منوی دسته بندی

شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی

Hastelloy C 276 Kettle Reboiler Heat Exchanger 001 - شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی - آرین پادرا صنعت

 روش های اساسی طراحی  و نرم افزار HTFS ( شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی )

تعیین مشخصات فرایند و طراحی

مشخصات و ویژگی های فرآیند را می توان یکی از مهمترین مراحل در طراحی مبدل حرارتی عنوان کرد. یک مهندس طراح مبدل حرارتی می تواند با همکاری مهندس طراح سیستم، ویژگی های هوشمندانه ای را برای یک مبدل حرارتی تعریف کند و سیستم بهینه ای را ایجاد نماید. لازم است همه ویژگی ها و مشخصات هوشمندانه بر اساس نیازهای مشتری، استانداردهای صنعتی و تجارب مهندس طراح مشخص گردند.

مشخصات طراحی و پروسه شامل همه اطلاعات لازم و مورد نیاز برای طراحی و بهینه سازی مبدل حرارتی تا بتوان از آن برای یک طراحی خاص استفاده کرد. این اطلاعات شامل موارد زیر است: مشخصات مسئله برای شرایط کار، نوع ساختار مبدل، آرایش جریان ها، جنس موادی که در ساخت مبدل استفاده می شود، محدودیت های ساخت، کد ساخت، ایمنی و حفاظت.

از این گذشته طراحی مبدل حرارتی و مهندس طراح آن باید تمام تلاش خود را به کار گیرند تا مشخصات ورودی مورد نیاز به کمترین میزان کاهش یابد.

۱-۱-مشخصات مسئله

مشخصات مساله، اولین و مهمترین ملاحظه ای است که اساس طراحی را شکل می دهد و پس از آن آنالیز عملکرد در شرایط طراحی انجام می گیرد. مشخصات مسئله شامل تعیین مواردی مثل پارامترهای فرآیندی، شرایط عملیاتی و محیطی است که قرار است مبدل حرارتی در آن به کار گرفته شود. پارامتر های طراحی شامل تعیین نسبت جریان جرم سیال ( شامل انواع سیالات و ویژگی های ترمو فیزیکی آن ها )، دماهای ورودی و فشارها، شدت های جریان، ترکیب سیال، کیفیت بخار، بار حرارتی، افت فشار مجاز، نوسانات در دما و فشار ورودی به واسطه تغییرات در پارامترهای پروسه یا محیط، پارامترهایی مثل اندازه کلی، وزن، خواص خورندگی و رسوب زایی سیال، محدودیت های طراحی از (جمله هزینه، موادی که باید استفاده شوند، آرایش و چیدمان جریان، انواع مبدل حرارتی )، شرایط محیط کارکرد ( اعم از ایمنی، فرسایش، سطح دما و تاثیرات محیطی )

۲-۱عواملی که باید در نظر گرفته شود عبارت اند از:

  • شرایط آب و هوایی:حداقل دمای محیط، میزان بارندگی ( باران، برف، تگرگ ) و رطوبت
  • محیط عملیاتی: مجاورت با دریا، صحرا، مناطق قاره ای، مناطق زلزله خیز، باد خیز و غبار خیز
  • نقشه محل: میزان نزدیکی به ساختمان ها یا سایر تجهیزات حرارتی و برودتی، جهت باد غالب، طول و میزان لوله کشی های لازم و.. ..

اگر محدودیت های بسیار زیادی در نظر گرفته شود در آن صورت ممکن است طراحی عملی نباشد که در چنین صورتی لازم است بین پارامترهای مختلف سنجش و سبک و سنگین انجام شود. طراح مبدل حرارتی و مهندس طراح سیستم باید در این مرحله با همکاری هم بهترین مشخصات را برای سیستم انتخاب کنند.

