وبلاگ

انتخاب کد

 انتخاب کد مناسب از بین بخشهای مختلف B31 ASME اولین قدم طراحی و اجرا است. عوامل انتخاب صحیح عبارت از محدوده کاری ، مالحظات توجیهی و تناسب کدها و استانداردهای دیگر با کد انتخاب شده است . هر یک از بخشهای B31، مقرراتی کامل و جامع برای کل کارهای لوله کشی هستند. اما گاهی برای بعضی از کارهای Piping یا برای برخی از نصب ها که قسمت های مختلف دارند، ممکن است به بیش از یک کد نیاز باشد . الزم است که به روشنی نقطه تغییر از یک کد به دیگری مشخص شود . برای اطمینان از ایمنی سیستم Piping ، ممکن است الزم گرددکه مالحظات تکمیلی به مالحظات کد افزوده شود .

شرح مختصر هر یک از بخشهای مختلف B31

B31 ASME  برای لوله کشی های تحت فشار چندین کد مختلف انتشار داده است. مقررات هر بخش براساس سیستم لوله کشی که باید نصب گردد توسط زیر کمیته های تخصصی تدوین شده است. در بند “محدوده” Scope هربخش که در ابتدای انتشارات برای سیستم های لوله کشی مختلف تدوین شده اند موضوعاتی که کدها پوشش می دهند آمده است

 . Power Pining : B31.1

لوله کشی نیروگاه های برق ، نیروگاه هایی که از حرارت درون زمین استفاده می کنند و مراکز توزیع حرارت زیر پوشش این بخش است . 1.B31 برای موارد ذیل کاربرد دارد: § لوله کشی های بخار، § لوله کشی های فلزی و غیر فلزی § بدون محدودیت فشار ) میزان فشار اثری ندارد ( § برای درجات حرارت باالتر از C° 29 ( -F°20) – کد 1.B31 برای لوله کشی هایی که بصورت مستقیم به شیرهای جداساز بویلرهایی که با 1. Sec ASME ساخته شده اند اجباری است . اگر بویلرها بصورت چند مرحله ای نصب شوند دراین صورت وقتی اجباری خواهد شدکه به دومین شیر جداساز Valve Isolation وصل گردد.

Process Piping :B31.3

نمی توان سایت پالایشگاهی، شیمیایی، پتروشیمی،ایستگاه های تقویت فشار، کارخانه های کاغذ سازی، صنایع پارچه ، صنایع سرمایی و صنایع مشابه را بدون سیستم لوله کشی تصور کرد. 3.B31 در این موارد کاربرد دارد . § سیستم های لوله کشی برای تمام سیالها § لوله کشی های فلزی و غیرفلزی § برای هر فشار کاری )بدون محدودیت فشار( § برای تمام درجات حرارت )بدون محدودیت دما( کارفرما مسئولیت دارد که طبقه بندی سیال اصلی را مشخص کند. مثل طبقه بندی M که سیالهای سمی ، خلوص بالا، فشار بالا و دمای بالا را شامل می شود یا طبقه بندی D که شامل سیالهای غیر سمی، غیر آتشگیر، فشار پایین و دماهای پایین می شود. مشخص کردن سیستم کیفیت نیز از مسئولیتهای کارفرما است

. Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons & slurry : B31.4

خطوط لوله انتقال محصوالت مایع بین چاه ها، سایتها، ترمینالها و درون ترمینالها ، ایستگاه های پمپاژ، ایستگاه های تنظیم فشار و اندازه گیری تحت پوشش این بخش است . 4.B31 در این موارد کاربرد دارد: § انتقال مایعاتی نظیر نفت خام، میعانات گازی، گازوییل طبیعی، گاز طبیعی مایع، گازهای نفتی مایع، دی اکسید کربن، الکل مایع، آمونیاک مایع و محصولات نفتی مایع. § سیستم Piping در ترمینالهای خط لوله ) دریایی، ریلی و با کامیون( ، سایت مخازن، ایستگاه های تقویت یا کاهش فشار، ایستگاه های اندازه گیری، تله های جداساز ، صافی ها و Loops Prover § بدون محدودیت فشار -29°C to 121°C (-20°F to 250°F) محدوده بین دمای § 4.B31 شامل طراحی،ساخت، بهره برداری و نگهداری این گونه از سیستمهای لوله کشی است . این کد مقرراتی در مورد لوله کشی های جنبی مثل آب، بخار ، هوا و لوله کشی های سوخت و روغن کاری ندارد

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.

