شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی

• مرضیه ابراهیمی
• • صنعتی

 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.

1-1-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 )

2-1عواملی 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.

3-1- 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:

1-3-1سیالات ( گاز یا مایع یا تبخیر یا میعان یک سیال )

2-3-1دماها و فشارهای عملیاتی

3-3-1جرم گرفتگی، خورندگی و سازگاری سیال با مصالح به کار برده شده

4-3-1میزان نشتی مجاز سیستم

5-3-1هزینه 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.

1-2 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)

2-2 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.

3-2 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.

1-3-2 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.

2-3-2مسئله 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.

4-2- 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.

5-2- 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.

6-2- 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 A_fr و مساحت سطح انتقال Aگرماکه شامل مساحت دو قسمت اصلی و پره ها، قطر هیدرولیکی D_h 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.

7-2- مشخصات ترموفیزیکی

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

8-2- 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.

4- 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.

1-4- 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.

2-4- 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.

5- 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.

6- 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.

7- 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.

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

نرم افزارهاي مجموعه HTFS عمدتا براي طراحي انواع تجهيزات انتقال حرارت به كار مي روند. اين مجموعه از تعدادي نرم افزار قدرتمند كه زمينه هاي فني زير را پوشش مي دهند تشكيل شده است:

• مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله
• خنك كننده هاي هوايي
• مبدل هاي حرارتي صفحه اي
• مبدل هاي حرارتي صفحه اي پره دار
• مبدل هاي حرارتي براي تهويه مطبوع و بازيافت حرارت
• مبدل هاي حرارتي نيروگاهي
• كوره ها

9- نرم افزارهايي كه در اين مجموعه قرار مي گيرند عبارتند از:

1-9- TASC طراحي حرارتي، بررسي عملكرد و شبيه سازي مبدل هاي پوسته و لوله

نرم افزاری توانمند و جامع براي محاسبات مهندسي در خصوص كاربردهاي مختلف مبدل هاي پوسته و لوله است از جمله در گرمايش و سرمايش بدون تغيير فاز، ميعان در كندانسورهاي ساده يا همراه با خشكي زدايي (desuper heating)، فراسرد سازي (sub cooling)، كندانسورهاي چند جزئي، جوش آورها و تبخير كننده هاي از نوع falling-film كاربرددارد.

اتصال اين نرم افزار به برنامه شبيه ساز HYSYS و تبادل دوطرفه اطلاعات به صورت زنده و فعال، از ويژگي هاي برجسته آن است.

2-9- FIHR  شبيه سازي كوره ها با سوخت گاز و مايع

نرم افزاري توانا براي شبيه سازي انتقال حرارت و افت فشار در كوره هايي است كه با سوخت مايع يا گاز كار ميكنند. از لحاظ هندسي حالت هاي متنوعي شامل محفظه هاي استوانه اي يا جعبه اي، تكي يا دوقلو و حاوي لوله هاي عمودي، افقي يا مركزي و مجهز به سيستم باز يا گردشي گازهاي حاصل از احتراق، همگي قابل شبيه سازي است. از نظر فرايندي نيز جريانهاي ورودي تك فاز يا دو فازي با چند بار گذر قابل قبول هستند. در قسمت كنوكسيوني كوره، امكان نصب 9 دسته لوله به صورت مجزا با لوله هاي ساده يا پره دار يا شمع دار وجود دارد. اين برنامه به شبيه سازها و بانك هاي اطلاعاتي خواص فيزيكي متصل مي شود. خروجي FIHR در قالب استاندارد API و همراه با نقشه كوره ها است.

3-9- MUSE شبيه سازي مبدل هاي صفحه ای پره دار

اين نرم افزار مي تواند انواع مبدل هاي صفحه ای پره دار كه در جداسازي اجزاي هوا و صنايع نفت، گاز و پتروشيمي به كار مي روند را شبيه سازي كند. MUSE مي تواند تا 15 جريان فرايندي تك فاز و در حال جوشش يا ميعان را بررسي كند. از لحاظ هندسي نيز هر نوع پيچيدگي نقاط ورودي و خروجي مانند جوش آورهاي ترموسيفون و مبدل هاي با جريان متقاطع در آن قابل قبول است.

4-9- TICP محاسبه عايق كاري حرارتي

از اين نرم افزار در شبيه سازي انواع عايق بندي استفاده ميشود. اين نرم افزار جامع مجموعه اي ازاستانداردها و خصوصيات عايقهاي مختلف متعارف است و مي تواند انواع محاسبات مانند تعيين ضخامت بهينه عایق، محاسبه پروفيل دما، ارزيابي خواص حرارتي و برآورد هزينه ها را انجام دهد.

