فشار می شود. تغییرات بوجود آمده در کلگی و انرژی جنبشی نیز می تواند بر افت فشار موثر باشد ولی این تاثیرات نسبتا کوچک است و می توان در اغلب محاسبات طراحی از آنها صرف نظر کرد.

الف- مسائل مربوط به طراحی حرارتی مبدل حرارتی   از نقطه نظر آنالیز کمی، مسائل متعددی در مورد طراحی مبدل حرارتی وجود دارد. مسائل دسته بندی و اندازه بندی دو مورد از ساده ترین و مهم ترین این مسائل هستند

مسئله دسته بندی : تعیین انتقال حرارت و عملکرد افت فشار مبدل موجود یا مبدلی که از قبل اندازه های آن تعیین شده است را rating problem می گویند. ورودی های مربوط به نسبت مسئله عبارتند از : ساختار مبدل حرارتی، آرایش جریان ، ابعاد طراحی، جزئیات کامل مواد و هندسه سطح در هر دو طرف ، از جمله مشخصات افت فشار و انتقال حرارت اسکالر ، نسبت های جریان سیال، دماهای ورودی و عوامل رسوب گیری . دمای خروجی سیال، نسبت انتقال حرارت و افت فشار در هر طرف مبدل حرارتی هم باید مد نظر قرار داده شوند. مسئله دسته بندی را گاهی اوقات تحت عنوان عملکرد یا مسئله شبیه سازی می شناسند.  

مسئله اندازه بندی : در مفاد کلی و گسترده، طراحی مبدل حرارتی جدید به معنای انتخاب و تعیین انواع ساختار مبدل ، آرایش جریان، انتخاب مواد سازنده پره ها و صفحه ها و اندازه فیزیکی مبدل برای برآوردن انتقال حرارت تعیین شده و افت فشار مجاز است. به هر حال در مسئله اندازه بندی برای یک مبدل حرارتی با سطوح پره دار ، باید به تعیین اندازه های فیزیکی (اعم از طول، پهنا، ارتفاع و سطح مقطع هر طرف) مبدل حرارتی پرداخته شود و در مورد مبدل های پوسته و لوله ، موضوع اندازه بندی به تعیین نوع پوسته ، قطر و طول ، تعداد و قطر لوله ها ، طرح بندی لوله ، آرایش گذرها ( مسیر عبور لوله ها ) و موارد مشابه اطلاق می شود .

ب- روش های اساسی طراحی حرارتی و هیدرولیکی   بر اساس تعداد متغیرهای مربوط با آنالیز مبدل حرارتی ، گروه های وابسته و مستقل بدون بعد فرمول بندی می شوند. روابط بین گروه های بدون بعد یا اسکالر برای آرایش های مختلف جریان تعیین می شوند.بر اساس انتخاب گروه های بدون بعد ، از چند روش برای طراحی استفاده شده است. این شیوه ها شامل   ε-NTU، p-NTU، فاکتور تصحیح MTD و سایر شیوه ها می باشند. همانگونه که در شکل۱ نشان داده شده است؛ ورودی های به فرآیند حرارتی و هیدرولیکی عبارتند از انتقال حرارت سطحی و مشخصات سایش جریان ،        ویژگی های هندسی ، ویژگی های ترموفیزیک سیالات و مشخصات طراحی و پروسه .

ج-  مشخصات اساسی سطح   مشخصات اساسی سطح برای هر طرف سيال را با j یا Nu و f نشان می دهند. همچنین ضریب انتقال حرارت با h ، افت فشار با ، نسبت جریان جرم سیال که با ، سرعت جرم سیال با G نشان داده می شود. مشخصات دقیق و معتبر اساسی سطح یک ورودی کلیدی برای طراحی حرارتی و هیدرولیک مبدل محسوب  می شود.

د- مشخصات هندسی سطح   برای آنالیز انتقال حرارت و افت فشار، حداقل مشخصات هندسی سطح انتقال حرارت مورد نیاز برای هر کدام از وجه های یک مبدل حرارتی دو سیالی ، عبارت است از : مینیمم مساحت عاری از جریان ، سطح جلویی مرکزی  Afr و مساحت سطح انتقال  Aگرماکه شامل مساحت دو قسمت اصلی و پره ها ، قطر هیدرولیکی Dh و طول جریان L است. این کمیت ها با اتخاذ سطح انتقال حرارت و هسته محاسبه می شوند. برای قسمت پوسته  مبدل حرارتی پوسته و لوله ، مساحت گذرگاهای گوناگون جریان هم مورد نیاز است.