بافل ها نقش مهمی در بهبود انتقال حرارت بین دو سیال در مبدل های حرارتی ایفا میکنند و انواع مختلفی از آنها در این صنعت مورد استفاده قرار گرفته‌اند.یکی از مهمترین اهداف طرح های نوآورانه ی بافل این بوده كه با وجود افزایش انتقال حرارت در مبدل، میزان اختلاف فشار جریـان در سمـت پوسـته در حـد متناسب و منطقی باقی بمــاند. یکی از رایج ترین انواع این نوع بافل‌ها یعنـی بافل های معمولی، طوری طراحی شده اند که سیال درون پوسته در یك مسیر زیگزاگ حرکت نموده و با مسیری پرپیچ و خم از روی لوله‌ها عبور میکند. این ویژگی موجب میشود كه بعلت افزایش آشفتگی و یا به عبارتی اختلاط محلی جریان در سمت پوسته، انتقال حرارت بهبود یابد. با توجه به تلرانس های مکانیکی ساخت، مبدل های حرارتی با بافل های معمولی ، مقدار قابل ملاحظه‌ای جریان های نشتی و جریانهای میانبر دارند که این نشتی در بین بافل و پوسته و یا لوله‌ها پراکنده شده است. این جریانهای نشتی و میانبر از عوامل اصلی کاهش  دبی موثر جریان در اطراف تیوب باندل است و در نتیجه ضریب انتقال حرارت سمت پوسته نیز بالطبع كاهش می یابد. اگر چه عبور جریان با دبی زیاد از روی تیوب باندل از منظر بهبود انتقال حرارت مطلوب است اما این موضوع می‌تواند باعث ارتعاش شدید لوله‌ها در اثر عبور جریان شود در نتیجه به سهم خود موجب كاهش عمر كاركرد مبدل حرارتی شده و در نهایت منجر به از كار افتادن آن خواهد شد.

موارد کاربرد بافل های مارپیج بجای بافل های معمولی

طبق تحقیقات آزمایشگاهی صورت پذیرفته توسط محققان، استفاده از بافل های مارپیچ تاثیر بسزائی در بهبود و افزایش راندمان حرارتی و کاهش رسوبگذاری مبدل حرارتی با شرایط فرآیندی یكسان دارد. بافل های معمولی خود ازعوامل مهم ایجاد رسوب در سمت پوسته در داخل مبدل های حرارتی هستند زیرا خود باعث ایجاد جریانهای ورتکس و همچنین پایین آمدن سرعت سیال در سمت پوسته این نوع از مبدل های حرارتی می‌شوند. برای رفع این مشکل، روشهایی وجود دارد که یکی از این روشها، استفاده از بافل های مارپیچی به جای بافل های معمولی است که با تغییر جریان سمت پوسته، میزان رسوب را در حد قابل توجهی کاهش می‌دهد.   بررسی‌ها نشان‌‌ می‌دهد که در مبدلهایی که دارای بافل های مارپیچ برای تمامی زوایای مارپیچ و افت فشار یكسان هستند، ضریب انتقال حرارت بیشتر از مبدل با بافل های معمولی خواهد بود. نکته قابل توجه در اینجاست که ضریب انتقال حرارت ماکزیمم در حالتی اتفاق می افتد كه زاویه مارپیچ بافل‌ها برابر 40 درجه باشد.   شکل(2): نحوه آرایش و چگونگی ایجاد جریانهای گردابی در بافل های معمولی برای اجتناب از ایجاد شدن این نوع جریان های گردابی و یكنواخت ساختن پروفیل سرعت سیال سمت پوسته، بافل های مارپیچ در ساخت مبدل های حرارتی به کار می روند. این نوع بافل‌ها به دلیل نوع و شکل ویژه ای که دارند، باعث ایجاد سرعت یکنواخت در سمت پوسته شده و همچنین باعث می شوند که رسوب درسمت پوسته کاهش یابد. این نوع بافل‌ها باعث‌‌ افزایش مدت عملکرد مبدل های حرارتی بدون نیاز به تمیز کردن، بین دو تا سه برابر مبدل های حرارتی با بافل های معمولی می شود.  

