چرا باید راجع به کمپرسور هوا بدانیم؟

کمپرسور هوا (Air Compressor)

 

کمپرسور هوا یا کمپرسور باد یک دستگاه مکانیکی است که به وسیله کاهش حجم هوا، فشار آن را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. این نوع کمپرسور در دسته تجهیزات پنوماتیک قرار دارد و در کاربردهای مختلفی یافت می شود. به همین دلیل تقاضای این نوع کمپرسورها بسیار زیاد است.

عمدتا کمپرسورهای هوا در دو نوع زیر وجود دارند:

• سیلندر پیستونی
• اسکرو

این دو نوع کمپرسور هوا شامل مدل های مختلفی هستند و قادرند از ظرفیت های پایین در حد باد کردن لاستیک دوچرخه و اتومبیل تا ظرفیت های بالاتر صنعتی در تاسیسات و نیروگاه ها پشتیبانی کنند.

بطور کلی کمپرسورهای هوا را می توان در سه رده طبقه بندی کرد:

رده خانگی:

کمپرسورهای هوای رده خانگی در دسته کمپرسورهای سیلندر پیستونی یک مرحله ای قرار دارند. از این رده کمپرسورها به منظور مصارف خانگی مانند باد کردن لاستیک، محصولات بادی و برخی از ابزارهای پنوماتیک مانند تجهیزات منگنه و میخ زن استفاده می شود.

رده حرفه ای:

کمپرسورهای هوا در رده درجه حرفه ای قدرت بیشتر و فشار بالاتری را فراهم می کنند. این رده از کمپرسورها می توانند بصورت های سیلدر پیستونی دو مرحله ای یا اسکرو باشند و قادرند قدرت بیشتری برای راه اندازی همزمان چندین تجهیز پنوماتیک فراهم کنند.

رده صنعتی:

کمپرسورهای هوا رده صنعتی، یک منبع تغذیه قابل اطمینان در کارخانجات، تاسیسات و کاربردهای مختلف مانند روی دکل های نفتی خواهند بود. این رده از کمپرسورهای باد به منظور تامین جریان ثابت هوای فشرده برای مدت زمان طولانی طراحی شده اند. کمپرسورهای این رده با اجزای با کیفیت بالا ساخته می شوند و همچنین امکان شخصی سازی به منظور افزایش بازدهی انرژی، بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان برای کاربردهای مختلف در این رده فراهم می باشد.

 

شرکت بین المللی پاراکس

کالبد شکافی کمپرسور سانتریفیوژ!!!

کمپرسور سانتریفیوژ (Centrifugal Compressor)

 

ویلیس کریر (Willis Carrier) در سال 1920 اولین  کمپرسور سانتریفیوژ تجاری را ابداع نمود و از آن زمان به بعد استفاده از این کمپرسورها در تاسیسات بزرگ رایج شد. این کمپرسورها سیستم های تبرید را در ظرفیت های تبرید 200 تا 10000 کیلووات تغذیه می کنند. عمل تراکم گاز در کمپرسورهای سانتریفیوژ با نیروی گریز از مرکز انجام می شود. از این رو این کمپرسورها برای تراکم مقادیر زیاد گاز مبرد و اختلاف فشارهای کم مناسب هستند. نیروی تراکم در این کمپرسورها به اندازه پروانه و سرعت چرخش آن بستگی دارد.

کمپرسورهای سانتریفیوژ فاقد سیلندر، سوپاپ و پیستون هستند و بنابراین تعداد قطعاتی که روغن کاری لازم داشته باشد در آن ها اندک است. به عنوان مثال در کمپرسورهای بسته فقط یاتاقان های اصلی که نگهدار محور محرک و یاتاقان موتور هستند به روغن کاری نیاز دارند. این کمپرسورها از سیستم روغن کاری تحت فشار استفاده می کنند. روغن تحت فشار توسط پمپ روغن که در مخزن روغن غوطه ور است به یاتاقان ها می رسد. فشار روغن قبل از راه اندازی کمپرسور باید تامین شده باشد، در غیر این صورت یک فشارسنج اختلاف فشار روغن دو طرف یاتاقان را حس کرده و مانع روشن شدن کمپرسور خواهد شد.

موتور کمپرسورهای سانتریفیوژ توسط مبرد مایع یا آب سرد خنک می شود. دور سیم پیچ موتور یک ژاکت (Jacket) خنک کننده قرار دارد. در بعضی سیستم های مبرد مایع بطور ثقلی از اکنومایزر وارد این قسمت می شود و به علت گرمای موتور به جوش آمده و در نتیجه موتور خنک می شود. گاز مبرد سپس به اکنومایزر برگشته و به طرف کمپرسور کشیده می شود. در سیستم های دیگر آب سرد ژاکت دور سیم پیچ موتور می چرخد.

کنترل ظرفیت کمپرسورهای سانتریفیوژ را می توان توسط تغییر سرعت به کمک محرک الکترونیکی فرکانس متغیر انجام داد. تغییر ظرفیت این کمپرسورها را نیز می توان توسط باز و بسته کردن پره های هدایت کننده پروانه (impeller) انجام داد. این پره ها جهت و مقدار جریان گاز مبرد را قبل از ورود به پروانه تغییر می دهند.

روش فشرده سازی گاز در کمپرسور سانتریفیوژ

قطعاتی که در فشرده سازی گاز در کمپرسور سانتریفیوژ شرکت می کنند عبارتند از:

• پروانه
• دیفیوزر

پروانه (Impeller) در کمپرسور سانتریفیوژ

یکی از مهم ترین قطعه در کمپرسورهای سانتریفیوژ، پروانه می باشد که انرژی لازم را از طریق شافت دریافت و به گاز منتقل می کند. پروانه از قطعات زیر تشکیل شده است:

• تیغه Vane
• صفحه Disc
• پوشش Shroud or cover

این انرژی توسط Vane و یا تیغه های موجود بر روی پروانه به گاز انتقال داده شده و باعث افزایش 3 پارامتر زیر در گاز خروجی از پروانه می شود.

• فشار
• سرعت
• دما

هدف استفاده از کمپرسورها افزایش فشار می باشد اما دو عامل ناخواسته دما و سرعت به نوعی عوامل مزاحم در تولید فشار در کمپرسورها به شمار می آیند.

افزایش دما در فرآیند فشرده سازی:

• باعث افزایش حجم گاز
• توان مصرفی اضافی برای فشرده سازی گاز
• محدودیت های پروسسی

افزایش سرعت در فرآیند فشرده سازی:

• ایجاد افت اصطکاکی بیشتر در مسیرهای درون کمپرسور
• افت فشار تولیدی درون کمپرسور
• محدودیت عدد ماخ

دیفیوزر (Diffuser) در کمپرسور سانتریفیوژ

قطعه ای ثابت درون پوسته و اطراف پروانه است که گاز خروجی از پروانه وارد آن شده و سرعت گاز را تبدیل به فشار می کند. به همین دلیل گازی که از دیفیوزر عبور کرده دارای فشار بیشتر از فشار در لحظه خروج از پروانه می باشد.

بسته به طراحی کمپرسور ممکن است گاز خروجی از پروانه به جای دیفیوزر وارد ولوت (Volute) شود، ولولت محفظه حلزونی شکل بوده که در کمپرسورهای تک پروانه و اطراف آن پروانه قرار دارد و همانند دیفیوزر وظیفه آن تبدیل سرعت گاز به فشار می باشد.

تقسیم بندی کمپرسورهای سانتریفیوژ

الف) کمپرسور سانتریفیوژ یکسر گیردار Overhang

در این نوع کمپرسورهای سانتریفیوژ، پروانه در یک طرف محفظه هوزینگ بیرینگ قرار داشته و Casing آن ها معمولا Vertically split (Redial) می باشد. جریان گاز بصورت محوری وارد پروانه و بصورت مماسی خارج می شود. برای بالا بردن نسبت فشار Pressure ratio در آن ها معمولا از گیربکس و یا گرداننده دور بالا استفاده می کنند. نمونه Overhang آن حداکثر برای دو پروانه مورد استفاده قرار می گیرد. معمولا برای تولید Pressure ratio 3 تا 4، مورد استفاده قرار می گیرد ولی برای تولید نسبت های بالاتر فشار، از کمپرسورهای Integral gear استفاده می شود.

در این نمونه برای تبدیل سرعت گاز خروجی از پروانه به فشار، از ولوت یا ولوت به همراه دیفیوزر در اطراف پروانه استفاده می شود. معمولا برای کنترل ظرفیت آن ها از IGV استفاده می شود. علی رغم ارزان بودن این کمپرسورها نسبت به Between bearing، دارای مشکلاتی مثل حساسیت نسبت به بالانس نبودن و Fouling می باشند.

