دانستنیهای مفید درمورد مبدلهای حرارتی

معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل*هاي پوسته - لوله*اي
توجه به محدوديت سوخت*هاي فسيلي در دنيا موجب شده است كه امروزه موضوع بهينه*سازي مصرف انرژي در واحدهاي فرآيندي، بيش از پيش مورد توجه قرار گيرد. يكي از تكنيك*هاي بهينه*سازي مصرف انرژي، تكنيك HTE است كه در زير معرفي شده*است. نويسندة متن ارسالي زير، در پايان معرفي تكنولوژي، به اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي دستيابي به اين تكنولوژي و موفقيت*هاي به*دست آمده اشاره كرده*است.
معرفي تكنولوژي HTE

در فرآيندهاي شيميايي، مهمترين بخشي كه مستقيماً با مصرف انرژي ارتباط مي*يابد، مبدل*هاي حرارتي مي*باشند. تاكنون همواره تلاش شده است تا مبدل*هايي طراحي گردند كه ضمن داشتن حداكثر بازدهي، در كاركردهاي بلند*مدت، كمترين مشكلات عملياتي را داشته باشند. اصولاً مبدل*هاي حرارتي، به*خصوص از نوع پوسته- لوله*اي (Shell-and-Tube)، داراي دو مشكل عملكرد پايين حرارتي (Thermal Deficiency) و جرم*گرفتگي داخل لوله*ها (Fouling)، به*خصوص در هنگام كاركرد با سيالات كثيف يا حساس به دما مي*باشند.
يكي از روش*هاي كاربردي و موثر در بهبود انتقال حرارت و كاهش جرم گرفتگي، استفاده از وسايل افزايندة انتقال حرارت (Tabulators) است. اين وسايل به آساني در داخل لوله*هاي مبدل*هاي پوسته-*لوله*اي نصب مي شوند و در زمان توقف واحدها (Overhaul)، به*راحتي قابل بيرون كشيدن و تميز كاري و نصب مجدد مي*باشند.

اين روش كاربردي، امروزه به عنوان تكنولوژي HTE يا Heat Transfer Enhancement شناخته شده است كه تحت ليسانس شركت*هاي مختلف، بيش از يك دهه براي به*كارگيري در صنايع مختلف نفت و گاز و پتروشيمي و حتي نيروگاه*ها توصيه و تبليغ مي*گردد. شايان ذكر است كه در حال حاضر، تنها در آمريكا بيش از 50 پالايشگاه و 6 واحد پتروشيميايي از مزاياي اين تكنولوژي بهره برده*اند. البته استفاده از اين تكنولوژي محدود به آمريكا نبوده و در بسياري از پالايشگاه*ها و مراكز پتروشيمي كشورهاي اروپايي و حتي در آسيا (به*طور مشخص تايلند، مالزي و ژاپن) نيز اين تكنولوژي به*كار گرفته شده است.

اصول و مباني تكنولوژي HTE

اساساً روش*هاي متعددي براي افزايش بازدهي مبدل*هاي حرارتي ارائه شده است كه به دليل هزينه كمتر نسبت به روش*هاي ديگر و عدم استفاده از ساير منابع انرژي نظير برق، جنبه*هاي اجرايي استفاده از وسايل افزاينده انتقال حرارت براي مهندسان در صنايع، بسيار پرجاذبه*تر تشخيص داده شده است. اين وسايل كه با اشكال هندسي خاصي طراحي مي*شوند، درون لوله*هاي مبدل قرار داده مي*شوند.

ايجاد سرعت*هاي چرخشي در جريان سيال و افزايش اختلاط به*خصوص در نزديكي ديواره*هاي داخلي لوله*هاي مبدل، نهايتاً سبب مي*گردد كه از سرعت ته*نشيني ذرات كاسته شده و از تشكيل لايه مرزي نيز جلوگيري گردد. فرصت نيافتن سيال براي تشكيل لاية مرزي كه خود از مقاومت*هاي مهم در برابر انتقال حرارت محسوب مي*شود، از دلايل عمدة افزايش نرخ انتقال حرارت ميان سيال درون لوله و پوسته مي*باشد. به*علاوه، افزايش سرعت شعاعي و محوري در جريان سيال داخل لوله باعث نوعي يكنواختي در توزيع دما در طول لوله و در هر مقطع از آن مي*گردد. لذا در برخي از مكانيزم*هاي تشكيل جرم گرفتگي درون لوله*هاي مبدل*ها، نظير كك زدن (Cocking)، كه دليل اصلي آن به*وجود آمدن نقاط داغ موضعي در سطح لوله (Hot Spot) است، استفاده از اين وسايل باعث جلوگيري از اين پديده شده و نهايتاً سبب بهبود انتقال حرارت در طول لوله مي*گردد.