شکل :(3) نحوه آرایش و شکل جریان در بافلهای مارپیچ

طراحی مکانیکال بافل مبدل های حرارتی Helical (مارپیچ )

این نوع بافلها به شكل قطاعی از یك بیضی طراحی شده اند تا در كنار هم، سطحی را شبیه به یك مارپیچ بوجود آورند. این نوع بافل‌ها همان بافل های مارپیچ (Helixchanger) نامیده می‌شوند و هر كدام از بافل‌ها  1/4 بصورت زاویه دار نسبت به محور مبدل حرارتی قرار داده می‌شوند و این قابلیت ویژه را دارند كه بوسیله آنها می‌توان به شرایط مطلوب جریان در سمت پوسته یعنی جریان كاملا غیرمختلط دست یافت. 

مزایای بافل های مارپیچ

بافل های مارپیچ جایگزین بسیار مناسبی برای بافل های معمولی می‌باشند زیرا بسیاری از مشكلاتی را كه در بالا برای بافل های معمولی ذكر شد، كاهش داده یا بطور كلی از بین می‌برند. بعضی از مزیت هایی كه بافل های مارپیچ در اختیار می‌گذارند عبارتند از: 1-  بهبود انتقال حرارت سمت پوسته  2-  كاهش افت فشار سمت پوسته به ازای یك دبی جریان مشخص  3-  كاهش اثرات ناشی از جریانهای میانبر  4-  كاهش رسوب گذاری در سمت پوسته و جلوگیری از ارتعاشات القا شده توسط جریان 

کاربرد مبدل های حرارتی مارپیچی

استفاده از مبدل حرارتی با بافلهای مارپیچ با نام تجاری (Helixchanger) در مواردی كه ضریب انتقال حرارت سمت پوسته كنترل كننده باشد و یا در مواردی كه كاهش افت فشار سمت پوسته مطلوب باشد، بسیار سودمند خواهد بود. همچنین در مواردی كه سیال سمت پوسته خاصیت رسوب گذاری قابل توجهی داشته باشد و یا ارتعاشات دسته لوله‌ها بر اثر جریان راه حل بسیار مفیدی پوسته مطرح باشد استفاده از خواهد بود. کاربردهای رایج این تكنولوژی عبارتند از:  1- صنایع پتروشیمیایی و پالایشگاهی  – نفت خام / واحدهای تقطیر خلائی  – واحدهای كراكینگ Hydro-tresting ,ThermalConversion – تولید هیدروژن / واحدهای خالص سازی  – واحدهای تولید اتیلن  2- صنایع فرآیندهای شیمیایی  – فرآیندهای حساس به درجه حرارت  – ارزیابی حرارتی Feed/Effuent 3- صنایع نیروگاهی  – نیروگاه های سیكل تركیبی  – سیستم های حرارت منطقه ای  4- صنایع چوب و كاغذ  5- واحدهای بازیاب حرارتی وكولینگ  

در اینجا ۱۰ مورد از رایج‌ترین اشتباهات که می‌تواند در نتیجه سیستم‌های مبدل‌های حرارتی ضعیف یا بد نصب شده‌ به وجود بیاید، و از همه مهم‌تر اینکه شما چطور می‌توانید از آن‌ها در پروژه بعدی خود دوری کنید.

۱. رسوب گذاری بیش از حد

عواقب ناشی از رسوب بیش از حد در یک مبدل حرارتی می‌تواند اشکالاتی کوچک نظیر ‏نیاز بیشتر به تمیزکاری منظم‏ تا مشکلات فاجعه بار نظیر ‏شکست متریالی مبدل‌های حرارتی صنعتی ناشی از گرفتگی شیمیایی و خوردگی مواد را بوجود آورد. گرفتگی بیش از حد در طول عملیات می‌تواند کارایی عملیاتی را کاهش داده و مصرف انرژی را افزایش دهد. ​

دلایل زیادی در این مورد وجود دارد. محصولات غذایی حاوی سطوح بالای پروتئین می‌توانند باعث رسوبگذاری مبدل‌های حرارتی شوند، محصولات حاوی نشاسته یا آنزیم‌های خاص نیز میتوانند اینگونه باشند. در موقعیت مدیریت پسماند، گرفتگی ناشی از limescale، struvite و vivanite می‌تواند به طور ویژه مشکل‌ساز باشد. ​

بهترین راه‌حل برای جلوگیری از رسوب بیش از حد در وهله اول با انتخاب نوع مناسب مبدل حرارتی برای کاربرد موردنظر است. سطوح خراش دار و یا لوله‌های موجدار با افزایش آشفتگی در لوله، رسوبگذاری را به شدت کاهش می دهد. حفظ دامنه دمای صحیح نیز به کاهش مشکل کمک خواهد کرد و در مواردی که مشکلاتی پیش‌بینی می‌شود، اصلاحات شیمیایی بیشتر نظیر اضافه کردن دوز اسید، ممکن است مورد نیاز باشد. ​