5-9- PIPE طراحي، پيش بيني و بررسي عملكرد خطوط لوله

با بهره گيري از اين نرم افزار، مي توان عملكرد سيستم خطوط لوله حاوي سيالات تك فاز يا دو فازي را در حالت يكنواخت شبيه سازي كرد. افزون بر لوله ها، انواع اتصالات مانند زانويي، كاهش يا افزايش ناگهاني قطر، شيرهاي توپي، پروانه اي، كروي و دروازه اي، اريفيس و روزنه ها و هر نوع عامل نامشخص افت فشار را میتوان در نرم افزار PIPE مدلسازي كرد.

6-9- ACOL، شبيه سازي و طراحي مبدل هاي حرارتي هواخنك

از اين نرم افزار مي توان براي شبيه سازي مبدل هاي حرارتي هواخنك، واحدهاي بازيافت حرارت، تاسيسات و تهويه مطبوع، سرماسازي و تبريد و خنك كننده هاي ميان مرحله اي استفاده كرد. حالت هاي مختلفي مانند جريان اجباري، القايي و آزاد ( بدون پنكه ) جريان هوا يا هر نوع گاز در حالت گرمايش يا سرمايش در قسمت متقاطع با لوله ها و حالت هاي مختلفي مانند تك فاز، جوشش يا ميعان در طرف لوله ها قابل بررسي است.

روش اختصاصي HTFS در طراحي مبدل هاي فرآيندي هواخنك به صورت تصويري و محاوره اي در ACOL گنجانده شده است. نوع گذر لوله ها را مي توان ساده يا پيچيده در نظر گرفت و لوله ها را نيز ميتوان از نوع ساده يا پرده دار انتخاب كرد. اين برنامه به نرم افزارهاي انتخاب پنكه ها، شبيه سازها و بانك هاي داده هاي خواص فيزيكي متصل مي شود و در

خروجي برگه هاي اطلاعاتي نوع API را ارائه مي كند.

7-9- FRAN بررسي و شبيه سازي مبدل هاي نيروگاهي

از اين نرم افزار براي شبيه سازي عملكرد مبدل هاي پوسته و لوله كه براي گرم كردن آب تغذيه ديگ بخار به كار مي روند استفاده مي شود. جريانهاي گرم كننده بخار مراحل مختلف توربين ها با فشارهاي مختلف و بخار چگاليده هستند. در حالت، بررسي،سطح حرارتي مورد نياز به ازاي شرايط مشخص در هر قسمت مبدل محاسبه مي شود. در اين نرم افزار امكان بررسي و شبيه سازي با جزئياتي مانند تعداد مناطق درون گرمكن ها، نوع قسمت خنك كن آب خروجي، عمودي يا افقي بودن مبدل، تعداد گذر لوله ها، نوع كلگي، جزئيات قسمت خشكي زدائي (desuper heating)، الگوي چيدن لوله ها و بسياري جزئيات ديگر فراهم آمده و بدين ترتيب نرم افزاري حرفه اي براي اين كار محسوب مي شود. توانايي ارزيابي ارتعاش از ديگر توانايي هاي اين نرم افزار است. خصوصيات آب و بخار به طور كامل در درون نرم افزار محاسبه مي شود.

8-9- TASC طراحي حرارتي، بررسي و شبيه سازي مبدل هاي حرارتي پوسته و لوله

با انتخاب TASC اطمينان بيشتري در طراحي تجهيزات و عمليات وجود دارد. در اين نرم افزار از روش ها اختصاصي HTFS استفاده شده است كه بر مبناي بيش از 30 سال تجربه و تحقيق استوار است.

TASC به چهار روش مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد:

• طراحي ( Design )- طراحي حرارتي بر مبناي سطح يا هزينه بهينه با شرايط مشخص فرآيندي و محدوديت هاي ابعادي.
• بررسي ( Checking ) – بررسي اين مطلب كه آيا مبدل موجود، بار حرارتي مورد نياز را با در نظر گرفتن شرايط خاص ورودي و خروجي برآورده مي كند يا خير. در اين حالت، نسبت سطح حرارتي موجود به سطح حرارتي مورد نياز محاسبه مي شود.
• شبيه سازي ( Simulation ) – محاسبه شرايط خروجي و كاركرد مبدل براساس شرايط ورودي.
• ترموسيفون ( Thermosiphon ) – محاسبه عملكرد ریبویلر ترموسیفون عمودي يا افقي، ميزان جريان در گردش و افت فشار در لوله هاي ورودي و خروجي.

مرضیه ابراهیمی