ب) کمپرسور سانتریفیوژ یک مرحله ای Single stage

در این نوع کمپرسورهای سانتریفیوژ امتداد شافتی که چرخنده کوچک بر روی آن نصب است از پوسته گیربکس بیرون آمده و بر روی آن پروانه کمپرسور نصب می شود ودارای دور نسبتا زیاد و ظرفیت نسبتا پایینی می باشند. بازه بهره برداری در این کمپرسورها کم می باشد به همین دلیل باتوجه به استفاده از یک پروانه دارای Pressure ratio نسبتا بالایی می باشند.

ج) کمپرسور سانتریفیوژ چند مرحله ای Multi stage

برای افزایش فشار در کمپرسورهای سانتریفیوژ به دو طریق می توان عمل کرد:

• افزایش دور
• افزایش تعداد مراحل

در کمپرسورهای سانتریفیوژ تک مرحله ای برای دستیابی به افزایش دور، تا حد مشخصی دور را بالا می برند اما چند پارامتر محدود کننده افزایش سرعت، برای دستیابی به فشارهای بسیار زیاد می باشند که عبارتند از:

• مشکل متالوژیکی
• مشکل دما
• محدودیت سرعت گاز
• محدودیت سرعت مماسی

بر اساس دلایل فوق برای دستیابی به فشارهای بیشتر، پس از افزایش دور تا حد مشخصی، از روش افزایش تعداد پروانه استفاده می شود که به دو صورت زیر می باشند:

الف) افزایش تعداد پروانه بر روی یک گیربکس (Integral gear)

این نوع از کمپرسورهای سانتریفیوژ در واقع ترکیبی از چند کمپرسور Overhung می باشد که برای افزایش Pressure ratio و دست یافتن به فشار مورد نظر از دورهای بالا استفاده می کنند. در این کمپرسورها که معمولا پروانه های آن بر روی انتهای شافت یک گیربکس افزاینده دور نصب شده و ممکن است دور همه پروانه ها الزاما یکی نباشد. هر چقدر فشارها افزایش یابد پروانه ها کوچکتر و دورها افزایش می یابد. در این کمپرسورها گاز خروجی از هر پروانه وارد یک ولوت همراه دیفیوزر شده و پس از تبدیل سرعت به فشار در این مرحله، گاز خروجی از پوسته با دمای بالا وارد کولر شده و با خنک شدن، حجم گاز کاهش یافته و وارد پروانه بعدی می شود. روش کنترل ظرفیت در آن ها به وسیله IGV می باشد.

از مزایای این کمپرسورها:

• کاهش توان مصرفی
• دستیابی به فشارهای بالاتر
• افزایش راندمان کمپرسور
• دستیابی به Pressure ratio بالاتر
• ارزان تر بودن نسبت به کمپرسورهای Between bearing هم ظرفیت خود

از معایب این کمپرسورها:

• پیچیده بودن چیدمان اتصالات و Piping
• نگهداری و تعمیر بسیار سخت و وقت گیر بودن آن
• دامنه کارکرد بهره برداری کمتر نسب به Between bearing

ب) افزایش تعداد پروانه در یک Casing (Between bearing)

روش دیگر افزایش فشار، اضافه کردن تعداد پروانه در یک پوسته می باشد ولی محدودیت هایی برای افزایش تعداد پروانه در یک Casing وجود دارد که عبارتند از:

• محدودیت افزایش دمای کارکرد
• محدودیت های ارتعاشی
• محدودیت های فرآیندی
• محدودیت متالوژیکی
• و ...

برای برطرف کردن موارد فوق از ترکیب بندی متفاوت Casing استفاده می شود که برخی از آن ها برای کاهش نیروی محوری مسایل ترمودینامیکی و آیرودینامیکی می باشد.

 

شرکت بین المللی پاراکس

0 تا 100 کمپرسور اسکرو !

کمپرسور اسکرو (Screw Compressor)

 

در سال 1930 نیاز به ساخت کمپرسوری با ظرفیت متوسط و فشار متوسط و پیوسته در حالت های مختلف احساس شد. این کمپرسور فصل مشترک کمپرسور سیلندر پیستونی و سانتریفیوژ بوده و بهترین عملکرد را نسبت به سایر کمپرسورها در این فصل مشترک داشته و بیشتر در سیستم های تبرید مورد استفاده قرار می گیرد.

مزایای کمپرسور اسکرو

• تعمیرات ساده
• هزینه تعمیراتی پایین
• طول عمر بالا
• دارای قطعات کم
• دارای Pressure ratio per stage حدود 14
• وزن و حجم پایین

طراحی فشار خروجی در کمپرسورهای اسکرو از چند میلی بار تا 40 بار و در ظرفیت های تا 1200 مترمکعب در دقیقه بوده و از این نظر بعد از کمپرسورهای سانتریفیوژ قرار دارد. کمپرسور اسکرو در دو نوع خشک و روغنی طراحی و ساخته می شوند.

در سال 1960 کمپرسورهای با سرعت بسیار بالای بدون روغن با پروفیل و شکل جدید روتور رونمایی شد. هر چند که کمپرسورهای سیلندر پیستونی از راندمان بالاتر و توان مصرفی پایین تری نسبت به آن ها برخوردار بود ولی ابعاد کمپرسور اسکرو برای دبی معینی از جریان گاز، کوچکتر و به علت فقدان نیروهای بالانس نشده به فونداسیون سبک و فضای کمتر برای نصب نیاز داشته و لذا هزینه نصب آن کمتر می باشد. کمپرسورهای اسکرو قادرند گازهای چسبناک (Sticky) و قابل پلیمریزاسیون را متراکم نمایند. این گونه سیالات به دلیل وجود ذرات نرم باعث کاهش لقی بین روتورها و نشتی و افزایش راندمان حجمی کمپرسور می گردند.

در کمپرسور اسکرو بیشتر معایب سایر کمپرسورها مرتفع گردیده و دارای سرعتی نسبتا بالاتر، کارآمدتر، کوچک تر، سبک تر، ساده تر و قابلیت اطمینان بیشتری داشته و لرزش، نوسان جریان (Pulsation) متری نسبت به کمپرسورهای سیلندر پیستونی دارند. به علت بالا بودن راندمان آن (حدود 75 تا 85 درصد) در بیشتر موارد بر کمپرسورهای سانتریفیوژ ارجحیت داشته و عملکرد آن ها وابستگی چندانی به جرم مولکولی گاز نداشته و فاقد پدیده موج (Surging) بوده و از نظر اقتصادی در محدوده توان مصرفی 200-1500 اسب بخار، از آن ها ارزانتر می باشند.

کمپرسورهای اسکرو با توجه به حذف معایب کمپرسورهای سیلندر پیستونی، دارای راندمان بالا می باشند. در نوع روغنی نسبت فشار تا 8 قابل دست یابی می باشد. این میزان معمولا در کمپرسور سیلندر پیستونی بسیار مشکل و یا دست نیافتنی است. روتور این کمپرسورها حدود 75 تا 620 میلی متر بوده و میزان دبی آن بین 0.6 تا 600 مترمکعب در دقیقه می باشد. میزان نسبت فشار خروجی به ورودی در نوع خشک حدود 4 و در نوع روغنی تا 25 نیز ممکن است برسد. اختلاف فشار بین ورودی و خروجی در این نوع کمپرسور می تواند از 15 تا 50 بار برسد.

انواع کمپرسورهای اسکرو از نظر وجود روغن در محفظه فشار

بطور کلی این تجهیزات به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:

• نوع خشک یا Oil Free
• نوع روغنی، Oil Flooded یا Oil Injected

کمپرسور اسکرو خشک یا بدون روغن Oil Free

در کمپرسورهای اسکرو از نوع خشک، گاز به تنهایی و بدون روغن وارد محفظه کمپرسور شده و به هیچ عنوان آغشته به روغن نخواهد شد. چرخدنده های تنظیم کننده (Timing Gear) که عمل همزمانی حرکت (Synchronized) و عدم سایش و برخورد روتورها با یکدیگر و انتقال دور از روتور محرک (نرینه) به روتور متحرک (مادینه) را باعث می شود. به دلیل عدم نشت روغن به محفظه فشار، یاتاقان ها و سیستم آب بندی در خارج از  محفظه فشار طراحی و نصب شده اند.

مزایا کمپرسورهای اسکرو بدون روغن:

بخاطر عدم وجود روغن در سیال خروجی تجهیز جذابیت بیشتری برای صنایع داشته و می توان با استفاده از پکیج های چند مرحله ای (Multi-stage) تولید فشار را در این نوع کمپرسورها افزایش داد.