۲. انتخاب متریال اشتباه

به یاد داشته باشید که ارزان‌تر، لزوما بهترین نیست. مشکلات ناشی از مشخص کردن نوع متریال اشتباه برای مبدل حرارتی شما از نیاز به تمیزکاری بیشتر تا شکست فاجعه‌بار واحد ادامه دار است. ​

به عنوان مثال، اگر چه فولاد کربنی ارزان‌تر از فولاد ضد زنگ است و کار کردن با آن راحت تر است و این موضوع آن را گزینه محبوب برای کسانی کرده است که بودجه محدودی دارند، اما در مقابل واکنش شیمیایی و خوردگی ضعیف است. دیواره‌های لوله ضخیم تر در مقایسه با فولاد ضد زنگ مورد نیاز هستند که وزن واحدهای مبدل حرارتی قابل‌مقایسه را افزایش می‌دهد و ممکن است به هزینه‌های مربوطه مانند پایه بتنی و براکت هایی که مبدل روی آن سوار میشود، اضافه گردد. علاوه بر این، فولاد کربنی ترد است و در حالی که ممکن است رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به مواد دیگر داشته باشد، این امر می‌تواند به سرعت با تشکیل لایه‌های خوردگی یا رسوب گرفتگی، باعث کاهش عمر سرویس گردد. ​

در صورت امکان، ماده‌ای را انتخاب بکنید که هم بهداشتی و هم دارای پوشش سخت است، اما همزمان ویژگی‌های گرمایی خوبی را در طراحی مبدل حرارتی که در نظر دارید، مانند فولاد ضد زنگ، فراهم می‌کند. ​

۳. افت فشار نادرست

مشکل فشار معمولا زمانی رخ می‌دهد که افت فشار در مبدل حرارتی بیشتر از پارامترهای طراحی باشد. در بدترین حالت ممکن است منجر به نشت، آلودگی یا شکست مبدل‌های حرارتی شود. ​

یکی از دلایل افزایش افت فشار ممکن است تغییر در مشخصات مواد خام باشد. ​

برای مقابله با این مشکل، شما باید همیشه درباره جزئیات کامل هر محصول جدید از تامین کنندگان درخواست کنید و در صورت لزوم، از تامین‌کننده مبدل حرارتی خود بخواهید تا قبل از استفاده آن‌ها را آزمایش کند. این امر تضمین می‌کند که هر یک از مبدل‌های حرارتی جدید به درستی سایز شده‌اند و همچنین به جلوگیری از مشکل در هنگام تعویض محصولات یا مواد اولیه کمک خواهند کرد. ​

۴. موضعیت مکانی ضعیف

ما با مبدل‌های حرارتی قرارگرفته در گوشه‌ها، مسدود شده توسط سیستم لوله کشی یا سایر تجهیزات، یا تغذیه شده توسط سیستم لوله کشی بسیار طولانی یا پیچیده مواجه شده‌ایم. در حالی که هیچ یک از این مسایل لزوما عملکرد یا عمر کاری مبدل حرارتی را تحت‌تاثیر قرار نمی‌دهد، اگر برای تمیز کردن و یا سرویس ، دارای دسترسی مناسب نباشد، این وظایف عادی ممکن است نادیده گرفته شود و یا فراتر از فواصل زمانی توصیه‌شده اتفاق بیفتد، که این موضوع می‌تواند منجر به بروز مشکلاتی شود. ​

اگر دارای فضای محدود هستید، اطمینان حاصل کنید که یک مبدل حرارتی مناسب برای یک فضای کوچک را انتخاب می‌کنید. به عنوان مثال، طراحی‌های لوله فین دار کارآمدتر بوده و به فضای کمتری نسبت به یک دستگاه با لوله صاف با ظرفیت یک‌سان نیاز دارند. این امر بدین معناست که آن‌ها اغلب می‌توانند در فضاهای کوچکتری قرارداده شوند، در حالی که هنوز امکان دسترسی کامل به تمیز کردن و تعمیر و نگهداری وجود دارد. ​

۵. ظرفیت ناکافی

در حالی که ممکن است وسوسه‌انگیز باشد که در دستگاه کوچکتری برای صرفه‌جویی در پول سرمایه‌گذاری کنید، این می‌تواند یک تصمیم اقتصادی نادرست باشد. انتخاب یک مبدل حرارتی که به اندازه کافی بزرگ نیست که بتواند با حداکثر حجم یا ظرفیت فرایند مقابله کند می‌تواند منجر به طولانی شدن زمان کاری یا در بدترین حالت منجر به ورشکستگی کسب‌وکار شود. ​