ه- مشخصات ترموفیزیکی   برای طراحی حرارتی و هیدرولیکی ، مشخصات ترموفیزیکی زیر برای سیالات مورد نیاز است : ویسکوزیته دینامیکی μ، دانسیتهρ ، حرارت ویژه cp و ضریب هدایت حرارتی  k. برای دیوار، ضریب هدایت حرارتی مصالح بکار رفته و گرمای ویژه آن ها نیز مورد نیاز می باشد .

طراحی مبدل حرارتی پوسته و لوله معمولا براساس استانداردهای ارایه شده توسط انجمن سازندگان مبدل حرارتی آمریکا TEMA انجام می شود. براساس این استانداردها، ۳ بخش بسیار مهم برای طراحی مبدلهای پوسته ولوله وجود دارد.

۱-    هدر انتهایی جلو

۲-    پوسته

۳-    هدر انتهایی پشت

انتخاب های موجود برای هریک از این سه بخش، جدول زیر را برای انواع مبدل های حرارتی پوسته و لوله به وجود می آورد :

دیگر بخش های کوچکتر را میتوانید در لینک (دیاگرام تفصیلی مبدل حرارتی پوسته و لوله و در کنار جزییات منطبق بر استاندارد TEMA مشاهده نمایید . 

انواع مبدل های حرارتی پوسته ولوله

مدلهای مختلفی از مبدل های حرارتی را میتوان به سادگی و تنها با ترکیب انواع مختلفی از هدرهای ابتدایی و انتهایی آن بدست آورد.

علاوه براین، بسته به اینکه چطور تیوب باندل به کاورهای جلویی و عقبی متصل و فیکس میشود، ما سه نوع ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله داریم.

تیوب شیت فیکس شده

مبدل حرارتی با تیوب شیت فیکس شده تیوب های مستقیم دارد که در تیوب شیت های دو سمت،  ساپورت شده اند 

مهمترین مزیت مبدل حرارتی با تیوب شیت فیکس شده ، هزینه کمتر آن است زیرا ساختار ساده تری دارد. تیوب شیت فیکس شده ، اگر از اکسپنشن جوینت در آن استفاده نشود میتواند بعنوان ارزانترین نوع مبدل های حرارتی پوسته ولوله در نظر گرفت. اما همین امر اگر اختلاف دمای بین سیالات سمت پوسته و سمت لوله زیاد باشد، با اهمیت میشود زیرا باید از اکسپنشن جوینت استفاده کنیم. از دیگر مزایای استفاده از این نوع مبدل حرارتی، می توان به این امر اشاره کرد که در مبدل های حرارتی با تیوب شیت فیکس، تیوبها به راحتی و با بازکردن کاور چنل یا بونت ، قابل تمیز شدن هستند. علاوه بر این ، عدم وجود جوینت های فلنجی می تواند به کمتر کردن نشتی سیال سمت پوسته کمک کند. یکی از نقاط ضعف این نوع مبدل‌ها، این است که سطح بیرونی تیوبها قابل تمیزکاری مکانیکی نیست  زیرا تیوب باندل به پوسته فیکس شده است. به همین دلیل در مبدل های حرارتی با تیوب شیت فیکس، نیازبه یک سیال تمیز داریم که در سمت پوسته جریان یابد. اگر قرار باشد از سیال کثیف در سمت تیوب استفاده کنیم، این نوع مبدل حرارتی بسیار مناسب می باشد.

مبدل حرارتی از نوع U

همانطور که از نامش پیداست ، این نوع مبدل حرارتی پوسته و لوله به شکل U ( یو انگلیسی ) است. تنها یک تیوب شیت در این نوع مبدل وجود دارد. تمام تیوب ها از نیمه بالایی این تیوب شیت شروع شده و یک نیم دور U شکل را در داخل پوسته کامل کرده و به نیمه پایینی تیوب شیت برمیگردند. همانطور که در دیاگرام زیر نشان داده شده است :

مزیت مبدل های U این است که تیوبها می توانند به صورت آزاد انبساط پیدا کنند زیرا در انتها به شکل یو هستند و به راحتی در داخل پوسته معلق هستند. در نتیجه یک مبدل حرارتی U شکل، برای موقعیتهایی که اختلاف دمایی زیادی بین سیالات پوسته و لوله وجود دارد گزینه مناسب تری است. اما این شکل U  کار را برای تمیزکاری مکانیکی تیوب ها سخت میکند. برای این نوع مبدلها نیز تنها تمیزکاری شیمیایی قابل انجام است. در نتیجه در کاربردهایی که سیال سرویس بسیار کثیف است و یا رسوبگذاری زیادی در سمت تیوب وجود دارد کمتر به کار میرود. این مبدل های حرارتی بسیار از نظر اقتصادی به صرفه هستند زیرا به اکسپنش جوینت نیاز نیست و تیوب باندل آزادانه می تواند انبساط یابد.  