معایب کمپرسورهای اسکرو بدون روغن:

در کمپرسورهای اسکرو بدون روغن به دلیل فقدان روغن و عدم خنک کاری دمای سیال قابل تراکم در حین عملیات فشار بالا رفته و با توجه به نوع گاز نسبت فشار تقریبا حدود 3:1 خواهد شد که این افزایش دمای گاز، احتمال پیچیدگی پوسته و همچنین تماس روتورها با یکدیگر و پوسته را می تواند در بر داشته باشد. لذا مقادیر لقی بین قطعات بایستی به نحوی متناسب پیش بینی شود. معمولا توانایی تولید فشار بالا را نداشته و برای تامین فشار زیاد (بالاتر از 10 بار و 60 مترمکعب) از نوع چند مرحله ای آن استفاده می شود. از دیگر معایب این تجهیزات راندمان کمتر آن ها نسبت به نوع روغنی بوده و به آب بندی مناسبی به منظور جلوگیری از نشتی در آن ها نیاز است.

هزینه یک کمپرسور بدون روغن (به دلیل عملکرد در سرعت بالا) تقریبا ظرفیتی معادل دو برابر هم اندازه خود از نوع روغنی را داشته ولی نیازی به جداکننده روغن از گاز پروسس ندارند. ورودی سیال باید به گونه ای در نظر گرفته شود که احتمال وارد شدن ذرات، گرد و خاک به داخل دستگاه به حداقل برسد. بنابراین وجود یک سیستم ذرات گیری از سیال ورودی الزامی است. از محدودیت کمپرسورهای اسکرو بدون روغن، فشار خروجی کمتر نسبت به نوع Oil-injected یا روغنی است.

کمپرسور اسکرو نوع روغنی Oil-Injected (Flodded)

در این نوع از کمپرسورها مقدار ناچیزی روغن با حجم زیاد گاز وارد محفظه تراکم می شود، هدف استفاده از روغن در این کمپرسورها:

• خنک کردن گاز و کاهش حجم آن
• روانکاری مناسب و سایش کمتر
• ایجاد آب بند بین دو روتور و کاهش فرار گاز در هنگام فشرده سازی
• کاهش دمای گاز در هنگام فشرده سازی
• انتقال قدرت بین دو روتور
• رسیدن به Pressure ratio بالاتر در مقایسه با کمپرسورمشابه غیر روغنی

روغن در کمپرسور اسکرو روغنی نه تنها نقش روان کاری و آب بندی بهتر محفظه تراکم بین روتورها و بدنه را ایفا کرده، بلکه باعث خنک شدن سیال در زمان فشار سازی می شود. لایه روغن موجود بین روتورها اجازه می دهد تا روتور محرک با استفاده از فیلم روغن، روتور متحرک را به چرخش درآورده و نیاز به چرخنده های زمان بندی (Timing Gear) را منتفی نماید. وجود روغن موجب افزایش نسبت تراکم مجاز (بالای 15:1) بدون افزایش دما و باتوجه به نسبت جرمی روغن به گاز (4:1 و حتی بیشتر) باعث افزایش راندمان تجهیز در مقایسه با نوع خشک می گردد. در برخی از کمپرسورها نیز مقدار جزئی سیال تزریق می شود لیکن دارای سیستم جدایش روغن از گاز نمی باشند.

مزایای کمپرسورهای اسکرو روغنی:

• طراحی ساده
• پایین بودن دمای سیال خروجی
• خنک کرد گاز و کاهش حجم آن
• سبک و کم حجم
• روان کاری مناسب و سایش کمتر
• هزینه نگهداری پایین
• نصب آسان
• قطعات متحرک کم
• ایجاد آب بند بین دو روتور و کاهش فرار گاز در هنگام فشرده سازی
• کاهش دمای گاز در هنگام فشرده سازی
• نسبت فشار بالاتر در مقایسه با کمپرسرو مشابه غیر روغنی

معایب کمپرسورهای اسکرو روغنی:

• کاهش راندمان در زمانی که پایین تر از نسبت فشار طراحی کار کند.
• نیاز به تجهیزات جانبی برای جداسازی روغن و برگشت آن به سیستم
• انتقال روغن در سیال خروجی
• محدودیت فشار خروجی در طراحی های یک مرحله ای
• محدودیت استفاده در فشار متوسط (کمتر از 10 بار) و دبی متوسط (تا 1000 مترمکعب بر ساعت)
• بیشترین اتلاف انرژی در تغییر وضعیت بی بار (Unloading) و بالا بودن صدا

سیستم آب بند در کمپرسور اسکرو

در هر مرحله وجود دارد و معمولا از سه نوع آب بند لابیرنت، حلقه های فشار شکن و آب بند مکانیکی، که در طراحی طبق استاندارد API619 نوع آن مشخص می شود، در این کمپرسور استفاده شده است. نوع لابیرنت معمولا برای سیال هوا پیشنهاد شده است. برای سیال نیتروژن یا سایر گازهای خنثی نوع لابیرنت و حلقه های فشار شکن توصیه می شود. محدوده دما و فشار برای این نوع آب بندی 175 درجه سانتیگراد و 10 بار می باشد. برای فشار بالای 45 بار و دمای بالای 175 درجه سانتیگراد از مکانیکال سیل (آب بند مکانیکی) با سیال محافظ روغن استفاده می شود.

نحوه فشرده سازی گاز در کمپرسور اسکرو

مرحله اول:

سیال به داخل قسمت روتورها کشیده می شود و فضای بین مارپیچ ها را پر می کند. این قسمت مانند مرحله مکش در کمپرسورهای سیلندر پیستونی می باشد.

مرحله دوم و سوم:

هنگامیکه سیال وارد قسمت فشرده سازی شد با چرخش روتورها حجم آن کاهش و بنابراین فشار افزایش می یابد. این کم شدن حجم تا قسمت تخلیه سیال ادامه تا فشار به مقدار دلخواه برسد.

مرحله چهارم:

گاز فشرده به بیرون کمپرسور جریان می باید.

دامنه کاربرد کمپرسور اسکرو

این تجهیزات اساسا برای تولید هوا در صنایع لوازم خانگی، غذایی، دارویی و صنایع شیمیایی و پتروشیمی و سیستم های تهویه غیر صنعتی طراحی و ساخته شده و اغلب در سرویس سیالات مبرد، هوا و گازهای سوختی در صنایع کاربرد فراوان داشته و قادرند با سیالاتی مثل بخار خشک، گازها و مخلوط های چند فازی کار کنند.

ساختار کمپرسور اسکرو

این کمپرسور از خانواده جابجایی مثبت بوده که دارای ساختاری ساده و مشتمل بر یک بدنه که تنها دو روتور با شیارهای مارپیچی ماشین کاری شده و با فضای بسیار محدود، که این فضا در طول روتور با بدنه کاهش یافته و باعث تراکم گاز می شود.

معمولا جنس پوسته کمپرسور اسکرو از چدن خاکستری می باشد و مجرای ورودی و خروجی گاز در قسمت بالا و پایین پوسته و در مقابل هم قرار داشته و با استفاده از دوران دو روتور نر و ماده عمل فشرده سازی سیال انجام می پذیرد. هر دو روتور در کنار یکدیگر در داخل یک پوسته قرار گرفته و جهت گردش آن ها مخالف یکدیگر است. حرکت دورانی بوسیله یک محرک اصلی مثل الکتروموتور به روتور نر و سپس به روتور ماده انتقال می یابد.

پارامترهای موثر در میزان فشار و ظرفیت کمپرسورهای اسکرو

• طول روتور (موثر بر فشار)
• قطر روتور (موثر بر ظرفیت)
• دور کمپرسور (موثر بر ظرفیت)
• زاویه پیچش لوب ها (موثر بر فشار و ظرفیت)

سیستم یاتاقان بندی روتورها در دستگاه های نوع سنگین هیدرودینامیک یا لغزشی (شعاعی و محوری) و در نوع سبک غلتشی می باشد. انتخاب چند مرحله بودن کمپرسور باتوجه به دمای خروجی گاز و محدوده اختلاف فشار تعیین می شود.

در طراحی کمپرسور اسکرو اختلاف فشار بین سیال خروجی و ورودی عامل بسیار مهمی است. چون اگر از محدوده مجاز بالاتر باشد باعث خمش در روتورها و آسیب رسانی به تجهیز می شود. مقدار مجاز معمولا بین 0.7 تا 10 بار است ولی اکثر طراحان با تغییر طول روتورها آن را تا 14 بار رسانده اند. تغییر دور و سرعت این تجهیزات با استفاده از محرک هایی مثل توربین بخار یا گاز یا موتورهای الکتریکی قابل تغییر است. این کنترل دور معمولا باعث افزایش کنترل سیستم لوله بای پاس و دامنه تغییرات جریان و انعطاف پذیری تجهیز در هنگام راه اندازی خواهد شد. لوله خارجی بای پاس برای چرخاندن سیال از قسمت خروجی به ورودی یا اتمسفر (در سیال هوا) در اطراف تجهیز قرار گرفته است.