یک گزینه ممکن است انتخاب یک راه‌حل مدولار باشد، به طوری که اگر ظرفیت اضافی مورد نیاز باشد، واحدهای اضافی می‌توانند اضافه شوند. اگر چه اتخصیص فضای اضافی و زیرساخت ممکن است منجر به برخی هزینه ها باشد، این احتمال وجود دارد که این هزینه کم‌تر از یک واحد بزرگ‌تر باشد و در بلندمدت زمانی که توسعه مورد نیاز است صرفه‌جویی خواهد شد. ​

۶. آسیب به محصول

جابجایی محصول به راحتی می‌تواند پارامترهای مهم کیفیت مانند طعم، ظاهر یا ویسکوزیته را تحت‌تاثیر قرار دهد. چنین مسائلی می‌تواند ناشی از عملیات فیزیکی یا حرارتی یا هر دو باشد. از تمامی این اثرات، و موارد دیگر، می‌توان با استفاده از مبدل حرارتی مناسب در همان ابتدا جلوگیری کرد.

۷. فقدان سیستم‌های پشتیبان یا ایمنی اگر پمپ در جای دیگری در سیستم از کار بیفتد، مواد ممکن است بیش از حد طولانی در مبدل‌های حرارتی باقی بمانند و بیش از حد گرم یا بیش از حد سرد شوند. ​

این کار نه تنها می‌تواند منجر به خسارت محصول شود بلکه می‌تواند تاثیرات دیگری بر روی تجهیزات داشته باشد. ​

بنابراین، یک مبدل حرارتی به خوبی طراحی‌شده باید شامل پیش بینی fail – safes برای جلوگیری از وقوع خرابی سیستم در جای دیگر خط تولید برای مثال، کویل‌های گرمایش و یا یک سیس همچنین مهم است که اطمینان حاصل کنید که تجهیزات مبدل‌های حرارتی در همه ی سیستم های پایش و هشدار گنجانده شده‌است.

۸. تمیز کردن یا تعمیر ناکافی

مبدل‌های حرارتی که برای استفاده آسان طراحی شده‌اند به احتمال زیاد دفعات تجویز شده تعمیر و نگهداری را دریافت می‌کنند. قادربودن به حذف و بازرسی تک تک اجزا و یا لوله‌ها به طور جداگانه و به آسانی، یک نقطه شروع کلیدی است. میانبرها نگهداری در تعمیرات نه تنها بر عملکرد مبدل حرارتی تاثیر می‌گذارد بلکه می‌تواند بر ایمنی محصولات غذایی و دارویی نیز تاثیر بگذارد. برای مثال، با اجازه دادن به آلودگی از طریق نشت رخ می دهد. در بدترین حالت، تعمیر و نگهداری ناکافی ممکن است منجر به شکست ترک‌های نقطه‌ای یا خوردگی شود که منجر به مشکلات عمده‌ای می‌شود که میتوانستیم از آن جلوگیری کنیم. ​

بنابراین هر طرح مبدل حرارتی خوب باید تا جای ممکن سریع و بدون دردسر کنترل و پاک‌سازی روتین شود. ​

۹- بهره‌وری ضعیف انرژی

هنگامی که سیستم مبدل حرارتی خود را طراحی کنید، احتمال انتقال گرما یا انتقال حرارت محصول به محصول نباید نادیده گرفته شود چون در بیشتر موارد، بعد از عبور از مبدل حرارتی، مقداری “گرما” (‏یا اثر خنک‌کننده)‏بر روی سیال سرویس باقی می‌ماند. ​

با استفاده از طرحی که از این گرما استفاده مجدد(‏یا ” بازیابی” می‌کند)‏، کل انرژی و هزینه‌های جاری را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، یک سیستم پاستوریزه کردن و سیستم خنک‌کننده می‌تواند از حرارت خارج‌شده از محصول در طول فاز خنک سازی استفاده کند تا ورودی حرارت مورد استفاده برای پاستوریزه کردن را تکمیل کند. در جایی که دو محصول با ویسکوزیته پایین به گرما و سرمایش نیاز دارند، ممکن است حتی امکان استفاده از یک مبدل حرارتی محصول به محصول، حذف هزینه‌های اضافی و پیچیدگی‌های مرتبط با یک سیستم سیال سرویس وجود داشته باشد. ​