۳-۱- مشخصات مبدل حرارتی

با تعیین مشخصات مسئله و بر اساس اطلاعات و تجربیات مهندس طراح، ابتدا ساختار مبدل و آرایش جریان انتخاب می گردد. انتخاب نوع ساختار بستگی به پارامترهای زیر دارد:

۱-۳-۱سیالات ( گاز یا مایع یا تبخیر یا میعان یک سیال )

۲-۳-۱دماها و فشارهای عملیاتی

۳-۳-۱جرم گرفتگی، خورندگی و سازگاری سیال با مصالح به کار برده شده

۴-۳-۱میزان نشتی مجاز سیستم

۵-۳-۱هزینه و تکنولوژی های قابل دسترس برای ساخت مبدل حرارتی

انتخاب آرایش جریان خاص سیال به اثر بخشی مبدل، نوع ساختار مبدل، کانال های بالادستی و پایین دستی مبدل، تنش های حرراتی مجاز و سایر معیارهای و محدودیت های طراحی بستگی دارد. مسیر قرار گرفتن مبدل حرارتی، محل لوله های ورودی و خروجی و موارد دیگر هم ممکن است به وسیله سیستم تعیین شوند که البته می توان با ملاحظه فضای در دسترس و کانال کشی های انجام شده آن ها را اصلاح کرد.

در گام دوم باید هندسه سطح یا مرکزی و مواد سازنده انتخاب شوند. هندسه مرکزی ( مثل نوع پوسته، تعداد مجراها، هندسه تیغه ها ( بافل ها ) و سایر موارد ) برای یه مبدل پوسته و لوله انتخاب می شوند در حالی که هندسه سطح برای مبدل صفحه ای، با سطوح پره دار و بازیاب گرما انتخاب می شود. معیارهای کمی و کیفی فراوانی برای انتخاب سطح وجود دارد. معیارهای کیفی برای انتخاب سطح عبارتند از: دما و فشار کارکرد، تجربه و قوه تشخیص طراح، خوردگی، رسوبات و جرم گرفتگی، فرسایش، آلودگی سیال، هزینه، در دسترس پذیری سطوح، ساخت و تولید، ضروریات نگه داری، قابلیت اعتماد و ایمنی.

در مورد مبدل های حرارتی پوسته و لوله، معیارهایی که برای انتخاب هندسه مرکزی یا طرح بندی مرکزی در نظر گرفته می شود عبارت اند از:عملکرد انتقال حرارت در افت فشار تعیین شده، فشارها و دماهای کارکرد، تنش های فشاری و حرارتی اثر نشست احتمالی بر پروسه، مشخصات خورندگی سیالت، جرم گرفتگی، قابلیت تمیز کاری، مشکلات فرآیندی محدود کننده( حداقل ارتعاش مجاز ناشی از جریان)، ایمنی، هزینه ساخت و نگه داری و تعمیرات. علاوه بر اینها، مهمترین عاملی که باید در نظر گرفته شود این است که چه سیالی در سمت پوسته و چه سیالی در سمت لوله جریان می یابد.

در مبدل پوسته و لوله سیال درون لوله به گونه ای انتخاب می شود که رسوب کنندگی بیشتر، فشار بالاتر، خوردندگی بیشتر، ویسکوزیته و ضریب انتقال حرارت کوچک تری داشته باشد.

طراحی حرارتی و هیدرولیکی

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

۱-۲ 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، اندیس های 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 آید:

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)

۲-۲ طراحی هیدرولیکی

همان طور 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.

۳-۲ 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.

۱-۳-۲ 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.

۲-۳-۲مسئله 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.

۴-۲- 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؛ 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.

۵-۲- مشخصات اساسی سطح

مشخصات اساسی سطح برای هر طرف سیال 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.

۶-۲- 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.

۷-۲- 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 به کار رفته و گرمای ویژه آن ها نیز مورد نیاز می باشد.

۸-۲- راه حل مسائل طراحی حرارتی و هیدرولیکی

راه حل ها برای مسائل نسبت بندی و اندازه بندی ماهیت عددی و محاسباتی دارند. همه داده های تجربی مربوط به انتقال گرما و ویژگی های فرسایش سیال و سایر ویژگی های دائمی برای محاسبات مورد نیاز هستند. به واسطه پیچیدگی محاسبات این فرآیندها اغلب با استفاده از برنامه های کامپوتری و نرم افزارهای ویژه محاسبه می شوند. از آن جا که متغیرهای هندسی و وضعیت های متعددی وابسته به شرایط کاردر مسئله اندازه بندی وجود دارد لذا موضوع فرمول بندی بهترین راه حل طراحی ( انتخاب مقادیر این متغیرها و پارامترها ) در میان همه راه حل های ممکن که معیارهای عملکرد و طراحی را برآورده می کنند، مطرح است. این خواسته تنها با به کارگیری تکنیک های بهینه سازی محاسبات بعد از تعیین اندازه اولیه محقق می شود تا اهداف طراحی مبدل حرارتی در میان چهار چوب محدودیت های تحمیلی بهینه سازی شود.