 

شرکت بین المللی پاراکس

 

DNA کمپرسور سیلندر پیستونی رو در این مقاله بشناس!

کمپرسور سیلندر پیستونی (Reciprocating Compressor)

 

معمولی ترین کمپرسورهایی که در حال حاضر در تاسیسات تبرید و تهویه مطبوع به کار می روند کمپرسورهای سیلندر پیستونی هستند. این کمپرسورها را رفت و برگشتی، ضربه ای و متقارن نیز می نامند. سیلندر این کمپرسورها ممکن است یک عدد و یا بیشتر باشد. سیلندرها در کمپرسورهای چند سیلندر به یکی از شکل های V، W، شعاعی یا خطی استقرار می یابند. کمپرسورهای دو و سه سیلندر معمولا خطی و کمپرسورهای چهار سیلندر یا بیشتر شعاعی ساخته می شوند و الگوی آنها V شکل یا W شکل است. سیلندرها را بیشتر از آلیاژ چدن-نیکل می سازند. سطح داخل سیلندرها باید کاملا صاف و صیقلی باشد. برای خنک نمودن سیلندر، بعضی مواقع جدار بیرونی آن را به صورت پره در می آورند تا انتقال حرارتی بهتری با محیط خارج داشته باشد.

اجزای تشکیل دهنده کمپرسور سیلندر پیستونی

الف) پیستون ها

شکل ظاهری پیستون ها استوانه ای می باشد ولی در بعضی از مواقع به علت انبساط، مقطع آن کاملا دایره ای نمی باشد. جنس پیستون ها بیشتر از چدن بوده که سطح آن را به دقت تراشکاری و پرداخت نموده اند. در روی پیستون شیارهایی برای قرار گرفتن رینگ به وجود می آورند. رینگ های روغن از چدن ساخته می شوند و کاملا جذب شیار روی پیستون می باشند و برای این منظور دو سر رینگ را به شکل مخروطی در می آورند. همچنین تلرانس بین سیلندر و پیستون بسیار ناچیز می باشد و آن را در حدود 0.0002 اینچ به ازای هر اینچ قطر پیستون در نظر می گیرند. در این پیستون ها در هر سیکل کامل فقط یک بار گاز فشرده می شود.

سیکل چهار زمانه پیستون به شرح زیر است:

1. مبرد پس از خارج شدن از اواپراتور از طریق لوله مکش به کمپرسور می رسد و وقتی پیستون به سمت پایین حرکت می کند، گاز مبرد از طریق سوپاپ مکش وارد سیلندر می شود. (مرحله دریافت)

2. پیستون به سمت بالا حرکت کرده و شروع به متراکم کردن گاز مبرد می نماید به طوری که حجم گاز مبرد کاهش یافته و فشار آن بالا می رود. 

3. در انتهای کورس پیستون، گاز مبرد از سوپاپ دهش خارج شده و از طریق لوله خروجی به کندانسور می رود. (مرحله تخلیه)

4. پیستون حرکت خود به سمت پایین را آغاز کرده و سیکل دوباره از سر گرفته می شود. (مرحله انبساط مجدد)

ب) شاتون

در کمپرسور سیلندر پیستونی، شاتون، قطعه ارتباط دهنده پیستون به میل لنگ است و حرکت دورانی میل لنگ را به حرکت رفت و برگشتی پیستون تبدیل می کند. شاتون معمولا از فولاد ساخته می شود. یک انتهای شاتون با گِژِن پین به پیستون متصل می شود و انتهای دیگر آن با میل لنگ درگیر است. فاصله آزاد بین میل لنگ و یاتاقان متحرک حدودا 0.001 اینچ می باشد. دسته های شاتون غالبا دو پارچه ساخته می شوند و توسط پیچ و مهره با یاتاقان متحرک و میل لنگ مرتبط می شوند.

ج) میل لنگ

در کمپرسورهای سیلندر پیستونی، وظیفه میل لنگ، تبدیل حرکت دورانی موتور به حرکت رفت و برگشتی پیستون است. میل لنگ معمولا از آهن با کربن متوسط ساخته می شود. تکیه گاه میل لنگ یاتاقان های ثابت انتهای آن می باشد و در محل اتصال شاتون به میل لنگ از یاتاقان های متحرک استفاده می شود. جنس این یاتاقان ها بسیار سخت بوده و از مس، برنز و یا آلیاژهای سرب ساخته می شوند که علاوه بر استحکام دارای خللی هستند که روغن بتواند به درون یاتاقان نفوذ کند. لنگ میل لنگ را هم می توان بصورت صفحه چدنی خارج از مرکز و هم می توان بصورت صفحه بادامک شکل تامین کرد.

د) سوپاپ های سیلندر

سوپاپ های مکش و دهش سیلندر بر اساس اختلاف فشار بین داخل سیلندر و فشار در لوله مکش یا دهش کار می کنند. سوپاپ مکش زمانی باز می شود که مرحله پایین رفتن پیستون شروع شده است و در آن زمان فشار سیلندر از فشار در لوله مکش کمتر است. هنگام بالا رفتن پیستون فشار سیلندر افزایش می یابد و سوپاپ مکش بسته می شود. با بالاتر رفتن پیستون فشار بیشتر شده و هنگامی که فشار سیلندر بیشتر از فشار لوله خارجی شود، سوپاپ دهش باز شده و اجازه می دهد گاز به داخل لوله خروجی جریان یابد.

انواع کمپرسورهای سیلندر پیستونی

کمپرسورهای سیلندر پیستونی به دو نوع اصلی تک اثره (Single acting) و دو اثره (Double acting) تقسیم می شوند. کمپرسورهای سیلندر پیستونی Single acting کمپرسورهایی هستند که در آن ها تراکم گاز صرفا در یک طرف پیستون انجام می شود. در این نوع از کمپرسورهای سیلندر پیستونی، پیستون در حالت بالا رفتن گاز را متراکم می کند اما در موقع پایین آمدن، گازی متراکم نمی شود. در این کمپرسورها پیستون مستقیما بوسیله شاتون به حرکت در می آید و میل لنگ و شاتون در محفظه ای که از بیرون آب بندی شده اند قرار دارند.

در مقابل کمپرسورهای سیلندر پیستونی Single acting، کمپرسورهای سیلندر پیستونی Double acting وجود دارند که در آن ها با هر حرکت رفت و برگشت پیستون گاز دو بار فشرده می شود. این نوع از کمپرسورهای سیلندر پیستونی، دارای دو سوپاپ ورودی و دو سوپاپ خروجی هستند. هنگامی که پیستون به سمت چپ حرکت می کند، سوپاپ ورودی سمت راست باز شده و گاز به سمت راست سیلندر وارد می شود. با حرکت پیستون به این سمت، گاز در طرف راست پیستون فشرده می شود. با رسیدن پیستون به انتهای سمت راست، سوپاپ خروجی سمت راست باز شده و گاز پر فشار به بیرون رانده می شود. پس از تخلیه گاز پر فشار، سوپاپ خروجی سمت راست بسته و سوپاپ ورودی سمت چپ باز می شود.

با باز شدن سوپاپ ورودی سمت چپ و حرکت پیستون به این سمت، این بار گاز کم فشار وارد قسمت چپ سیلندر شده و عمل فشرده سازی در سمت چپ پیستون انجام می گیرد. به این ترتیب با هر عمل رفت و برگشت پیستون در داخل سیلندر، دوبار عمل فشرده سازی انجام می گیرد.

روغن کاری در کمپرسور سیلندر پیستونی

یاتاقان ها، سیلندرها، پیستون ها و سایر قطعات متحرک کمپرسور سیلندر پیستونی نیاز به روغن کاری دارند. همچنین روغن به عنوان یک درزبند عمل می کند و فاصله بین پیستون و دیواره سیلندر را آب بندی می کند. بطور معمول کمپرسورهای کوچک و از نوع باز از سیستم روغن کاری تغذیه پاششی (Splash feed) استفاده می کنند. در این روش وقتی میل لنگ می چرخد با روغن کارتل تماس پیدا کرده و آن را به یاتاقان ها، دیواره سیلندر و سایر قطعاتی که با سطح تماس دارند می پاشد. کمپرسورهای سیلندر پیستونی بزرگتر، سیستم روغن کاری تحت فشار دارند. در این سیستم میل لنگ با خود یک پمپ جابجایی مثبت را می گرداند که قطعات متحرک را روغن کاری می کند. در این روش تنظیم فشار روغن توسط یک رگولاتور انجام می شود.