10- پارامترهای طراحی نادرست

اگر اطلاعات ارایه‌شده به طراحان مبدل حرارتی نادرست و یا ناقص باشد، آنگاه تجهیز نصب شده به طور بهینه برای محصول و سیال کار نخواهد کرد. در حالی که ارسال اطلاعات گمراه‌کننده به طور عمدی بسیار نادر است (‏عدم اشاره به غیر مولد)‏، به نظر می‌رسد که اطلاعات کم‌اهمیت را می توان گاهی نادیده گرفت. ​

ممکن است به نظر برسد که طراحان و مهندسان نیاز به اطلاعات غیرضروری دارند، اما این تنها به این دلیل است که آن‌ها تجربه دارند بدانند که چه متغیرهایی بر عملکرد و طول عمر چنین دارایی مهمی تاثیر می‌گذارند، بنابراین به آن‌ها اعتماد کنید و تا آنجا که می‌توانید اطلاعات بیشتری ارائه کنید. ​

هر شک و تردید باید بلافاصله برطرف شود. به جای حدس زدن، بهتر است پارامترهای مورد نیاز را اندازه‌گیری کنیم، حتی اگر این امر شامل ارسال محصول برای تحلیل شخص ثالث باشد. شکست در کسب اطلاعات صحیح منجر به انتخاب یک مبدل حرارتی می‌شود که، در بهترین حالت، ناکارآمد است و در بدترین حالت، غیرعملیاتی است. ​

غذا و نوشیدنی به چند دلیل تحت حرارت قرار میگیرند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها غیر فعال کردن تولید مثل میکروبها و در نتیجه پایدار کردن و طولانی‌تر کردن عمر قفسه‌ای می‌باشد. انتقال گرما باید سریع و موثر باشد تا هر گونه آسیبی به کیفیت غذایی و حسی غذا و نیز صرفه‌جویی در زمان و کاهش هزینه‌ها و همه دستاوردهای مهم برای صنعت مواد غذایی شود. ​

انتقال گرما باید سریع و موثر باشد تا هر گونه آسیبی به کیفیت غذا و طعم آن تا حد ممکن کاهش یافته و نیز صرفه‌جویی در زمان و کاهش هزینه‌ها تا حد امکان برای صنعت مواد غذایی مدنظر قرار گیرد.

مبدل‌های حرارتی Tubular

اگر یک یا هر دو ماده ای که تبادل حرارت می‌کنند سیال باشند، به طور مداوم با عبور از تجهیزات، گرم می شوند یا گرمای خود را از دست می دهند. این فرآیند بسیار کارآمد است و این تجهیزات “مبدل‌های حرارتی جریان پیوسته” نامیده می‌شوند. این تجهیزات اغلب برای خطوط شیر پاستوریزه یا نوشیدنی‌های دیگر به کار می‌روند، و تبادل گرما تقریبا به طور انحصاری توسط آب و یا بخار آب (‏بسته به دمای فرآیند)‏ انجام می پذیرد. یکی از سیالات معمولا از درون لوله‌ها و یا تیوبها عبور می‌کند، و مایع دیگر در اطراف آنها و یا عمود بر آن‌ها عبور داده میشود. در هر نقطه از تجهیز، تفاوت‌های دمای محلی و ضرایب انتقال گرما نرخ تبادل گرما را کنترل می‌کنند. سیالات می‌توانند به طور همجهت از تجهیزات عبور کنند (‏جریان موازی) ‏یا در جهت‌های مخالف (‏جریان مخالف)‏جریان داشته باشند، یا می‌توانند در زوایای عمود به یکدیگر جریان یابند (‏جریان متقاطع)‏. ترکیب‌های مختلف جریان می‌توانند در بخش‌های مختلف مبدل رخ دهند. در واقع بیشتر مبدل‌های حرارتی از این نوع، الگوی جریان مختلط دارند. در جریان موازی، بیش‌ترین تفاوت دمای بین سردترین و گرم‌ترین جریان در ورودی به مبدل حرارتی است، اما در خروجی، دو جریان به دمای یکدیگر نزدیک می‌شوند. در یک مبدل جریان مخالف، جریان‌های خروجی می‌توانند به دمای جریان ورودی جریان دیگر نزدیک شوند و بنابراین مبدل‌های جریان مخالف اغلب ترجیح داده می‌شوند. برای بهبود بیشتر راندمان تبادل گرما، سطح لوله می‌تواند “فین‌دار” باشد، تا سطح موجود را گسترش دهد و همچنین باعث ایجاد آشفتگی دینامیک در سیال و بهبود تبادل حرارتی تا ۹۰ % (‏به ویژه در مورد سیالات ویسکوزیته پایین)‏شود. از این تجهیزات می توان برای خنک کردن نوشیدنی‌ها استفاده کرد، به عنوان مثال استفاده از محلول کلرین سدیم بعنوان سیال تبادل کننده گرما، اما روش‌های دیگر برای این منظور بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ​

