طراحی براي تهیه یک سیستم مهندسی، در جایگاه بسیار بالایی قرار دارد. توصیف یک سیستم مهندسی بیانگر مشخصات مهم ساختار سیستم، اندازه و عملکرد سیستم می باشد. این موضوع می تواند با استفاده از روش و اصول طراحی محقق گردد. از فرمول بندي چشم انداز این فعالیت، کاملا مشخص است که روش طراحی داراي ساختار پیچیده اي است و از این گذشته، اصول طراحی مبدل های حرارتی به عنوان یک مؤلفه، باید با طراحی چرخه عمر یک سیستم سازگار باشد.
ملاحظات طراحی مبدل های حرارتی
فرمول بندي مسئله (از جمله تعامل با مشتري) توسعه مفهوم انتخاب انواع طراحی ها، طراحی اولیه، طراحی دقیق مبدل (انجام همه محاسبات طراحی و مد نظر قرار دادن همه ملاحظات ساخت و تولید ملاحظات بهره برداري) کارکرد، در دسترس بودن، فرسوده شدن و غیره
در مرحله نخست یک مهندس باید به تعیین مشخصات تجهیزات و اهداف کلی طراحی سیستم مبادرت ورزد که این باید بر اساس درکی درست از نیازهاي مشتري باشد. اگر موضوع به درستی فرمول بندي گردد و مهندس همه مؤلفه ها را در طراحی سیستم مورد ارزیابی قرار دهد و یک یا چند راه حل طراحی عملی را براي خود مدنظر قرار دهد در آن صورت بر اساس این تحلیل و ارزیابی ها می تواند اندازه گیري هاي دقیق، برآورد هزینه ها و بهینه سازي ها را انجام دهد که این کار موجب می شود تا بهترین راه حل براي طراحی پیشنهاد گردد. به طور مشابه، ملاحظات مهندسی پروژه اعم از ساخت و تولید باید مد نظر قرار داده شود.
محدودیتها
موضوع مربوط به راه اندازي، حمل و نقل، کارکرد در شرایط پایدار و نهایتا فرسوده شدن و احتمالا بازیافت هم باید مد نظر مهندس طراح قرار گیرند. تیم طراحی با در نظر گرفتن همه موارد سعی در برآورده کردن همه نیازها می کند، همه محدودیت هاي احتمالی را شبیه سازي می نماید و چندین بار مراحل گوناگون را تکرار می کند تا اینکه مشکلی باقی نماند و همه خواسته ها برآورده شوند. در چارچوب این فعالیت ها، یک روش خاص طراحی ایجاد می گردد.
یک متدولوژي براي طراحی یک مبدل حرارتی در شکل 1 نشان داده شده است. این طراحی براي مبدل هاي حرارتی توسط آقایان کیز و لندن (1998)، تابورك (1988) و شاه (1982)فشرده انجام شده است. این فرآیند طراحی را می توان به عنوان یک مطالعه موردي مد نظر قرار داد.
مبدل حرارتی پوسته و لوله
یکی از پرکاربردترین انواع مبدل های حرارتی که در تاسیسات ساختمانی و استخرها مورد استفاده قرار می گیرد، مبدل پوسته و لوله می باشد.مبدل حرارتی بخارسازه طبق نیاز مشتری با رعایت استاندارد، در ظرفیت های مختلف تولید می گردد.
اصول و روش های طراحی مبدل های حرارتی شامل موارد زیر است:
- تعیین مشخصات فرآیند و طراحی
- طراحی حرارتی و هیدرولیک
- طراحی مکانیکی
- محاسبات مربوط به هزینه و ساخت
- فاکتورهاي سنجش و بهینه سازي سیستم
محاسبه موارد بالا اکثرا به یکدیگر مرتبط و بر هم تاثیر گذارند و براي رسیدن به طراحی بهینه باید همزمان مد نظر قرار گیرند و حتی ممکن است قبل از طراحی چند بار تکرار انجام شود تا مشکلی پیش نیاید. روش و متدولوژي کلی طراحی فرآیندي بسیار پیچیده است، چون بسیاري از ملاحظات کمی و کیفی باید مورد بررسی قرار گیرند و از این گذشته در محاسبات کمی باید دقت کافی مبذول شود.
همچنین باید بر این نکته تأکید شود که بسته به کاربرد ویژه، برخی از موارد و ملاحظات طراحی را حین انجام پروسه باید اعمال کرد، اما این ضرورت همه موارد بالا را در بر نمی گیرد. در ادامه این ملاحظات گسترده با جزئیات بیشتري شرح داده خواهد شد.
تعیین مشخصات فرآیند و طراحی مبدل حرارتی
مشخصات و ویژگی هاي فرآیند را می توان یکی از مهمترین مراحل در طراحی مبدل حرارتی عنوان کرد. یک مهندس طراح مبدل حرارتی می تواند با همکاري مهندس طراح سیستم، ویژگی هاي هوشمندانه اي را براي یک مبدل حرارتی تعریف کند و سیستم بهینه اي را ایجاد نماید. لازم است همه ویژگی ها و مشخصات هوشمندانه بر اساس نیازهاي مشتري، استانداردهاي صنعتی و تجارب مهندس طراح مشخص گردند.