کنترل ظرفیت در کمپرسور سیلندر پیستونی

روش های مختلفی برای کنترل ظرفیت کمپرسورهای سیلندر پیستونی متناسب با اندازه و کاربرد کمپرسور وجود دارد که در زیر توضیح داده شده اند:

1. کنارگذر گاز داغ (hot gas bypass): در این نوع روش کنترل ظرفیت از یک شیر مغناطیسی (solenoid valve) در خط کنارگذر استفاده می شود. هنگامی که فرمان کاهش بار صادر می شود، شیر باز شده و قسمتی از گاز داغ به لوله مکش کمپرسور بر می گردد و باقیمانده گاز مبرد به کندانسور می رود. این عمل ظرفیت کمپرسور را به نسبت گاز کنارگذر کاهش می دهد. این روش کنترل ظرفیت، انرژی مصرفی را به حداقل می رساند.

2. کنارگذر سیلندر: در این نوع کنترل نیز از یک شیر مغناطیسی روی خط کنار گذر استفاده می شود. این شیر که توسط فشار یا دما کنترل می شود با فرمان کاهش بار باز می شود. در این روش گاز خروجی از سیلندر دوباره به خط مکش کمپرسور برگشته و در آنجا با گاز ورودی مخلوط می شود. تا زمانی که فشار مکش از فشار تنظیم این شیر مغناطیسی کمتر باشد این روند ادامه می یابد و هنگامی که فشار مکش بالا رفته و به نقطه تنظیم شیر برسد، شیر بسته شده و کمپرسور به ظرفیت کامل می رسد. در این روش یک شیر یکطرفه در لوله خروجی مانع از بازگشت گاز فشار بالا به سیلندری که کنار گذاشته شده می شود.

3. بی بار کردن سیلندر (cylinder unloader): مکانیزم بی بار کردن سیلندر در کمپرسورهای سیلندر پیستونی ممکن است الکتریکی، مکانیکی یا هیدرولیکی باشد. اگر بار ساختمان کاهش پیدا کند و درخواست برای تبرید در اواپراتور کم شود، فشار مکش نیز کاهش پیدا می کند. در این شرایط محرک (Actuator) که با اختلاف فشار بین فشار مبرد در مکش و فشار محیط کار می کند، این کاهش فشار را حس کرده و فشار روغن به مکانیزم هیدرولیکی را کم می کند (اگر مکانیزم بی بار کردن سیلندر هیدرولیکی باشد). این مکانیزم سوپاپ مکش سیلندر را باز کرده و به همین حالت می ماند تا فشار روغن دوباره افزایش یابد. پیستون به چهار مرحله کار خود ادامه می دهد ولی از آنجا که سوپاپ مکش در حالت باز است، گاز در هنگام بالا آمدن پیستون متراکم نشده و گاز مبرد به لوله مکش بر می گردد و در همین حال چون فشار داخل سیلندر از فشار لوله خروجی بیشتر نمی شود، سوپاپ دهش در حالت بسته باقی می ماند. اگر بار ساختمان و در نتیجه فشار مکش همچنان کاهش یابد، محرک، سوپاپ ها و مکانیزم بی بار کننده با هم عمل کرده و سیلندر بعدی را بدون بار می کنند و بنابراین در حالت بار جزئی (partial load) تمام سیلندرها عمل متراکم کردن گاز مبرد را انجام نداده و به حالت خلاص کار می کنند و در نتیجه توان مصرفی کاهش می یابد. اکنون هرگاه بار ساختمان افزایش پیدا کند، این افزایش توسط ترموستات اتاق حس شده و در نتیجه مبرد بیشتری وارد اواپراتور می شود و فشار مکش را افزایش می دهد. محرک این افزایش را حس کرده و فشار روغن مکانیزم هیدرولیکی بی بار کننده را افزایش داده و سوپاپ مکش برای انجام کار عادی خود بسته می شود. با حرکت پیستون به سمت پایین سوپاپ مکش باز شده و گاز مبرد بیشتری وارد سیلندر می شود تا هنگامی که فشار مکش و فشار داخل سیلندر برابر شوند که در این حالت سوپاپ بسته شده و پیستون به سمت بالا آمده و مبرد را متراکم می کند.

4. کنترل سرعت: چهارمین روش کنترل ظرفیت کمپرسورهای سیلندر پیستونی تغییر سرعت آن ها از طریق تغییر دادن سرعت محرک آن ها است. معمولا از دو سرعت استفاده می شود و کمپرسور یا با ظرفیت کامل و یا با ظرفیت 50% بار کامل کار می کند. چنانچه محرک کمپرسور یا موتور با دو سیم پیچی مجزا باشد می توان چهار محرک سرعت داشت. در این صورت انرژی با توان سوم ظرفیت کاهش می یابد.

 

شرکت بین المللی پاراکس

 

کمپرسور اسکرال چیست و چه کاربردی دارد؟

کمپرسور اسکرال (Scroll Compressor)

 

تاریخچه کمپرسور اسکرال به سال 1905 میلادی در فرانسه بر می گردد ولی از نیمه های سال 1980 کاربرد فراوانی در زمینه تهویه مطبوع و دستگاه های سرد کننده پیدا کرده است.

کمپرسور اسکرال یا فرفره ای یکی از انواع کمپرسورهای جابجایی مثبت نوع دورانی بوده که دارای حرکتی خارج از محور می باشد و تمامی قطعات آن در یک پوسته جوش شده (هرمتیک) قرار دارد. عمل فشرده سازی توسط دو مارپیچ (حلزونی یا پیچ ارشمیدسی) ثابت (بدنه) و متحرک (پروانه) انجام شده که این دو با اختلاف 180 درجه نسبت به یکدیگر در داخل هم نصب می شوند. محفظه یا شل از دو بخش فشار بالا با حجمی کم و فشار پایین با حجمی زیاد تشکیل شده است. در قسمت فشار پایین، مخزن و پمپ روغن، هیتر، الکتروموتور، کوپلینگ و مارپیچ ها قرار گرفته و در بخش پر فشار فقط یک نوسان گیر و لرزش گیر و کاهنده صدا وجود دارد.

در کمپرسور اسکرال، معمولا روغن که در کف پوسته قرار داشته توسط یک پمپ روغن از طریق محور الکتروموتور (محور الکتروموتور سوراخی راه بدر در امتداد طول خود داشته) روغن را به یاتاقان های پایینی، میانی و بالایی می رساند. در بالای سطح روغن، گاز مایع از طریق مجرای ورودی وارد و فضای دور الکتروموتور را پوشانده و وارد مارپیچ ها می شود. این تغییر حجم (از لوله ورودی به فضای دور الکتروموتور) باعث افت فشار گاز شده و مایع تبدیل به گاز می شود.

از آنجایی که مقداری گاز وارد روغن شده یک گرم کننده (هیتر) در کف مخزن روغن تعبیه شده که بطور اتوماتیک و به هنگام خاموش بودن تجهیز در سرویس قرار گرفته و گاز را به جوش می آورد. در هنگام کار، گرمای حاصل از کار کردن الکتروموتور به بخار شدن گاز کمک بیشتری می کند. گاز محبوس شده در محفظه های فشار بین مارپیچ ها در هنگام خاموش بودن تجهیز به طور خودکار به سمت محفظه ورود گاز رفته و این عمل به راه اندازی بدون بار دستگاه کمک شایانی می نماید. برای جلوگیری از لرزش دستگاه از وزنه های تعادلی استفاده شده و همین امر باعث پایین بودن لرزش کمپرسور اسکرال شده است.

سیستم یاتاقان بندی کمپرسور اسکرال بگونه ای است که نیروهای شعاعی در مارپیچ متحرک و الکتروموتور توسط یاتاقان های بین مارپیچ ها خنثی می شود.

 

سیستم آب بندی کمپرسور اسکرال

بطور کلی دو نوع نشتی در این تجهیزات وجود دارد:

1. محوری: این نشتی از بین سر تیغه یکی از مارپیچ ها با کف مارپیچ مقابل بوجود آمده که با استفاده از گرافیت نرم سعی در کم کردن این فواصل نموده و باعث تقریبا حذف این نشتی شده است.

2. شعاعی: این نشتی از بین دو سطح تماس تیغه های مارپیچ بوجود آمده که با ماشینکاری بسیار دقیق و در حد میکرون، به حداقل رسیده است.

نحوه عملکرد کمپرسور اسکرال

بعد از نصب مارپیچ ها، بعضی از سطوح داخلی و خارجی آن ها به یکدیگر مماس شده و فضاهایی در بین آن ها بوجود می آید. حجم این فضاها به سمت مرکز کوچکتر می شود و زمانیکه مارپیچ متحرک شروع به حرکت خارج از محور خود می کند، سیال را از قسمت ورودی که در بالای محفظه تعبیه شده به داخل مکیده و در فضای بین دو مارپیچ حبس و با تداوم حرکت و در طول مسیر مارپیچ ها حجم کاهش پیدا کرده (همواره با کاهش مداوم فضا، حجم معینی از سیال را فشرده می سازد)، سیال فشرده شده و در انتهای مسیر نهایتا به سمت مرکز مارپیچ انتقال و از طریق دریچه خروجی خارج می شود. این حرکت خارج از مرکزی باعث شده تا قسمت های مارپیچی تشکیل دهنده فشار، دارای تعادل شعاعی باشند. به دلیل اینکه این فرآیند عاری از هرگونه تغییرات گشتاوری است، کمپرسورهای اسکرال عملکردی تقریبا آرام، بدون صدا، بدون لرزش و پایدار دارند و با کمپرسورهای سیلندر پیستونی قابل مقایسه نیستند.