طراحی مکانیکی

برای تضمین اینکه مبدل حرارتی تحت شرایط پایدار، به هنگام حمل و نقل، به هنگام راه اندازی و خاموش کردن موقت یا دراز مدت سیستم تحت شرایط نیمه بار در طول مدتی که کار می کند، شرایط خود را حفظ کند، لازم است طراحی مکانیکی انجام شود. مبدل مرکب از المان های تبادل حرارتی ( هسته یا ماتریسی که انتقال حرارت در آن اتفاق می افتد ) و المان های توزیع کننده سیال (نظیر هدرها، شیرها، مخزن ها، نازل های ورودی و خروجی، لوله ها، آب بند ها ) است. طراحی مکانیکی و ساختاری باید برای تک تک موارد انجام شود. همچنین لازم است این نکته به خاطر سپرده شود که طراحی ساختاری مبدل حرارتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

هسته مبدل گرمایی برای استحکام ساختار های مورد نیاز طراحی می شود. برای طراحی ساختار باید عواملی همچون دما، فشار، خورندگی یا واکنش شیمیایی سیالات با مواد سازنده مد نظر قرار داده شود. محاسبات مربوط به تنش حرارتی و فشاری برای تعیین ضخامت قسمت های مهم در مبدل ها نظیر پره، صفحه، پوسته و صفحه لوله باید مورد توجه قرار گیرد. یک راه برای انتخاب صحیح مواد و روش های اتصال ( نظیر جوش کاری، لحیم کاری، پرچ کردن و برنج کاری) این است که به دما، فشار، نوع سیالات، خوردگی و جرم گرفتگی احتمالی، طول عمر طراحی و سایر موارد توجه شود.

به طور مشابه از تکنیک های صحیح اتصال باید برای اتصالات لوله به هدرها ( سر شیرها )، اتصالات لوله به صفحه لوله، اتصالات گسترش؛ فلنج ها و سایر موارد استفاده نمود. این شیوه های اتصال معمولا قبل از انجام آنالیز حرارتی و هیدرولیک انتخاب می شوند. در این مرحله هم باید نسبت به مسائل کارکردی دستگاه دقت کافی داشت.

تنش حرارتی و محاسبات خستگی هم باید انجام شوند تا مانایی و طول عمر مبدل حرارتی برای مدت زمان راه اندازی و دوره خاموشی با تخمین محاسبه گردد. از این گذشته، برخی از مسائل کاری که کمتر بدیهی به نظر می رسند باید مورد ملاحظه دقیق قرار گیرند.

همچنین لازم است بررسی و چک های لازم انجام شود تا لرزش های ناشی از جریان سیال به حداقل برسد، چون این لرزش ها موجب بروز پدیده هایی همچون خستگی، خوردگی و موارد مشابه می شوند. سرعت جریان سیال هم باید چک گردد تا فرسودگی، خوردگی و جرم گرفتگی به حداقل برسد. در این مرحله هم لازم است توجه زیادی به مسائل کارکرد شود و در صورت وجود نسبت به حذف آنها اقدام شود. از جمله این مسائل می توان به یخ زدگی و ناپایداری اشاره نمود.

طراحی صحیح ابزارهای توزیع سیال (شامل سرشیرها، مخازن ذخیره، مانیفولدها، نازل ها و لوله های ورودی و خروجی ) هم باید علاوه بر هسته مبدل حرارتی انجام گیرد تا این تضمین ایجاد شود که هیچکدام از موارد خوردگی و خستگی در طول مدت کارکرد مبدل حرارتی به عنوان یک مشکل خاص محسوب نمی شوند.

مبدل حرارتی را می توان بر روی زمین، سقف در اتاق یا محیط باز یا بر روی سیستم در کنار سایر قسمت ها و مؤلفه ها نصب نمود. پشتیبانی ساختاری در مبدل های حرارتی نیازمند به طراحی صحیح پایه ها، متعلقات و سایر قسمت های مناسب است تا این تضمین ایجاد شود که هیچگونه ایرادی بخاطر لرزش و بارهای تحمیلی و خستگی ایجاد نمی شود.