مبدل حرارتی با سر معلق  ( floating head ) در این نوع مبدل حرارتی پوسته و لوله، یک سر تیوب ها به صورت فیکس در داخل تیوب شیت متصل به پوسته ، نگه داشته شده و سر دیگر آن آزاد است که انتبساط یابد یا در اصطلاح “معلق” است.

به کمک این طراحی، این نوع از مبدل های پوسته و لوله می توانند از پس سیالات با اختلاف دمای زیاد سمت پوسته و سمت لوله برآیند زیرا تیوب ها آزادانه می توانند انبساط یابند. همچنین کاور سر معلق به راحتی قابل جداشدن است تا تمیزکاری مکانیکی درون تیوبها را تسهیل نماید. به همین جهت می توان برای سیالات سرویس دارای رسوب و یا سیالات کثیف در سمت پوسته نیز از این نوع مبدل حرارتی استفاده نمود. اما این نوع طراحی از نظر اقتصادی تقریبا گرانتر است .

در طراحی سیستم های هیدرولیکی تحت فشار تحلیل جریانهای ناماندگار بحث بسیار مهمی است. جریان های ناماندگار در لوله ها به شکل های گوناگونی ممکن است رخ دهد که یکی ازاشکال آن، جریان ناماندگار «میرا»  می باشد که به طور خاص «ضربه ی قوچ»  نامیده می شود.

وقتی که یک سیال درون یک مسیر بسته در حال جریان باشد و کند شدن و یا تسریع سرعت جریان به وجود اید پدیده ضربه قوچ مشاهده خواهد شد. نظیر مواقعی که در مسیر لوله شیری قرار گرفته باشد و به وسیله آن تغییری در سطح خروجی جریان ایجاد می شود. اگر این تغییرات تدریجی باشد می توان محاسبات را با توجه به اینکه مایع تراکم ناپذیر و جداره های مسیر عبور سخت هستند. به روش مشابه با موج انجام داد. وقتی یک شیر را در مسیر خط لوله و جریان به سرعت می بندیم جریان درون شیر کاسته می شود. این عمل افزایش هد در سمت ورودی شیر را به دنبال خواهد داشت و ضربه ای ناشی از فشار زیاد را ایجاد می کند که در بالا دست جریان با سرعت موج صوتی تقویت می شود.

نتیجه این ضربه فشاری کاهش سرعت جریان می باشد. در سمت دیگر شیر فشار کاهش خواهد یافت و موج فشار کاسته شده با سرعت موج به طرف پایین دست جریان حرکت می کند که این نیز کاهش سرعت را به همراه دارد. اگر سرعت بسته شدن به اندازه کافی سریع و و فشار حالت پایدار به مقدار کافی کم باشد حبابهائی از بخار در سمت پایین دست شیر شکل می گیرد و به این ترتیب خلاء حاصله در نهایت از میان خواهد رفت و موج ناشی از فشار زیاد ایجاد می شود.کندانسه که در بخش تحتانی خط بخار قرار دارد می تواند باعث بروز پدیده ضربه قوچ شود. زمانی که بخار با سرعت بسیار بالا حرکت می کند هنگام حرکت از روی لایه ی کندانسه باعث ایجاد موج بر روی آن می گردد. اگر این حالت افزایش یابد بخار پرسرعت می تواند کندانسه را به حرکت درآورده و هنگام تغییر راستا، یک ضربه خطرناک ایجاد کند.