دامنه کاربرد کمپرسور اسکرال

باتوجه به مزایای کمپرسورهای اسکرال نسبت به کمپرسورهای سیلندر پیستونی و بازده حجمی بیشتر نسبت به سایر کمپرسورها، استفاده از آن ها گسترده تر شده و تا قدرت های 10 کیلووات در صنایع خانگی و اتومبیل سازی و تبرید مورد استفاده قرا می گیرد.

بخشی از موارد استفاده کمپرسورهای اسکرال:

• تهویه مطبوع خانگی
• سیستم تهویه مطبوع اتومبیل ها
• سیستم کنترل پروسسی
• سیستم پنوماتیک
• آزمایشگاه ها
• و ....

مزایای کمپرسور اسکرال

• بالانس بودن
• لرزش و صدای پایین
• راندمان بالا
• کارکرد بدون روغن
• تعداد قطعات کم
• حذف شیرهای ورودی و خروجی
• تولید فشار 10 الی 15 بار در نوع یک مرحله ای
• سایش کمتر نسبت به سایر کمپرسورهای جابجایی مثبت
• میزان Pulsation بسیار پایین (نوسانات خروجی کمتر است)

محدودیت های استفاده از کمپرسور اسکرال

• محدودیت در تولید فشارهای بالا
• در ظرفیت بالا به دلیل افزایش قطر مارپیچ مشکلاتی ایجاد می گردد.
• محدودیت تک مرحله ای در میزان نیروی سانتریفیوژ وارد به Scroll

 

شرکت بین المللی پاراکس

مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار چیست و چه کاربردی دارد؟

مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide Gap Plate Heat Exchanger)

 

مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide gap)، فضای  جریان بزرگتری را برای جاری شدن و کنترل سیالات حاوی الیاف یا ذرات و یا با گرانروی بالا (ویسکوزیته بالا) فراهم می کند که مبدل های صفحه ای واشردار معمول در این کاربری مسدود می شوند یا نمی توانند به طور رضایت بخشی عمل کنند. محل ورود سیال به مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide gap) به گونه ای طراحی شده است (smooth port design) که الیاف از محل ورودی مبدل حرارتی به راحتی عبور کرده و در آنجا گیر نکنند.

در این نوع مبدل حرارتی، حداکثر فاصله بین صفحات 16 میلی متر می باشد و عمل آب بندی بین صفحات توسط واشر، صورت می گیرد. در مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (wide gap) الگوی روی صفحات موجب افزایش میزان سطح موثر انتقال حرارت و در نتیجه افزایش ضریب انتقال حرارت می شود. همچنین مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide gap) در مقایسه با سایر مبدل های حرارتی صفحه ای میزان افت فشار کمتری دارد.

 

مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار ((Wide gap برای سیالات ویسکوز یا الیافی و یا حاوی ذرات، مناسب هستند. بطور مثال در مصارف گرمایش مواد اولیه چسبناک و شربت قند برای آبمیوه، خنک کردن مواد سفید کننده در کارخانه های کاغذ و پالپ، سالم سازی (sanitization) دوغاب رشته دار محصولات غذایی کاربرد دارد. در مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide gap)، شکاف های گسترده بین صفحات باعث می شود تا الیاف و ذرات به راحتی و با حداقل گرفتگی، از مبدل حرارتی عبور کنند.

مبدل های حرارتی فاصله دار (Wide gap) دارای بازدهی حرارتی بسیار بالاتر و هندسه جریان بهتری نسبت به یک گزینه ی معمول مانند مبدل حرارتی پوسته و لوله است.

مزایای استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide Gap)

• ابعاد جمع و جور
• میزان تبادل حرارت بیشتر به لطف جریان مخالف (Counter current flow)، دمای سیال طرف سرد در این مبدل حرارتی می تواند تا دمای نزدیک به دمای ورودی سیال طرف گرم، افزایش پیدا کند.
• افزایش تولید، در مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide gap)، فواصل زمانی سرویس کاری در این نوع مبدل حرارتی به دلیل اینکه گرفتگی به حداقل می رسد، افزایش می یابد.
• انعطاف پذیری، با تنظیم مجدد صفحات، متناسب با شرایط جدید کاری، می توان عملکرد مبدل حرارتی را به راحتی بهینه کرد.

ساختار کانال جریان در مبدل حرارتی صفحه ای فاصله دار (Wide gap)

ساختار کانال جریان در این نوع مبدل حرارتی از بسیاری جهات قابل پیکربندی می باشد. کانال های جریان در این نوع مبدل حرارتی می تواند به صورتwide/wide gap  یا wide/narrow gap باشد. تصاویر زیر نمای مقطع دو پیکربندی متفاوت را نشان می دهد.

1. مقطع Single sided Wide Gap

در این مقطع، یک کانال پهن (A) برای عبور سیال الیافی (یعنی حاوی الیاف) و یک کانال (B) به منظور عبور سیال غیر الیافی، تعبیه گردیده است.

       

 

2. مقطع Double sided Wide Gap

در این مقطع، هر دو کانال (C) به منظور عبور سیال الیافی تعبیه گردیده است.

 

منابع:

 

https://www.alfalaval.com/products/heat-transfer/plate-heat-exchangers/gasketed-plate-and-frame-heat-exchangers/widegap/

 

https://paraxcompany.com/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c-%d8%b5%d9%81%d8%ad%d9%87-%d8%a7%db%8c-%d9%81%d8%a7%d8%b5%d9%84%d9%87-%d8%af%d8%a7%d8%b1/

 

https://pdf.directindustry.com/pdf/alfa-laval/wide-gap-plate-heat-exchanger/16602-133161.html

              

چرا مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)؟؟؟

مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger)

مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل ارزان قیمت و مقرون به صرفه بودن، یکی از پرکاربردترین انواع مبدل های حرارتی به شمار می آید و دارای متنوع ترین شکل ها، در بین سایر مبدل های حرارتی می باشد. مبدل های حرارتی پوسته و لوله  می توانند برای فشارهای زیاد سیال در سمت پوسته و اختلاف فشار زیاد بین جریان های سیال سرد و گرم، طراحی شوند. همچنین در مقایسه با سایر مبدل های حرارتی، نسبت های بزرگتری از سطح انتقال حرارت نسبت به حجم و وزن را فراهم می آورند در نتیجه ابعاد بسیار بزرگتری نسبت به انواع صفحه ای دارند.

مبدل حرارتی پوسته و لوله متشکل از تعدادی لوله (Tube) است که درون یک پوسته استوانه ای شکل (Shell) به صورت موازی با محور پوسته، سوار شده اند. یک سیال از درون لوله ها جریان می یابد و سیال دیگر از خارج و اطراف لوله ها بصورت متقاطع جریان دارد و بدین ترتیب تبادل حرارت صورت می پذیرد. در مبدل حرارتی پوسته و لوله سیالات می توانند تک یا دو فاز باشند و همچنین با آرایش های جریان موازی (parallel flow) یا جریان مخالف (counter flow) جریان داشته باشند.

                                   

 

اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله از چهار قسمت عمده تشکیل شده است:

• Front Header: قسمتی است که سیال وارد لوله مبدل حرارتی می شود. از این قسمت بعضا به عنوان Header ثابت یاد می شود.
• Rear Header: قسمتی است که سیال داخل لوله از مبدل حرارتی خارج می شود یا قسمتی که در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای چند گذر، سیال به Front Header بازمی گردد.
• دسته لوله ها: این قسمت شامل لوله ها، صفحه لوله ها، بافل ها و میله های نگهدارنده بافل ها است.
• پوسته

انواع پوسته در مبدل حرارتی پوسته و لوله

انواع متعدد پوسته و انواع هدرهای جلویی و عقبی توسط انجمن سازندگان مبدل های حرارتی لوله ای TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) استاندارد شده اند. آن ها با حروف الفبای انگلیسی معرفی می شوند.