در یک مبدل جریان مخالف، جریان‌های خروجی می‌توانند به دمای جریان ورودی جریان دیگر نزدیک شوند و بنابراین مبدل‌های جریان مخالف اغلب ترجیح داده می‌شوند.​

طیف گسترده ای از روغن‌ها جهت انتقال حرارت وجود دارد و هر محصول ویژگی‌های خاص خودش را دارا می باشد. اما چگونه باید مناسب ترین روغن را برای کاربرد خاص خودمان انتخاب کنیم؟ تعدادی معیار برای بهترین انتخاب وجود دارد که به آن می پردازیم

صنایع فرآیندی در ذات خود تمایل زیادی به تولید گرما دارند. دستیابی به نتایج مطلوب ، بدون گرم کردن و سرد کردن مشکل است. همچنین آب و بخار متداول‌ترین سیالات برای انتقال گرما هستند اما با این حال، در دماهای بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتی گراد، آب به سرعت محدودیت های خود را نشان می دهد. سیستم‌ها باید تحت فشار باشند، و تلاش قابل‌توجهی برای اطمینان از عملکرد ایمن لازم است. همچنین آب باعث خوردگی در لوله‌ها و بخش‌های دیگر سیستم می‌شود و این امر یک ایراد بزرگ دیگر است. لذا روغن‌های معدنی و سینتتیک ، جایگزین مناسبی برای انتقال گرما هستند. این محصولات برای دامنه دمایی بین ۲۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی گراد مناسب هستند و سیستم‌ها نباید در دمای بالاتر از ۳۵۰ درجه سانتی گراد تحت فشار قرار گیرند. ​

 برخی از معیارهای کلیدی روغن های انتقال حرارت، شامل گرانروی پایین، پایداری حرارتی خوب، نقطه اشتعال بالا، خواص انتقال حرارت خوب و سهولت در دفع روغن پسماند هستند. روغن نیز باید غیر خورنده، غیر سمی و غیر آتش زا باشد اما هیچ روغن نمی‌تواند همه این معیارها را به طور یک‌سان برآورده کند و در نتیجه هر تصمیم یک مصالحه است. با این حال، برخی پارامترهای کلیدی می‌توانند به انتخاب آسان‌تر کمک کنند. ویسکوزیته باید پایین باشد، به ویژه در کمترین دمای دامنه دمایی.

 زیرا این امر، کمترین دما را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد و می توان در آن، سیستم را استارت زد. این امر می‌تواند به ویژه زمانی مهم باشد که سیستم‌ها در فضای آزاد قرار داشته باشند و یا هیچ گرمایش کمکی در دسترس نباشد. ​

ویسکوزیته عملیاتی، بر خواص جریان در لوله‌ها تاثیر می‌گذارد که به طور بالقوه باعث ایجاد تلفات اصطکاکی می‌شود. ویسکوزیته تصحیح شده و جریان آشفته همراه آن، انتقال حرارت خوب را افزایش می‌دهند. پایداری گرمایی سهم مهمی در کارایی پمپ و عملکرد ایمن سیستم انتقال حرارت دارد. روغن‌های انتقال گرما معمولا مخلوط هستند. مواد تشکیل‌دهنده با نقطه جوش پایین در طول عملکرد نرمال، تبخیر می‌شوند و باید از سیستم حذف شوند، چون تاثیر عمده‌ای بر ویژگی‌های کلیدی عملکرد روغن خنک کننده دارند. آن‌ها ویسکوزیته را کاهش می‌دهند و نقطه اشتعال را کم‌تر می‌کنند. اگر دما به افزایش خود ادامه دهد، ترکیبات دارای نقطه جوش بالا دچار فرایند cracking شده و ماده‌ای با ویسکوزیته بالا تولید می‌کنند که همچون لایه ی قیر مانندی، بر روی لوله‌ها و سطوح حرارتی جمع می‌شود. ​

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.