وسايل افزايندة انتقال حرارت در انواع مختلفي طراحي مي*شوند كه هر يك بسته به ساختمان طراحي خود، با مكانيزم خاصي سبب افزايش انتقال حرارت و كاهش همزمان جرم*گرفتگي در لوله*ها مي|*گردند.

اين وسايل نه*تنها در لوله*هاي مبدل*هاي پوسته-*لوله*اي بلكه در كولرهاي هوايي، جوش*آورها، چگالنده*ها، و كوره*هاي احتراقي نيز به طور عملي استفاده مي*شوند.

نكته قابل توجه اين است كه بيشتر سيالاتي كه مورد سرمايش و گرمايش قرار مي*گيرند، داراي ويسكوزيتة نسبتاً بالايي مي*باشند، يا در مواردي كه سيالات كثيف (Foul ant) بوده، ضريب انتقال حرارت اين سيالات در جريان لوله نسبتاً پايين مي باشد. لذا در چنين مبدل*هايي، انتقال حرارت براي طرف لولة كنترل كنندة سرعت انتقال حرارت مي*باشد. بنابراين استفاده از دستگاه*هاي افزايندة انتقال حرارت، موجب بهبود و مزيتي براي رفع هر دو نقيصة مزبور در مبدل*هاي پوسته-*لوله*اي خواهد بود.

موارد به*كارگيري تكنيك HTE

اصولاً به*كارگيري و مزاياي ناشي از به*كار بردن اين وسايل در لوله*هاي مبدل*هاي پوسته- لوله*اي در دو زمينة زير قابل توجه مهندسان بوده است:

1- در بهبود كاركرد مبدل*هاي حرارتي موجود، مزاياي عمده*اي در فرآيند مربوط به نصب اين وسايل در درون لوله*ها و سپس كاهش تعداد گذر*هاي طرف لوله به*صورت زير حاصل مي*گردد:

- كاهش رسوب گرفتگي در لوله*ها

- رساندن درجة حرارت*هاي سيالات خروجي از طرف لوله و طرف پوسته به دماهاي مورد نظر در طراحي (Spec.)و حتي فراتر از آن

- افزايش ظرفيت واحدها (Revamping) با بالا بردن دبي جريانها در مبدل*ها، به*خصوص وقتي كه مبدل*ها، دستگاه*هاي حرارتي گلوگاهي (Bottleneck) فرآيند محسوب مي*شوند.

- افزايش بار حرارتي دستگاه*هاي تبادل حرارتي و اصلاح شبكة مبدل*هاي حرارتي (Retrofitting) و نهايتاً كاهش مصرف آب و بخار (Utilities) در يك فرآيند.

2- مزاياي ناشي از به*كارگيري اين تكنولوژي در طراحي اولية مبدل*ها (Grassroots Design)

- كاهش سطح انتقال حرارت مورد نياز به مقدار بسيار قابل ملاحظه

- كاهش تعداد پوسته*ها و گذرهاي طرف لولة مبدل و ساده*تر شدن ساختمان مبدل در طراحي

- كاهش نيروي محركة دمايي LMTD كه به*طور مثال در مبدل*هاي بخاري(Steam heaters) ، نياز به تامين بخار فشار بالا را منتفي خواهد نمود.

نمونه هاي عملي از به*كارگيري اين تكنولوژي در صنايع (Case Studies)

در ذيل، چهار مثال مجزا جهت نشان دادن مزاياي به*كارگيري اين تكنيك در صنايع مختلف نفت و گاز پتروشيمي آورده شده است. به*طوري*كه ملاحظه مي*شود، استفاده از تكنولوژي HTE در حل مشكلات حرارتي و عملياتي، نظير جرم گرفتگي مبدل*ها كاملاً موفق بوده است.

مثال اول) پالايشگاه نفت گرنبي موس در اسكاتلند

شركت نفت انگلستان (B.P) امكان رسوب*گرفتگي ناشي از كريستالي شدن تركيبات هيدروكربوري سنگين (واكس) را با طراحي يك كولر هوايي مناسب و استفاده از اين تكنولوژي حذف نموده است.

مثال دوم) پالايشگاه نفت لينجن در آلمان

با تلفيق اين تكنولوژي و با استفاده از بافل*هاي حلزوني نه تنها از ميزان رسوب گرفتگي در لوله*هاي مبدل كاسته شده، بلكه طراحي با اين تلفيق، منجر به داشتن تعداد كمتري از پوسته*هاي مبدل شده است.