زمانی که کندانسه پرسرعت به مانعی برخورد می کند انرژی جنبشی آن به انرژی فشاری تبدیل شده و این افزایش فشار ناگهانی می تواند باعث تخریب مکانیسم عملکردی در تله های شناور و تله های ترموستاتیک فشار متعادل گردد. برای اجتناب از این پدیده باید از تله های قدرتمند مانند تله های ترمودینامیکی یا تله های سطل وارونه استفاده نموده و یا راستای لوله کشی را عوض نمود.ضربه قوچ پدیده ای است که در اثر تغییرات ناگهانی سرعت جریان سیال در داخل خط لوله بوجود آمده و باعث تغییر ناگهانی فشار می گردد. اهمیت بررسی این پدیده زمانی آشکار می شود که قدرت تخریبی زیاد آن در خطوط انتقال مدنظر قرار گیرد. زمانیکه شرایط جریان از یک حالت دائمی به یک حالت دائمی دیگر تغییر کند، شرایط جریان بین این دو حالت را جریان حالت میرا (Transient State Flow ) می نامند که ضربه قوچ در این حالت بررسی می شود. برخی عوامل مؤثر در بروز این پدیده عبارتند از :۱- باز و بسته کردن شیرها در یک خط انتقال۲- از کار افتادن یا متوقف شدن پمپها در سیستمهای پمپاژ۳- لرزشهای پره های توربین۴- تغییرات ناگهانی در جریانهای ورودی یا خروجی به یک کانال بوسیله باز یا بسته شدن دریچه کنترل۵- اضافه یا کم شدن بار بر روی توربین نیروگاه آبیضربه آبی یا ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوی Coup DE Belier گرفته شده است و مترادف اصطلاح انگلیسی Water Hammer‌ (چکش آبی) می باشد، ضربه قوچ در اثر یک تغییر (یا قطع ناگهانی) در سرعت جریان سیال در یک مجرا (شبکه) به وجود می آید، به عبارت دیگر انرژی سینتیک (Kinetic Energy) به انرژی الاستیسیته (Elasticity Energy) تبدیل می گردد. در موقع قطع برق موتور پمپ های دورانی یا سانتریفوژ (قطع ناگهانی برق یا خاموش کردن ناگهانی پمپ)، نیروی محرکه دوران دهنده پروانه پمپ سریع قطع می گردد، به همین دلیل سرعت جریان سیال بطور ناگهانی تغییر می یابد و انرژی سینتیک از حالت فشار به مکش در خروجی پمپ تبدیل می شود. در این تغییر، امواج فشاری شدیدی در امتداد لوله خروجی پمپ پیش می رود و این امواج در اثر برخورد با مانع (منبع آب) منعکس و برگشت می کند، موج برگشتی جهت جریان سیال را در پمپ عوض کرده و دبی ماکزیممی در جهت عکس، از پمپ جریان می یابد و پمپ به صورت توربین در جهت عکس چرخش اولیه خود شروع به چرخش می نماید و برای مدت کوتاهی پمپ همانند توربین آبی عمل می نماید.هرگاه در شبکه ای با خطوط طویل، به هر علتی سرعت سیال ناگهان قطع شود، موج های فشاری در شبکه به وجود می آید، که این موج ها می توانند چندین برابر فشار کار دستگاه (پمپ)، فشار تولید نمایند و موجب به وجود آمدن تنش های بسیار زیادی در اجزاء شبکه گشته و باعث صدمات فراوانی به شبکه شوند و در بدترین حالات باعث شکستگی پوسته پمپ و لوله ها و اتصالات شبکه می شود. چنانچه این فشار تعدیل نشود پمپی که می بایست حداقل ۱۰ سال کار نماید در کمتر از ۱۰ ماه از بین می رود.همانطور که در بالا اشاره شد، بر اثر قطع ناگهانی نیروی محرکه پمپ، برای زمان کوتاهی پمپ مانند توربین آبی (WaterTurbine) عمل می نماید و کاهش ناگهانی حرکت سیال موجب می شود، فشار داخل لوله خروجی پمپ از فشار اتمسفر کمتر گردد. همچنین به علت اصطکاک درونی پمپ و موتور، کاهش قابل ملاحظه ای در خروجی پمپ ایجاد می نماید که مجموعه این عوامل باعث تبخیر آب و قطع جریان آن در خروجی پمپ می شود و حداقل فشاری در حد فشار بخار آب در لوله خروجی ایجاد می گردد.عمل تشکیل بخار باعث جدا شدن ستون آب از پمپ می گردد (پدیده جدا شدن ستون آب، همان جدا شدن مایع است که در اثر کشش بیش از حد وقتی فشار کاهش یافته و نزدیک فشار تبخیر می شود به وجود می آید.) و این کاهش فشار در لوله با سرعت و به صورت موج حرکت نموده و ادامه پیدا می کند تا به مخزنی که آب به آن پمپ می شود، می رسد. این حرکت موجی بر اثر برخورد با این مانع منعکس گشته و ستون های آب جدا شده مجدداٌ به هم متصل شده و به صورت یک موج افزایش یافته دوباره به سمت پمپ برمی‌گردد و به پمپ ضربه وارد می نماید (ضربه قوچ) و این پدیده مجدداً تکرار می شود. در خلال حرکت موج فشار در لوله، مقداری از انرژی آن در اثر اصطکاک از بین می رود. موج فشاری ناشی از افزایش فشار موج تراکم و موج فشاری ناشی از کاهش فشار موج انبساط نام دارد، امواج تراکم در برخورد با مانع نرم مانند منبع آب، هوا و … به صورت موج انبساط و در برخورد با مانع سخت مانند شیر یکطرفه، دیوار و … بصورت امواج تراکم منعکس می شود، این مسئله در مورد موج انبساط نیز صدق می کند. افت فشاری که بر اثر اصطکاک داخل لوله به وجود می آید روی نوسانات فشار تأثیر نموده و کم کم آن را مستهلک و سیستم به حالت تعادل در می آید. پتانسیل تخریبی ضربه قوچ با صدای ناشی از آن قابل تشخیص است، ولی مواردی بوده است که صدای ضربه قوچ شنیده نشده است، اما باعث منهدم شدن لوله گردیده که پس از آنالیز آن مشخص شده است که تخریب به وسیله پدیده ضربه قوچ بوده است. ضربه قوچ سریع و زود گذر است ولی ضربات بسیار مخرب دارد و تعیین شدت آن در بعضی از مواقع بی نهایت دشوار می باشد.پدیده ضربه قوچ در زمان استارت پمپ هم به وجود می آید و باعث ازدیاد فشار اضافی در پمپ و لوله می گردد. ولی مشکلات و مخاطرات ناشی از آن کمتر از ضربه قوچ هنگام خاموش شدن پمپ می باشد. در ابتدای راه اندازی پمپ، میزان جریان آب حدود صفر می باشد و با ازدیاد ناگهانی فشار بر اثر چرخش پروانه و ایجاد جریان سریع، موج فشاری برابر با فشار ضربه قوچ (در حالتی که شیر بسته باشد) ایجاد می نماید، این پدیده را با نیمه باز گذاشتن شیر خروجی پمپ می توان کنترل و فشار اضافی ایجاد شده را کاهش داد.برای کاهش فشار ناگهانی از پدیده ضربه قوچ بخصوص در زمان خاموش شدن پمپ راه های ذیل پیشنهاد می شود:ایجاد شیر یکطرفه بر روی لوله رانش (البته شیر یکطرفه از خطرات ناشی از ضربه قوچ مصون نیست و می بایست بطور متوسط هر یک ماه یکبار بازدید شود).