 در طراحی مکانیکی باید توجه بسیاری به ضروریات مربوط به نگهداری همچون تمیز کاری، تعمیرات و سرویس دهی مجدد و بازرسی کلی نمود. محدودیت های مربوط به حمل و نقل هم همانند اندازه کلی باید مورد توجه قرار داده شوند.

هر مبدل حرارتی باید با استانداردها و کدهای محلی، استانی، کشوری و بین المللی ( همچون استاندارد TEMA، کد مخازن تحت فشارASME و غیره ) همخوانی داشته باشد و باید طراحی مکانیکی به گونه ای مطلوب انجام گیرد تا بهترین عملکرد حرارتی را برای آن شاهد باشیم. مبدل های حرارتی به ویژه نیازمند به طراحی ساختاری هستند تا کدها واستانداردها را برای یک یا چندتا از شرایط زیر برآورده کنند: کار در شرایط سخت (فشار و دمای بسیار بالا)، تعداد قابل توجه سیکل های فشار و دما در طول مدت طراحی، معیارهای زلزله، کاربرد ویژه برای محل هایی که انجام تست های ویژه، تعمیر و تعویض و موارد دیگر به آسانی مقدور نیست؛ طراحی ساختاری شامل تنش حرارتی، خستگی و آنالیز خزش است تا طول عمر مبدل حرارتی محاسبه شود.

هر چند برخی از جنبه های طراحی مکانیکی را باید قبل از طراحی حرارتی مد نظر قرار داد، یک کار مشترک در برخی از مبدل های حرارتی این است که ابتدا نسبت به طراحی مبدل ها اقدام شود به این منظور که ضروریات هیدرولیکی و حرارتی برآورده گردند و بعد طراحی از نظر طراحی ساختاری چک شود و تکرارهای لازم انجام شود تا اینکه ضروریات حرارتی و هیدرولیک و طراحی ساختاری با هم برآورده گردند. بنابراین طراحی مکانیکی مبدل های حرارتی به همان اندازه طراحی حرارتی مهم و مشکل تر از آن است؛ چون همه چیز تحلیلی نیست و فرد باید بر تجارب، آزمایشات و عملکرد خویش تکیه کند. بسیاری از معیارهای طراحی مکانیکی باید به صورت همزمان مورد توجه قرار داده شوند.

چندین راه حل بهینه شده بعد از تکمیل طراحی های مکانیکی و حرارتی در دسترس قرار می گیرند. طراح بعد از سنجش و سبک سنگین کردن عوامل گوناگون و مد نظر قرار دادن ملاحظات تولید و تخمین هزینه ها، سرانجام بهترین گزینه را انتخاب می کند. در مورد مبدل های پوسته و لوله هم، از آنجا که جزئیات استانداردهای TEMA به طراحی مکانیکی مربوط است، لذا قیمت گذاری مبدل ها قبل از اتمام طراحی مکانیکی انجام می شود و طرح های نهایی بعد از آن انجام می شود.

۴- ملاحظات مربوط به تولید و تخمین هزینه ها

در ملاحظات تولید و تخمین هزینه ها راه حل های بهینه شده ای در نظر گرفته می شوند که مربوط به ملاحظات طراحی مکانیکی و حرارتی هستند.

۱-۴- ملاحظات تولید و ساخت

ملاحظات ساخت و تولید را می توان به ملاحظات مربوط به تجهیزات تولید و ملاحظات پردازش تقسیم بندی کرد و در کنار آن ها معیارهای کیفی دیگر را هم مد نظر قرار داد. ملاحظات تجهیزاتی که بر طراحی هم تأثیر می گذارند عبارتند از: انتخاب ابزارهای کار در برابر ابزارهای نو، در دسترس پذیری و محدودیت های قالب ها، ابزارها، ماشین ها، کوره ها و مکان هایی که کارخانجات تولید در آنجا واقع شده اند، تولید در برابر زمان خاموشی سیستم ها و تامین بودجه برای کالاهای سرمایه ای.