مشخصات طراحی و پروسه شامل همه اطلاعات لازم و مورد نیاز براي طراحی و بهینه سازي مبدل حرارتی تا بتوان از آن براي یک طراحی خاص استفاده کرد. این اطلاعات شامل موارد زیر است :
مشخصات مسئله براي شرایط کار، نوع ساختار مبدل، آرایش جریان ها، جنس موادي که در ساخت مبدل استفاده میشود، محدودیت هاي ساخت، کد ساخت، ایمنی و حفاظت. از این گذشته طراحی مبدل حرارتی و مهندس طراح آن باید تمام تلاش خود را بکار گیرند تا مشخصات ورودي مورد نیاز به کمترین میزان کاهش یابد.
مشخصات مسئله
مشخصات مساله اولین و مهمترین ملاحظه ایست که اساس طراحی را شکل می دهد و پس از آن آنالیز عملکرد در شرایطی طراحی انجام میگیرد. مشخصات مسئله شامل تعیین مواردي مثل پارامترهاي فرآیندي، شرایط عملیاتی و محیطی است که قرار است مبدل حرارتی در آن به کار گرفته شود.
پارامتر هاي طراحی شامل تعیین نسبت جریان جرم سیال ( شامل انواع سیالات و ویژگی هاي ترمو فیزیکی آن ها )، دماهاي ورودي و فشارها، شدت هاي جریان، ترکیب سیال، کیفیت بخار، بار حرارتی، افت فشار مجاز، نوسانات در دما و فشار ورودي به واسطه تغییرات در پارامترهاي پروسه یا محیط، پارامترهایی مثل اندازه کلی، وزن، خواص خورندگی و رسوب زایی سیال، محدودیت هاي طراحی از (جمله هزینه، موادي که باید استفاده شوند، آرایش و چیدمان جریان، انواع مبدل حرارتی )، شرایط محیط کارکرد ( اعم از ایمنی، فرسایش، سطح دما و تاثیرات محیطی )
عوامل تاثیر گذار روی مبدل حرارتی:
شرایط آب و هوایی : حداقل دماي محیط، میزان بارندگی ( باران، برف، تگرگ ) و رطوبت محیط عملیاتی : مجاورت با دریا، صحرا، مناطق قاره اي، 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 هاي لازم و….
اگر محدودیت هاي بسیار زیادي در نظر گرفته شود در آن صورت ممکن است طراحی عملی نباشد که در چنین صورتی لازم است بین پارامترهاي مختلف سنجش و سبک و سنگین انجام شود. طراح مبدل حرارتی و مهندس طراح سیستم باید در این مرحله با همکاري هم بهترین مشخصات را براي سیستم انتخاب کنند.
مشخصات و روش های طراحی مبدل های 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 پارامترهاي زیر دارد:
- (سیالات) گاز یا مایع یا تبخیر یا میعان یک سیال
- دماها و فشارهاي عملیاتی
- جرم گرفتگی، خورندگی و سازگاري سیال با مصالح به کار برده شده
- میزان نشتی مجاز سیستم
- هزینه و تکنولوژي هاي قابل دسترس براي ساخت مبدل حرارتی
سایر عوامل طراحی مبدل های حرارتی
انتخاب آرایش جریان خاص سیال به اثر بخشی مبدل، نوع ساختار مبدل، کانال هاي بالادستی و پایین دستی مبدل، تنش هاي حرراتی مجاز و سایر معیارهاي و محدودیت هاي طراحی بستگی دارد. مسیر قرار گرفتن مبدل حرارتی، محل لوله هاي ورودي و خروجی و موارد دیگر هم ممکن است به وسیله سیستم تعیین شوند که البته می توان با ملاحظه فضاي در دسترس و کانال کشی هاي انجام شده آن ها را اصلاح کرد.
در گام دوم باید هندسه سطح یا مرکزي و مواد سازنده انتخاب شوند. هندسه مرکزي (مثل نوع پوسته، تعداد مجراها، هندسه تیغه ها، بافل ها و سایر موارد) براي مبدل پوسته و لوله انتخاب می شوند در حالی که هندسه سطح براي مبدل صفحه ای، با سطوح پره دار و بازیاب گرما انتخاب میشود.
معیارهاي کمی و کیفی فراوانی براي انتخاب سطح وجود دارد. معیارهاي کیفی براي انتخاب سطح عبارتند از : دما و فشار کارکرد، تجر به و قوه تشخیص طراح، خوردگی، رسوبات و جرم گرفتگی، فرسایش، آلودگی سیال، هزینه، در دسترس پذیري سطوح، ساخت و تولید، ضروریات نگه داري، قابلیت اعتماد و ایمنی.
نکات طراحی مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله
در مورد مبدل هاي حرارتی پوسته و لوله، معیارهایی که براي انتخاب هندسه مرکزي یا طرح بندي مرکزي در نظر گرفته می شود عبارت اند از : عملکرد انتقال حرارت در افت فشار تعیین شده، فشارها و دماهاي کارکرد، تنش هاي فشاري و حرارتی اثر نشست احتمالی بر پروسه، مشخصات خورندگی سیالت، جرم گرفتگی، قابلیت تمیز کاري، مشکلات فرآیندي محدود کننده ( حداقل ارتعاش مجاز ناشی از جریان)، ایمنی، هزینه ساخت و نگه داري 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 اي انتخاب میشود که : رسوب کنندگی بیشتر، فشار بالاتر، خوردندگی بیشتر، ویسکوزیته و ضریب انتقال حرارت کوچکتري داشته باشد.
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 نگهداری، 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 تمیزکاری، مشکلات فرآیندی محدودکننده ( حداقل ارتعاش مجاز ناشی از جریان)، ایمنی، هزینه ساخت و نگهداری 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، خورندگی بیشتر، ویسکوزیته و ضریب انتقال حرارت کوچکتری داشته باشد