نصب شیر اطمینان برای تنظیم فشاریکی از بهترین راه های کاهش ضربه قوج استفاده از یک محفظه هوا در مجاورت خط لوله که قسمت پائینی آن پر از آب بوده و قسمت بالائی آن هوای فشرده محبوس است می باشد، بدین ترتیب که محفظه هوا را به هر شکل دلخواه هندسی می توان ساخت و بصورت افقی، قائم یا کج نصب نمود، وقتی پمپ بطور ناگهانی خاموش می شود هوای داخل محفظه انبساط می یابد و آب انتهای آنرا به لوله رانش منتقل می کند، شیر یکطرفه لوله رانش بسته می شود و موج برگشتی به داخل محفظه هوا جریان می یابد.توجه به نکات زیر نیز ضروری است: ۱)   اگر پوسته پمپ ضمن کار داغ گردد ولی پمپ هیچ آبدهی نداشته باشد، دلیل آن است که برای این پمپ فشار رانش خیلی بالا است (البته ممکن است در اثر کور شدن لوله پمپ نیز این اتفاق بیافتد). ۲)      اگر پمپ سرد باشد ولی آبدهی نداشته باشد دلیل آن است که پمپ هوا گرفته است. ۳)      اگر پمپ مکش ندارد در حالی که عقربه های فشار سنج بشدت می پرند، دلیل اینست که هواگیری پمپ کامل نیست. ۴)   اگر پمپ مکش نداشته باشد و خلاءسنج خلاء زیادی را نشان دهد، بدلیل اینست که شیر پایاب(سوپاپ) خراب است یا برای پمپ مذکور سنگین است یا مقاومت لوله مکش زیاد می باشد و یا اینکه ارتفاع مکش زیاد است. ۵)      اگر پمپ کارکند و فشار سنج و خلاءسنج صفر نباشند ولی آبدهی وجود نداشته باشد دلیل آن مقاومت زیاد خطوط لوله است. ۶)   اگر آبدهی پمپ کمتر از ارتفاع محاسباتی باشد علت آن ممکن است به علت گرفتگی صافی یا پره های پمپ، یا مشکل آبندی، یا ارتفاع رانش خیلی زیاد و یا گردش معکوس پروانه ها باشد. ۷)   اگر پمپ مدت کوتاهی کار کند ولی بلافاصله آبدهی آن قطع شود احتمالاً بعلت نشت هوا از اتصالات لوله مکش، یا گرفتگی لوله ها و یا عدم استغراق کامل دهنه مکش باشد. ۸)   اگر یاتاقان های پمپ بیش از حد داغ نمایند (دمای آنها نباید بیش از ۶۰- ۷۰ درجه گرم شوند) علت آن عدم روغن کاری کافی پمپ یا عدم بالانس بودن محور پمپ و موتور و یا بعلت سائیدگی ناشی از کار زیاد می تواندباشد. ۹)   اگر شدت صدای موتور پمپ بیش از حد معمول باشد علت آن سفتی بیش از حد کاسه نمد ها یا فاصله زیاد پروانه ها بعلت سائیدگی زیاد می باشد.جابجایی آب در لوله دارای انرژی جنبشی است که به جرم آب در حجم خالص و توان دوم بستگی دارد.به همین دلیل در اکثر چارت های سایز بندی لوله ها پیشنهاد میشود که سرعت آب در لوله ها زیر( ۵ft/s (1.5 m/s  اگر لوله در خروجی به صورت ناگهانی بسته شود (جریان پایین دست) جرم آب قبل از رسیدن به آن نقطه با همان سرعت قبلی خود حرکت میکند که باعث ایجاد یک فشار بسیار زیاد می شود به نام شک ضربه ای.در لوله کشی خانگی حتما آن را تجربه نموده ایدکه شبیه به صدای چکش میباشد.ضربه قوچ باعث شکستگی لوله ها یا باعث ترکیدگی آن در فشارهای زیاد میشود.تله بادی (که در بالای لوله وجود) معمولا به عنوان دمپر اضافه میشود تا نیروی ناشی از حرکت آب برای جلوگیری از آسیب رساندن به سیستم باشد.در برخی از نیروگاه ها برق آبی وسیله ای به نام برج آبی به همین منظور نصب میگردد.به زبان دیگر وقتی والو آب به صورت ناگهانی بسته میشود جریان پایین دست تلاش میکند که به حرکت خود ادامه دهد که باعث ایجاد یک مکش میشود که باعث فروریختن یا از داخل منفجر شدن لوله میشود.این مشکل مخصوصا در سراشیبی لوله ها بیشتر میشود.برای جلوگیری از آن یک شیر خلاص یا یک بسته هوای در جریان پایین دست اضافه میشود که باعث میشود هوا وارد خط لوله شده و از چنین مکش هایی جلوگیری میکند.در خانه ها ضربه قوچ معمولا هنگامی اتفاق می افتد که ماشین ظرف شویی یا لباس شوئی یا توالت ها به صورت ناگهانی آب را قطع میکند که باعث ایجاد یک صدای بلند میشود.یک وسیله گازی روغنی شبیه به جمع کننده ضربه که به نام از بین برنده ضربه قوچ ان را میشناسند میتواند بین لوله و دستگاه متصل شود که میتواند ضربه را دفع و از صدای بلند آن جلوگیری کند.سیستم گرمائی بخاری خانه ها نیز میتواند از ضربه قوچ آسیب پذیر باشند.در سیستم بخار آبی ضربه قوچ معمولا هنگامی اتفاق ما افتد که مقداری از بخار آب در ناحیه افقی لوله میعان شود.متعاقبا بخار با فشار بر آب جمع شده و رساندن آن به یک سرعت بالا میتواند یک ضربه قوچ شدید با صدای مهیب ایجاد کند.این شرایط معمولا هنگامی رخ میدهد که آبریزگاه مناسب برای خروج آب در لوله بخار آب وجود نداشته باشد.نیروگاه های برق آبی باید با دقت فراوان طراحی شوند چون ضربه قوچ ممکن است موجب انفجار آنها شود. یکی از اولین افراد موفق در رسیدگی به ضربه قوچ مهندس ایتالیایی به نام لرنزو آلیویه بود.(Lorenzo Allievi)پدیده ضربه آبی یکی از معضلات سیستم های انتقال بخار است که در صورت بروز با سروصدا و آسیب های جدی به لوله ها و اجزاء سیستم، مانند تله های بخار، تخلیه کننده ها (Vents) همراه خواهد بود. در این سیستم ها دو نوع ضربه داریم:۱- در اثر تجمع قطرات تقطیر شده در قسمت افقی لوله های بخار و عبور بخار با سرعت بالا در مجاورت این قطرات ضربه اتفاق می افتد. در اثر برخورد بخار سریع (تا ۵۰ m/s ) با قطرات مایع لرزش ایجاد شده و در صورت حجیم بودن توده آب تشکیل شده حرکت این توده با سرعت نزدیک سرعت بخار و برخورد آن به اولین زانوئی مسیر، نیروی فوق العاده ای بر زانوئی اعمال شده که ممکن است منجر به شکست لوله گردد.۲- ضربه آبی نوع دوم همان کاویتاسیون است که در اثر شکل گرفتن حباب های بخار در لوله ای که از آن آب عبور می کند رخ می دهد چنانچه در اثر تبادل حرارت بخارها تقطیر شوند حبابهای بخار ترکیده و پدیده کاویتاسیون رخ میدهد دراینصورت امکان آسیب دیدگی تله های بخارواجزاء دیگر سیستم وجود دارد.موارد مهم در نصب لوله های بخار جهت جلوگیری از این پدیده بقرار زیر می باشند:

۱- لوله های بخار بصورت شیبدار از دیگ بخار تا محل تخلیه قطرات (Drip Trap) نصب شوند. ۲- جایگاه تخلیه قطرات بایستی جلوتر از شیر تنظیم بخار پیش بینی شود تا از تجمع قطرات در موقع بسته بودن شیر جلوگیری شود. ۳- صافی های Y شکل نصب شده در خطوط بخار بایستی دارای پرده صافی نصب شده افقی باشند تا مانع جمع شدن قطرات و حرکت توده ائی آنها در موقع شروع جریان بخار شود. ۴- کلیه تجهیزاتی که دارای تنظیم کننده بخار هستند بایستی دارای تخلیه ثقلی قطرات از تله بخار باشند و از برگشت به مسیر با افزایش ارتفاع (Lifts) بایستی جلوگیری شود.یک تله ترمو استاتیک بهترین انتخاب برای یک مبدل حرارتی است در این صورت هوای جمع شده سریعا” تخلیه میگردد. در صورت عدم تخلیه قطرات امکان بروز پدیده ضربه و عملکرد ضعیف مبدل وجود دارد.هر افزایش ارتفاعی (Lifts) در خطوط برگشتی کندانس بعد از تخلیه تله بخار نیاز به یک فشار مثبت در پوسته مبدل حرارتی جهت تخلیه قطرات کندانس دارد، واضح است تا تأمین فشار کافی، احتمال افزایش دمای سمت بخار وجود خواهد داشت و در اینصورت دمای آب خروجی از مبدل نیز تغییر خواهد کرد.در اغلب مبدلهای حرارتی خلاء شکن نصب می شود بنحویکه چنانچه در داخل پوسته خلاء ایجاد شد شیر خلاء شکن باز شده و هوا به داخل مبدل جریان یابد در غیر اینصورت خلاء ایجاد شده در مبدل موجب جمع شدن مایع و بروز پدیده ضربه می گردد