ملاحظات مربوط به پردازش هم عبارتند از: ملاحظات مربوط به این که چگونه قطعات و مؤلفه های مبدل حرارتی ساخته می شوند و نهایتا سوار می شوند. این خود شامل تولید تک تک قطعات در تلرانس های مشخص شده است و عبارت است از: روند قطعات، انبار کردن مبدل ها و نهایتا برنج کاری های، لحیم کاری، جوشکاری یا گسترش مکانیکی لوله ها یا سطوح انتقال گرما، اتصالات عاری از نشت و سوار کردن سر شیرها، مخازن ذخیره، مانیفولدها (چند راهه ها)، زانوها و برگشت دهنده ها، سوار کردن لوله ها، شستشو و نظافت مبدل ها، تست نشتی، سوار کردن مبدل ها بر روی سیستم و پشتیبانی ساختاری. نه تنها تجهیزات تولید بلکه کل ملاحظات مربوط به پردازش، امروزه مورد ارزیابی قرار می گیرند – بویژه زمانی که قرار است یک طراحی جدید از مبدل حرارتی رونمایی شود. سایر معیارهای ارزیابی شامل تاریخ تحویل، حجم کار، خط مشی کمپانی و تخمین نقاط قوت رقبا می باشند.

۲-۴- برآورد هزینه

هزینه های کلی که به آنها هزینه های طول عمر سیستم هم می گویند همراه با مبدل حرارتی می تواند تحت عنوان هزینه های سرمایه گذاری، نصب، کارکرد و گاهی هم هزینه های مربوط به دفع و فرسوده کردن سیستم باشد. هزینه های مربوط به سرمایه گذاری (کاملا نصب شده) شامل هزینه های طراحی، تهیه مصالح، تولید (اعم از هزینه ماشین آلات، کارگر و هزینه های کلی )، تست، حمل و نقل، نصب و استهلاک می باشد. نصب مبدل در یک سایت در مورد برخی از مبدل ها گاهی آنقدر زیاد می شود که با هزینه برخی مبادله گرهای پوسته و لوله برابری می کند. هزینه های کارکردی شامل هزینه های برق مربوط به راه اندازی پمپ سیال، هزینه های بیمه و ضمانت و نگهداری و تعمیر و کم شدن تولید به خاطر خرابی و هزینه های برق مصرفی و هزینه های راه اندازی مجدد در صورت خراب شدن سیستم می باشد. تخمین برخی هزینه ها خیلی سخت است ولی برخی را می توان در همان مرحله طراحی انجام داد.

۵- فاکتورهای لازم برای سبک و سنگین کردن

بعد از ارزیابی دقیق ملاحظات طراحی تولید، مکانیکی و حرارتی، تخمین هزینه ها باید به همان صورتی که در فوق عنوان شد، انجام گردد. اکنون بعد از اقدامات یاد شده ما در مرحله ای قرار می گیریم که می توانیم ارزیابی را بر اساس سبک و سنگین کردن فاکتورها انجام دهیم. این کار می تواند با مد نظر قرار دادن وزن و هزینه های مربوط به افت فشار، عملکرد انتقال گرما، اندازه کلی، میزان نشتی، هزینه های اولیه برای طول عمر مبدل حرارتی در برابر خوردگی و خستگی و موارد مشابه انجام شود. عوامل سبک و سنگین کردن مربوط به ورودی فیزیکی هم شامل مشخصات مسئله و مد نظر قرار دادن همه محدودیت های تحمیلی از جمله شرایط کاری انجام می شود. آنالیز سبک و سنگین کردن شامل شرایط و ملاحظات اقتصادی و قانون دوم ترمودینامیک در مورد طراحی مبدل حرارتی می باشد.

اگر مبدل حرارتی تنها یک مؤلفه از سیستم یا سیکل ترمودینامیک باشد، طراحی بهینه سیستم باید انجام گیرد تا به  برسیم به این منظور که تجهیزات، هزینه ها و سایر موارد به حداقل برسند. در یک چنین موردی، مسئله طراحی مبدل حرارتی برای بار دیگر فرمول بندی می شود و این کار بعد از طراحی بهینه انجام می شود و سرانجام هم فاکتورهای سبک و سنگین کردن اعمال می شوند.

۶- طراحی بهینه

خروجی نهایی آنالیزهای کمی و کیفی، یک طراحی بهینه است که می توان چندین مورد طراحی ( بسته به تعداد سطح یا هسته هندسی در نظر گرفته شده ) به مشتری عرضه کرد.

۷- سایر ملاحظات

اگر مبدل حرارتی مشخصات طراحی جدیدی را شامل شود، این می تواند یک بخش مهم و تعیین کننده ای از سیستم باشد یا اگر قرار باشد مدل و طرح اولیه که در آزمایشگاه تست های لازم بر روی آن انجام شده است؛ به تولید انبوه برسد، لازم است در مورد آیتم های زیر اطمینان کافی جلب شود: انتقال گرمایی سیستم، افت فشار و عملکرد آن که به عنوان مؤلفه ای از کل سیستم یا بخشی از آن در نظر گرفته می شود، ویژگی هایی نظیر خستگی، سیکل دمایی، خوردگی و ویژگی های فرسایش و نیز حد فشار.