رایج ترین انواع پوسته های بکار رفته در مبدل های حرارتی پوسته و لوله به شرح زیر است:

• نوع E: یک گذر پوسته
• نوع F: دو گذر پوسته با بافل افقی
• نوع G: یک جریان تقسیم شونده به دو نیم
• نوع H: دو جریان تقسیم شونده به دو نیم
• نوع J: جریان تقسیم شده (جریان ترکیبی برای چگالنده)
• نوع K: ریبویلر نوع کتری مانند
• نوع X: جریان متقاطع

پوسته نوع E بدلیل ارزانی و سادگی، رایج ترین نوع پوسته است. سیال در این پوسته از یک انتها وارد می شود و از انتهای دیگر خارج می گردد. در این طرح لوله های مبدل حرارتی پوسته و لوله می توانند یک یا چند گذر داشته باشند و توسط بافل های عرضی عمود بر لوله ها، نگه داشته شوند. این پوسته ها رایج ترین نوع، برای کاربرد سیال یک فاز در پوسته می باشند. با یک گذر لوله، جریان مخالف جهت می تواند حاصل شود.

برای افزایش اختلاف دماهای موثر و در نتیجه افزایش کارایی مبدل حرارتی پوسته و لوله، آرایش مخالف جهت، برای یک مبدل حرارتی دارای دو گذر لوله مطلوب است. این آرایش با استفاده از پوسته نوع F که دارای یک بافل طولی است بدست می آید که نتیجتا دو گذر پوسته حاصل می گردد. این آرایش هنگامی که نیاز باشد تا گذرهای پوسته که هر کدام یک واحد تلقی می گردد، بصورت سری قرار گیرند، استفاده می شود. در شرایط یکسان، افت فشار در پوسته نوع F بسیار بیشتر از افت فشار در پوسته نوع E است.

سایر انواع مهم پوسته ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله، نوع J و نوع X هستند. در پوسته J با جریان تقسیم شده، سیال ورودی در وسط قرار داده شده و به دو قسمت تقسیم می شود. یک نازل در وسط لوله ها و دو نازل در نزدیکی دو انتهای لوله ها قرار دارند. این پوسته دارای کاربردهایی با افت فشار کم طراحی، مانند چگالنده در خلا نسبی است، زیرا پوسته J در شرایط یکسان، تقریبا دارای 1/8 افت فشار پوسته E می باشد. هنگامی که این پوسته برای سیال در حال چگالش در سمت پوسته استفاده شود، دو ورودی برای بخار و یک خروجی مرکزی برای چگالیده وجود خواهد داشت.

پوسته نوع X دارای ورودی و خروجی قرار گرفته در وسط و معمولا دارای توزیع کننده گنبدی شکل می باشد. سیال ورودی در این نوع پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله، روی تمامی طول لوله ها پخش می شود و با آن ها آرایش جریان متقاطع می سازد. هیچگونه بافلی در این پوسته استفاده نشده است. در نتیجه افت فشار، بسیار کم است. این پوسته برای چگالنده های خلاء و گازهای کم فشار استفاده می شود.

پوسته های دارای جریان تقسیم شونده به دو نیم، مانند پوسته G و پوسته H برای کاربردهای خاص مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می شوند. پوسته G، با تقسیم جریان به دو نیم، دارای بافل افقی می باشد که دو انتهای آن ها برداشته شده است. نازل های ورودی و خروجی با زاویه 180 درجه در وسط لوله ها هستند. پوسته G دارای همان افت فشار پوسته E است، ولی ضریب متوسط لگاریتمی اختلاف دما (LMTD) و در نتیجه کارایی مبدل حرارتی پوسته و لوله، برای همان مساحت سطح و همان نرخ جریان بیشتر است. پوسته G می تواند برای جریان های یک فاز استفاده شود. ولی اغلب به عنوان ترموسیفون افقی استفاده می گردد. در این مورد، بافل طولی، از جریان سریع اجزای سبک تر سیال در پوسته جلوگیری می کند و موجب اختلاط بیشتر آن می گردد.

پوسته H که دارای دو ورودی با تقسیم جریان به دو نیم است، مشابه پوسته G می باشد ولی این پوسته دارای دو نازل خروجی و دو بافل افقی است.

پوسته K، ریبویلر کتری مانند است که دارای یک دسته لوله در کف پوسته و فضای بدون لوله در بالای آن است. این پوسته وقتی استفاده می شود که نیاز است بخشی از جریان ورودی به مبدل تبخیر شود و بخار، به ستون تقطیر وارد گردد. مایع تغذیه از نازل نزدیک صفحه لوله، وارد پوسته می شود، بخار تقریبا خشک از نازل بالایی خارج می گردد و مایع تبخیر نشده، از سر ریز انتهایی، سر ریز می شود و از طریق نازل سمت راست خارج می گردد. دسته لوله عموما دارای ترکیب لوله U شکل می باشد.

انواع دسته لوله ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله

مهم ترین اهداف طراحی در نظر گرفتن انبساط حرارتی، تمیز کاری آسان و یا در صورتیکه سایر جنبه ها مهم نباشند، ایجاد کمترین هزینه ساخت می باشد.

نوعی از طراحی که امکان انبساط حرارتی مستقل لوله ها و پوسته ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله را فراهم می آور، لوله U شکل می باشد. بنابراین در این نوع طراحی، انبساط حرارتی می تواند وجود داشته باشد و محدود نیست. لوله U شکل دارای کمترین هزینه ساخت است زیرا فقط به یک صفحه لوله نیاز دارد. سمت لوله، بدلیل شکل انحنای U شکل، نمی تواند با وسایل مکانیکی تمیز شود. در این نوع از دسته لوله ها، فقط تعداد زوجی از گذرهای لوله (دو گذر به ازای هر دسته لوله) می تواند بکار رود. تنها لوله های قرار گرفته در ردیف بیرونی دسته لوله قابل تعویض می باشند.

در مبدل حرارتی با صفحه لوله (Tube Sheet) ثابت، پوسته به صفحه لوله جوش شده است و به منظور تمیزکاری به سمت بیرونی دسته لوله، دسترسی وجود ندارد. این طرح از مبدل حرارتی پوسته و لوله یک انتخاب کم هزینه است ولی انبساط حرارتی ممکن نیست. البته می توان با استفاده از اجزایی به نام فانوسی، انبساط حرارتی را ممکن نمود. در این طراحی، لوله های تکی قابل تعویض هستند و تمیز کاری لوله بصورت مکانیکی، آسان است.

لوله ها و گذرهای لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله

فقط پوسته E با یک گذر و پوسته F با دو گذر لوله، می توانند جریان مخالف جهت ایجاد کنند. برای سایر تعداد گذرهای لوله، به استفاده از ضریب تصحیح تغییرات دما، F نیاز است. در برخی موارد، به دلیل نیاز به تقاطع دمایی (گرمتر بودن دمای خروجی سیال سرد از دمای خروجی سیال گرم در یک مبادله کن گرمای مخالف جهت)، دماهای مورد نظر حاصل نمی گردد و از چندین واحد بصورت سری استفاده می شود.

عموما، تعداد زیاد گذرهای لوله، برای افزایش سرعت سیال سمت لوله (در محدوده های افت فشار مجاز) و افزایش ضریب انتقال حرارت و به جهت کاهش تشکیل رسوب در مبدل حرارتی پوسته و لوله استفاده می شوند. اگر به دلایل ساختاری، لازم باشد که سیال سمت لوله در یک سمت وارد و از همان سمت خارج شود، استفاده از تعداد زوجی از گذرهای لوله الزامی است.

در مبدل حرارتی پوسته و لوله، لوله ها یا بدون پره هستند یا در سمت بیرونی، دارای پره های کوتاه می باشند. لوله های دارای پره کوتاه، هنگامی استفاده می شوند که ضریب انتقال حرارت سیال بیرون لوله ها، خیلی کوچکتر از سیال داخل لوله ها باشد.

جنس لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله

جنس لوله معمولا از فولاد کم کربن، فولاد کم آلیاژ، استنلس استیل، مس، کاپرونیکل (آلیاژ مس و نیکل)، آلومینیوم (به شکل آلیاژها)، تیتانیوم، اینکونل (آلیاژ نیکل و آهن و کروم) و یا ادمیرالتی (آلیاژ مس و روی و قلع) است. سایر مواد نیز می توانند متناسب با کاربرد خاص مبدل حرارتی پوسته و لوله انتخاب شوند. ضخامت دیواره لوله های مبدل حرارتی پوسته و لوله بر مبنای شاخص ضخامت بیرمنگهام (Birmingham Wire Gage) استاندارد شده  است.

ابعاد لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله

قطرهای کوچک لوله (8 تا 15 میلی متر) برای سطح حرارتی بزرگتر در واحد حجم، به بقیه ترجیح دارند. ولی برای تمیز کاری داخل لوله، قطر نباید از 20 میلی متر (3/4 اینچ) کوچکتر باشد. قطرهای بزرگتر لوله، اغلب برای چگالنده ها و دیگ های بخار بکار می روند.