لوله‌های مبدل حرارتی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که گرما را از یک محیط به محیط دیگر به صورت پایدار منتقل کنند. آن‌ها تا جایی که ممکن است انرژی را منتقل می‌کنند و اطمینان حاصل می‌کنند که حداقل گرما از دست رفته‌است. هر تیوب مبدل حرارتی پوسته و لوله هرزمان ممکن است دچار شکست یا خرابی شود و این بدین معناست که باید آن را جایگزین کنید. ​

مفهوم بستن لوله های مبدل ( plugging ) چیست ؟

​یک لوله مبدل حرارتی را جهت جلوگیری از خرابی بیشتر آن می بندیم. ( در اصطلاح plug میکنیم ) پلاگ های مورد استفاده به منظور افزایش طول عمر مبدل‌ها طراحی شده‌اند تا اطمینان حاصل شود که آن‌ها به طور موثر عمل می‌کنند. ​

برای تیوبهای فیندار اینتگرالی که شروع به نشان دادن علائم زوال و یا نشت کرده‌اند، پلاگ ها انتهای لوله‌ها را مهر و موم می‌کند تا از بدتر شدن این نشتی‌ها جلوگیری کند. سطح صاف و صیقلی پلاگ ها اطمینان حاصل می‌کند که آن‌ها به دقت آب‌بندی شده‌اند و محکم در جای خود نگه‌داشته می‌شوند. ​

لوله‌ها در نتیجه ایجاد حفره، فرسایش ناشی از بخار، خوردگی و خستگی آسیب می‌بینند اما فرآیند اتصال به شما این امکان را می‌دهد که بازده مبدل‌های حرارتی خود را تا حد امکان دوباره بدست آورید! ​

عوامل مورد توجه در هنگام پلاگ کردن لوله‌ها:

​​​​​​​​به عنوان طراح و سازنده مبدل حرارتی ، گروه صنعتی نسیم مبدل می‌تواند به شما کمک کند طول عمر هر لوله فیندار را افزایش دهید، که در اصل به شما فرصت کافی برای به حداکثر رساندن بازدهی سرمایه‌گذاری تان را می‌دهد. ​

قبل از اینکه لوله‌های مبدل حرارتی خود را مسدودسازی ( پلاگ ) کنید، نیاز دارید که طراحی و هندسه لوله‌ها را در نظر بگیرید.