مثال سوم) پالايشگاه اونتاريا در كانادا

استفاده از اين تكنولوژي منجر به داشتن مبدلي فشرده*تر و بدون نيازمندي به نگهداري و بازرسي در عمليات كراكينگ كاتاليستي گازوييل سنگين (HCGO) شده است.

مثال چهارم) تاسيسات ذخاير گاز لنچات در بلژيك

استفاده از اين تكنولوژي منجر به بهبود كاركرد مبدل مياني تنها با يك پوسته در عمليات آبگيري از گاز شده است.

اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت

پژوهشكدة گاز پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي ايجاد و توسعة دانش فني اين تكنولوژي در كشور قدم*هاي اساسي برداشته كه نهايتاً موجب ثبت اين تكنولوژي در ايران (به شماره پروژه*هاي 71010108 و 71010110 و شماره ثبت 26156 مورخه 16/10/78) شده است. محورهاي اساسي در مجموع فعاليت*هاي انجام شده به قرار زير است:

1) اراية سمينار و كارگاه*هاي آموزشي

به منظور آشنايي مهندسان و كارشناسان مختلف و علاقه*مند به اين تكنولوژي, سمينارها و كارگاه*هاي مختلفي در سطح صنايع نفت و گاز و پتروشيمي برگزار شده است.

2) ساخت وسائل افزاينده انتقال حرارت

با تلاش و پيگيري*هاي انجام شده تكنيك ساخت و پارامترهاي توليدي يكي از مهمترين انواع وسائل افزايندة انتقال حرارت بدست آمده است. در حال حاضر توانايي ساخت اين وسائل در ابعاد مختلف و با فشردگي*هاي متفاوت و براي هر دامنه**اي از نياز فراهم آمده است.

3) تعيين مشخصة عملكرد هيدروليكي- حرارتي وسائل مذكور

پس از ساخت اين وسائل به منظور برآورد مشخصات عملكردي وسائل افزايندة انتقال حرارت يك سيستم آزمايشگاهي (Test Rig) طراحي و ساخته شد. بدين ترتيب اطلاعات دقيق عملياتي براي هر وسيله قابل حصول خواهد بود.

4) تهية نرم*افزار RIPI-HEX

جهت تعيين پتانسيل بكارگيري اين تكنيك در مبدل*هاي پوسته- لوله*اي و براي شرايط طراحي (Design) و عملكردي (Rating) نرم*افزاري تهيه و تدوين شد. با كمك اين نرم*افزار امكان بررسي هر يك از حالات توصيف*شده در شرايطي كه افزايش راندمان حرارتي مبدل مدنظر باشد، قابل بررسي خواهد بود.

در حال حاضر پژوهشگاه صنعت نفت امكان پيش بيني و تخمين ميزان پتانسيل سودمندي ناشي از بكارگيري اين تكنيك را براي مبدل*هاي معرفي*شده از سوي صنايع مختلف را دارا مي*باشد.

منابع مطالعاتي بيشتر:

1-M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley, “An Algorithm for Cost Comparison of Optimized Shell-and-Tube Heat Exchangers with Tube Inserts and Plain Tubes,” Chem.Eng.Technol. 23,(3), 2000.

2-G.T.Polley, M.R.Jafari Nasr and A.Terranova, “Determination and Applications of the Benefits of Heat Transfer Enhancement,” IChemE, Vol.72, Part A, pp.616-620, Sept., 1994.

3-M.R. Jafari Nasr, A.T.Zoghi,“Performance Improvement of Tehran Refinery Pre-heater Exchangers Using Heat Transfer Enhancement”, No.41, Summer 2001.

4-M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley and A.T. Zoghi , “Performance Evaluation of Heat Transfer Enhancement (H.T.E. Technology),” 14th International Chemical and Process Engineering Congress, CHISA, Parha, Czech Republic, 27-3 Aug. , 2000

دانستنیهای مفید درمورد مبدلهای حرارتی

مطالب مشابه :

معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته - لوله‌اي

آشنایی کلی با مهندسی مکانیک

حل المسائل مقدمه ای بر انتقال حرارت اینکروپرا ویرایش چهارم

دانستنیهای مفید درمورد مبدلهای حرارتی

زمان کلاس حل تمرین

موضوع آزمايش : مبدل حرارتي

مهندسي مكانيك

مبدل حرارتي

معرفی رشته مهندسی دریا

رشته کارشناسی مکانیک (گرایش حرارت وسیالات)