۸- نرم افزار HTFS ( شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی )

نرم افزارهای مجموعه HTFS عمدتا برای طراحی انواع تجهیزات انتقال حرارت به کار می روند. این مجموعه از تعدادی نرم افزار قدرتمند که زمینه های فنی زیر را پوشش می دهند تشکیل شده است:

  • مبدل های حرارتی پوسته و لوله
  • خنک کننده های هوایی
  • مبدل های حرارتی صفحه ای
  • مبدل های حرارتی صفحه ای پره دار
  • مبدل های حرارتی برای تهویه مطبوع و بازیافت حرارت
  • مبدل های حرارتی نیروگاهی
  • کوره ها

۹- نرم افزارهایی که در این مجموعه قرار می گیرند عبارتند از:

۱-۹- TASC طراحی حرارتی، بررسی عملکرد و شبیه سازی مبدل های پوسته و لوله

نرم افزاری توانمند و جامع برای محاسبات مهندسی در خصوص کاربردهای مختلف مبدل های پوسته و لوله است از جمله در گرمایش و سرمایش بدون تغییر فاز، میعان در کندانسورهای ساده یا همراه با خشکی زدایی (desuper heating)، فراسرد سازی (sub cooling)، کندانسورهای چند جزئی، جوش آورها و تبخیر کننده های از نوع falling-film کاربرددارد.

اتصال این نرم افزار به برنامه شبیه ساز HYSYS و تبادل دوطرفه اطلاعات به صورت زنده و فعال، از ویژگی های برجسته آن است.

۲-۹- FIHR  شبیه سازی کوره ها با سوخت گاز و مایع

نرم افزاری توانا برای شبیه سازی انتقال حرارت و افت فشار در کوره هایی است که با سوخت مایع یا گاز کار میکنند. از لحاظ هندسی حالت های متنوعی شامل محفظه های استوانه ای یا جعبه ای، تکی یا دوقلو و حاوی لوله های عمودی، افقی یا مرکزی و مجهز به سیستم باز یا گردشی گازهای حاصل از احتراق، همگی قابل شبیه سازی است. از نظر فرایندی نیز جریانهای ورودی تک فاز یا دو فازی با چند بار گذر قابل قبول هستند. در قسمت کنوکسیونی کوره، امکان نصب ۹ دسته لوله به صورت مجزا با لوله های ساده یا پره دار یا شمع دار وجود دارد. این برنامه به شبیه سازها و بانک های اطلاعاتی خواص فیزیکی متصل می شود. خروجی FIHR در قالب استاندارد API و همراه با نقشه کوره ها است.

۳-۹- MUSE شبیه سازی مبدل های صفحه ای پره دار

این نرم افزار می تواند انواع مبدل های صفحه ای پره دار که در جداسازی اجزای هوا و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به کار می روند را شبیه سازی کند. MUSE می تواند تا ۱۵ جریان فرایندی تک فاز و در حال جوشش یا میعان را بررسی کند. از لحاظ هندسی نیز هر نوع پیچیدگی نقاط ورودی و خروجی مانند جوش آورهای ترموسیفون و مبدل های با جریان متقاطع در آن قابل قبول است.

۴-۹- TICP محاسبه عایق کاری حرارتی

از این نرم افزار در شبیه سازی انواع عایق بندی استفاده میشود. این نرم افزار جامع مجموعه ای ازاستانداردها و خصوصیات عایقهای مختلف متعارف است و می تواند انواع محاسبات مانند تعیین ضخامت بهینه عایق، محاسبه پروفیل دما، ارزیابی خواص حرارتی و برآورد هزینه ها را انجام دهد.

۵-۹- PIPE طراحی، پیش بینی و بررسی عملکرد خطوط لوله

با بهره گیری از این نرم افزار، می توان عملکرد سیستم خطوط لوله حاوی سیالات تک فاز یا دو فازی را در حالت یکنواخت شبیه سازی کرد. افزون بر لوله ها، انواع اتصالات مانند زانویی، کاهش یا افزایش ناگهانی قطر، شیرهای توپی، پروانه ای، کروی و دروازه ای، اریفیس و روزنه ها و هر نوع عامل نامشخص افت فشار را میتوان در نرم افزار PIPE مدلسازی کرد.