و مطمئن شوید که لوله‌ها را با دقت پلاگ می‌کنید. برخی لوله‌ها اووردیزاین شده اند یعنی مقداری بیشتر از حد لازم طراحی شده اند و این درصد باید قبل از این که پلاگینگ را انجام دهید ، مشخص شود. ​

کدام لوله‌ها را باید تعمیر کنیم؟ آیا این مبدل های حرارتی دست دوم هستند ؟ آیا از نوع مبدل های یوتیوب هستند ؟ آیا دارای لوله ی با فین طولی هستند ؟ به طور کلی ۱۰ % از لوله‌ها می‌توانند بدون از دست دادن بازده پلاگ شوند. ​

عامل دیگری که نیاز به بررسی دارد، فاکتور تمیزی لوله های مبدل حرارتی است. دقت کنید که تیوب تمیز باشد و رسوب گرفتگی آن را حذف کنید تا بازده مبدل‌های حرارتی خود را به حداکثر برسانید. این کار همچنین به شما این امکان را می‌دهد که به راحتی پلاگ را داخل لوله قرار دهید. ​

به یاد داشته باشید که پلاگ کردن مبدل تنها یک راه حل موقت است. اگر نیاز به تعمیر لوله‌ها دارید، پلاگ کردن مبدل‌های حرارتی ایده‌آل است اما یک راه‌حل دائمی نیست. در حالی که علت خرابی لوله ارزیابی و مشخص شده‌است، پلاگ کردن به شما این امکان را می‌دهد که ادامه عملیات خود را حفظ کنید، اما مهم‌تر از همه، زمان کافی برای حذف واحد نشتی زا را به شما خواهد داد. ​

این متد چطور کار میکند؟

​​​​​​​​اندازه‌گیری متریال ها

​​​​​​​​قبل از اینکه بتوانید لوله‌های مبدل حرارتی را پلاگ کنید، باید لوله را اندازه‌گیری کنید. اندازه‌گیری دقیق لوله به شما این امکان را می‌دهد که پلاگ با اندازه مناسب را از تامین کنندگان لوله سفارش دهید و مطمئن شوید که پول خود را برای محصولات نامناسب هدر ندهید. ​

با انتخاب لوله‌های با اندازه مناسب و پلاگ های فورج شده از تامین کنندگان لوله، فرآیند نصب ساده خواهد شد و به شما اجازه می‌دهد که لوله‌های معیوب خود را به طور موثر جایگزین کنید. ​

مبدل‌های حرارتی تمیز

​​​​​​​​لوله‌های مبدل حرارتی خود را در انتهای هر قسمت ازفرایند تمیز نگه دارید. قبل از اتصال، باید هر گونه روغن و گریس را که می‌تواند به طور بالقوه آب بندی را به خطر بیاندازد، پاک کنید. ​

لوله‌های puncture

​​​​​​​​لوله‌های مبدل حرارتی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که گرما را از یک محیط به محیط دیگر منتقل کنند که پایدار باشد. آن‌ها تا جایی که ممکن است انرژی منتقل می‌کنند و حداقل گرما از دست رفته‌است. مشخص کنید که آیا لوله قبل از نصب به سوراخ کردن نیاز دارد یا خیر. puncture کردن لوله‌ها به شما این امکان را می‌دهد که مایعات را به طور موثر تخلیه کرده و هر گونه افزایش فشار را حذف کنید. ​

قراردادن پلاگ

​دقت کنید که پلاگ ها قبل از اینکه آنها را قرار دهید تمیز باشند. هدف از این دو شاخه ایجاد یک آب‌بندی بدون آسیب زدن به بافت های داخل لوله است. نصب صحیح از خرابی زودرس پلاگ جلوگیری خواهد کرد. ​

​پلاگ کردن تیوب های فیندار لوله فیندار به عنوان یکی از دشوارترین لوله‌ها برای تشخیص و تعمیر به دلیل دسترسی محدود به حساب می آید. زمانی که یک لوله شناسایی می‌شود، با یک پلاگ مخروطی مسدود می‌شود که یک آب‌بند را تشکیل می‌دهد تا از نشت هر مایع جلوگیری کند، و یک راه‌حل سریع و ایمن ارائه می‌دهد. ​

پلاگ تیوب های فیندار تمایل دارند که به محل جوش داده شوند و یک تعمیر موقت را ارایه می‌دهند که به راحتی می‌تواند برداشته شود. ​

مزایای زیادی در ارتباط با این روش پلاگ وجود دارد. که شامل موارد زیر است:

·         راحتی نصب بدون نیاز به تخصص

·         عدم وجود آسیب

·         تحت فشار ، بسیار خوب عمل خواهد کرد

·         قابل‌اعتماد و بدون نشت

·         تضمین کیفیت. ​

آیا نیاز دارید در مورد چگونگی پلاگ کردن لوله مبدل حرارتی بیشتر بدانید؟ با کارشناسان ما در نسیم مبدل تماس حاصل فرمایید ​

​​​​​​​​