منابع جایگزین انرژی در کنار منابع کلاسیک مثل نفت، گاز طبیعی، زغال‌سنگ و انرژی هسته‌ای به طور فزاینده‌ای مهم شده‌اند. یک منبع دیگر انرژی گرمای اضافی ناشی از فعالیت صنعتی است. رایج‌ترین روش برای استفاده از حرارت اضافی، استفاده مجدد از آن به طور مستقیم در فرآیند تولید است، اما یک گزینه محبوب دیگر تولید الکتریسیته است.

برای تولید برق از گرمای زائد اغلب از چرخه‌های Rankine ارگانیک (ORC)در دماهای نسبتا پایین استفاده میشود: یک سیال آلی مانند isobutane یا یک مبرد سینتتیک ، قبل از انبساط در توربین، تبخیر و به حالت سوپرهیت تبدیل می‌شود و ژنراتور را جهت تولید الکتریسیته به حرکت می اندازد. این فرآیند شبیه به سیکل Rankine کلاسیک است که توسط نیروگاه‌های گازی رایج مورد استفاده قرار می‌گیرد، به جز اینکه نمی‌تواند از آب استفاده کند چون دمای در دسترس بسیار پایین است. از طرف دیگر،فشارهای کاری در یک ORC، اغلب نسبتا بالا است تا کارایی چرخه را افزایش دهد. در نتیجه، بخش تبخیر چرخه نیاز به مبدل‌های حرارتی دارد که می‌تواند به طور موثر در فشارهای بالا کار کند.

فواید مبدلهای حرارتی صفحه و پوسته
در گذشته، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، گزینه ارجح برای کاربردهایی که شامل فشار بالا، دما، یا هر دو بودند، به حساب می آمد. اخیرا، مبدل‌های صفحه و پوسته مناسب بودن خود را برای فشارهای تا ۱۵۰ بار و دمای تا ۴۰۰ درجه سانتی گراد اثبات کرده اند.
آگاهی رو به رشد درباره انرژی، بازار جهانی مبدل‌های حرارتی را هدایت می‌کند. ویژگی‌های طراحی متریالهای جدید، کارایی بالاتری را نوید می‌دهند، اما کمیابی مواد خام چشم‌انداز را محدود می‌کند. مبدل‌های صفحه و پوسته، قابلیت‌های تحمل فشار و دمای بالای یک پوسته استوانه‌ای را با عملکرد انتقال حرارت عالی یک مبدل حرارتی صفحه‌ای ترکیب می‌کنند. صفحات گرد، توزیع یکنواخت بارهای مکانیکی را تضمین می‌کنند، که این کار بدون وجود تمرکز تنش که در گوشه‌های صفحات مستطیلی رخ می‌دهد انجام می پذیرد.

در پست های بعدی بیشتر به این نوع خلاقانه از مبدل های حرارتی خواهیم پرداخت.

در قسمت 516 برنامه بارکد که از شبکه ایران کالا پخش شده و به مسایل روز صنایع مختلف کشور می پردازد، مصاحبه تلفنی با مدیریت عامل گروه صنعتی نسیم مبدل صورت گرفت.

آقای جلال سلکی مدیرعامل گروه صنعتی نسیم مبدل. در این برنامه درباره ساخت مبدل های حرارتی و مشکلات این صنعت در کشور صحبت کردند. در مورد اینکه چه نوع موادی در ساخت مبدل های حرارتی استفاده می شود؟ امروزه در سراسر دنیا کارخانه‌های فراوانی یافت می‌شوند که در زمینه ساخت مبدل‌های حرارتی فعالیت می‌کنند. آن‌ها بر اساس نیاز مشتری خود و بر اساس استانداردهای تعیین شده به طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی در سایزها و گونه‌های مختلف مبادرت می‌ورزند. طیف گسترده‌ای از مواد در ساخت مبدل‌های حرارتی استفاده می‌گردد. این مواد ممکن است فلزی یا غیر فلزی (مانند گرافیت، شیشه، سرامیک و پلاستیک) باشند. به دلیل وجود متغیرهای مختلف، انتخاب مبدل‌های حرارتی بهینه بسیار مشکل است. محاسبات دستی امکان‌پذیر هستند ولی معمولاً نیاز به زمان زیادی دارند. به همین دلیل مبدل‌های حرارتی اغلب به وسیله برنامه‌های کامپیوتری انتخاب می‌شوند که این کار می‌تواند به وسیله مهندس طراح و یا تأمین‌کننده تجهیز انجام شود.