۶-۹- ACOL، شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی هواخنک

از این نرم افزار می توان برای شبیه سازی مبدل های حرارتی هواخنک، واحدهای بازیافت حرارت، تاسیسات و تهویه مطبوع، سرماسازی و تبرید و خنک کننده های میان مرحله ای استفاده کرد. حالت های مختلفی مانند جریان اجباری، القایی و آزاد ( بدون پنکه ) جریان هوا یا هر نوع گاز در حالت گرمایش یا سرمایش در قسمت متقاطع با لوله ها و حالت های مختلفی مانند تک فاز، جوشش یا میعان در طرف لوله ها قابل بررسی است.

روش اختصاصی HTFS در طراحی مبدل های فرآیندی هواخنک به صورت تصویری و محاوره ای در ACOL گنجانده شده است. نوع گذر لوله ها را می توان ساده یا پیچیده در نظر گرفت و لوله ها را نیز میتوان از نوع ساده یا پرده دار انتخاب کرد. این برنامه به نرم افزارهای انتخاب پنکه ها، شبیه سازها و بانک های داده های خواص فیزیکی متصل می شود و در

خروجی برگه های اطلاعاتی نوع API را ارائه می کند.

۷-۹- FRAN بررسی و شبیه سازی مبدل های نیروگاهی

از این نرم افزار برای شبیه سازی عملکرد مبدل های پوسته و لوله که برای گرم کردن آب تغذیه دیگ بخار به کار می روند استفاده می شود. جریانهای گرم کننده بخار مراحل مختلف توربین ها با فشارهای مختلف و بخار چگالیده هستند. در حالت، بررسی،سطح حرارتی مورد نیاز به ازای شرایط مشخص در هر قسمت مبدل محاسبه می شود. در این نرم افزار امکان بررسی و شبیه سازی با جزئیاتی مانند تعداد مناطق درون گرمکن ها، نوع قسمت خنک کن آب خروجی، عمودی یا افقی بودن مبدل، تعداد گذر لوله ها، نوع کلگی، جزئیات قسمت خشکی زدائی (desuper heating)، الگوی چیدن لوله ها و بسیاری جزئیات دیگر فراهم آمده و بدین ترتیب نرم افزاری حرفه ای برای این کار محسوب می شود. توانایی ارزیابی ارتعاش از دیگر توانایی های این نرم افزار است. خصوصیات آب و بخار به طور کامل در درون نرم افزار محاسبه می شود.

۸-۹- TASC طراحی حرارتی، بررسی و شبیه سازی مبدل های حرارتی پوسته و لوله

با انتخاب TASC اطمینان بیشتری در طراحی تجهیزات و عملیات وجود دارد. در این نرم افزار از روش ها اختصاصی HTFS استفاده شده است که بر مبنای بیش از ۳۰ سال تجربه و تحقیق استوار است.

TASC به چهار روش مختلف مورد استفاده قرار می گیرد:

  • طراحی ( Design )- طراحی حرارتی بر مبنای سطح یا هزینه بهینه با شرایط مشخص فرآیندی و محدودیت های ابعادی.
  • بررسی ( Checking ) – بررسی این مطلب که آیا مبدل موجود، بار حرارتی مورد نیاز را با در نظر گرفتن شرایط خاص ورودی و خروجی برآورده می کند یا خیر. در این حالت، نسبت سطح حرارتی موجود به سطح حرارتی مورد نیاز محاسبه می شود.
  • شبیه سازی ( Simulation ) – محاسبه شرایط خروجی و کارکرد مبدل براساس شرایط ورودی.
  • ترموسیفون ( Thermosiphon ) – محاسبه عملکرد ریبویلر ترموسیفون عمودی یا افقی، میزان جریان در گردش و افت فشار در لوله های ورودی و خروجی.

این مقاله چقدر براتون مفید بود؟

روی ستاره ها کلیک کنید

میانگین رتبه ۰ / ۵. تعداد رای: ۰

کسی قبلا به این مقاله امتیاز نداده، شما نفر اول باشید!

مرضیه ابراهیمی
Subscribe
باخبر شدن از
guest
0 نظرات
Inline Feedbacks
View all comments