طول لوله بر هزینه و کارکرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله اثر می گذارد. اساسا هرچه طول لوله ها بلندتر باشد، (برای ایجاد یک سطح حرارتی ثابت) تعداد لوله های کمتری نیاز است و سوراخ های کمتری در بافل ها و صفحه لوله ایجاد می شود. بعلاوه قطر پوسته کاهش می یابد که منجر به هزینه کمتری می گردد. نسبت قطر پوسته به طول لوله باید در محدوده 1/5 تا 1/15 باشد. حداکثر طول لوله به واسطه محل قرار گیری و جانمایی مبدل حرارتی پوسته و لوله و محدودیت های حمل و نقل، به حدود 30 متر محدود می شود.

طول لوله بر هزینه و کارکرد مبدل های حرارتی پوسته و لوله اثر می گذارد. اساسا هرچه طول لوله ها بلندتر باشد، (برای ایجاد یک سطح حرارتی ثابت) تعداد لوله های کمتری نیاز است و سوراخ های کمتری در بافل ها و صفحه لوله ایجاد می شود. بعلاوه قطر پوسته کاهش می یابد که منجر به هزینه کمتری می گردد. نسبت قطر پوسته به طول لوله باید در محدوده 1/5 تا 1/15 باشد. حداکثر طول لوله به واسطه محل قرار گیری و جانمایی مبدل حرارتی پوسته و لوله و محدودیت های حمل و نقل، به حدود 30 متر محدود می شود.

جانمایی لوله ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله

جانمایی لوله ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله، بوسیله زاویه بین لوله ها، مشخص می گردد. متداول ترین جانمایی، جانمایی 30 درجه است. زیرا بیشترین تراکم لوله را حاصل می کند. البته متناسب با کاربرد و نیاز جانمایی های دیگری نیز مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال، به منظور تمیز کاری خارجی لوله ها، به گذرگاه های با اندازه 1/4 اینچ یا تقریبا 7 میلی متر و جانمایی 90 درجه یا 45 درجه نیاز است. گام لوله P_T معمولا به نحوی انتخاب می شود که نسبت گام (pitch ratio) P_T/d_o بین 1.35 و 1.5 باشد. هنگامیکه لوله ها خیلی نزدیک باشند، به دلیل اینکه سوراخ ها در صفحه لوله به هم خیلی نزدیک می شوند، صفحه لوله به لحاظ سازه، ضعیف می شود. به همین دلیل جانمایی وضعیت لوله ها، بصورت استاندارد درآمده است. تعداد لوله ها (Tube counts) که می توانند در یک پوسته قرار بگیرند، بستگی به جانمایی لوله، قطر خارجی لوله، اندازه گام، تعداد گذرها و قطر پوسته دارد.

هندسه و نوع بافل ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله

در مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای بافل (صفحات هدایت کننده جریان – Baffle)، جریان سمت پوسته بصورت متقاطع با لوله ها در بین دو بافل مجاور جهت داده می شود و در حالی که از فاصله مابین دو بافل به فاصله بعدی منتقل می شود، موازی با لوله ها جهت می یابد. بسته به کاربرد مبدل حرارتی پوسته و لوله، تفاوت زیادی در شکل و ساختمان آن ها وجود دارد.

بافل ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله دو کار انجام می دهند. اولین و مهم ترین کار، نگه داشتن لوله ها و استحکام سازه و جلوگیری از لرزش و خمیده شدن لوله می باشد. دومین کار، منحرف کردن جریان در جهت عرضی و متقاطع با دسته لوله ها برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت بزرگتر است. بافل ها می توانند به انواع عرضی و طولی دسته بندی شوند (مثلا پوسته F دارای بافل طولی است). بافل های عرضی می توانند به بافل های صفحه ای (Plate baffles) و بافل های میله ای (Rod baffles) دسته بندی شوند.

رایج ترین انواع بافل های صفحه ای مورد استفاده در مبدل حرارتی پوسته و لوله

بافل های تکه ای (منظور از تکه ای، بخشی از دایره کامل است) منفرد (Single baffles) و دوتایی (Double segmental baffles) به وفور استفاده می شوند. بافل ها جریان را با موثرترین شکل و برای تقاطع با لوله ها منحرف می کنند. فاصله بهینه بافل ها بین 0.4 تا 0.6 قطر پوسته است و معمولا میزان برش 25 تا 35 درصد بافل توصیه می شود. گذر بافل های تکه ای سه تایی (Triple segmental baffles) و بدون لوله در پنجره (قسمت بریده شده بافل)، برای کاربردهای با افت فشار کم استفاده می شوند که کسر قسمت جدا شده آن ها تقریبا به ترتیب 0.5 و 0.3 می باشد.

در ساختار بدون لوله در پنجره، لوله هایی که توسط هر دو بافل مجاور نگه داشته نشده اند، حذف می شوند، بنابراین ارتعاش لوله کمتر می گردد.

بافل های دیسکی و رینگی (دوناتی) در مبدل های حرارتی پوسته و لوله متشکل از رینگ های خارجی و دیسک های داخلی بطور یک در میان هستند که جریان را بصورت شعاعی در عرض دسته لوله ها هدایت می کنند.

نوع دیگری از بافل های صفحه ای، بافل اریفیسی (Orifice baffles) است که در آن، سیال سمت پوسته از لقی بین قطر خارجی لوله و قطر داخلی سوراخ بافل، جریان می یابد.

بافل های میله ای یا شبکه ای در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، با یک شبکه از تکیه گاه های میله ای یا ورق باریک تشکیل شده اند. در این بافل ها، جریان اساسا طولی است که منجر به افت فشارهای بسیار کمی می شود. بدلیل فاصله نزدیک بافل ها، خطر ارتعاش لوله رفع می گردد. این طرح می تواند بصورت کارآمد برای چگالنده ها و ریبویلرهای عمودی استفاده شود.

تعیین سیال سمت پوسته و لوله در مبدل حرارتی پوسته و لوله

به منظور تعیین جریان سیال در مبدل حرارتی پوسته و لوله، عموما دیدگاه های زیر بکار گرفته می شوند:

• سیال با رسوب بیشتر در سمت لوله جریان یابد. زیرا تمیز کردن داخل لوله ها آسان تر است، به ویژه اگر تمیزکاری مکانیکی نیاز باشد.
• سیال با فشار زیاد در سمت لوله جریان یابد. زیرا به دلیل قطر کوچکتر شان، لوله هایی با ضخامت معمول وجود دارند که می توانند فشارهای بیشتر را تحمل کنند و فقط نیاز است کانال های سمت لوله و سایر اتصالات برای تحمل فشار زیاد طراحی گردند.
• سیال خورنده در سمت لوله جریان یابد. در غیر این صورت، هم لوله و هم پوسته باید با آلیاژهای خاصی برای مقاومت در برابر خوردگی استفاده شوند و بسیار کم هزینه تر است که فقط لوله ها با آلیاژ خاص تهیه گردد تا اینکه هم لوله ها و هم پوسته با آلیاژ خاص بکار روند.
• جریان دارای ضریب انتقال حرارت کوچکتر در سمت پوسته جریان یابد. زیرا طراحی لوله های دارای پره بر روی سمت بیرونی آسان تر است. عموما بهتر است که جریان با نرخ جرمی کوچکتر در سمت پوسته قرار داده شود. در سمت پوسته، جریان آشفته در اعداد رینولدز کوچکتر حاصل می گردد.

اگر موارد ذکر شده در تضاد با یکدیگر باشند، در این حالت باید مهندس طراح با تخمین موارد افزاینده و یا کاهنده هزینه، اقتصادی ترین راه حل را بیابد.

 

منابع:

https://savree.com/en/encyclopedia/shell-and-tube-type-heat-exchanger

 

https://paraxcompany.com/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c-%d9%be%d9%88%d8%b3%d8%aa%d9%87-%d9%88-%d9%84%d9%88%d9%84%d9%87/

 

https://www.iqsdirectory.com/articles/heat-exchanger/shell-and-tube-heat-exchangers.html

مبدل حرارتی صفحه ای جوشی چیست؟

مبدل حرارتی صفحه ای جوشی (Brazed Plate Heat Exchanger)

مبدل حرارتی صفحه ای جوشی، از مجموعه صفحات نازک به هم فشرده شده که دارای موج (الگوی روی صفحات) هستند، تشکیل شده است. در این نوع مبدل حرارتی، صفحات در نقاط تماس شان به یکدیگر جوش و آب بند شده و یک واحد مستقل تشکیل شده است. در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی، واشر و فریم وجود ندارد، به همین دلیل ابعاد این نوع مبدل از مبدل صفحه ای واشر دار بسیار کوچک تر می باشد.

زمانی که فلز مس با سیال فرآیند که داخل مبدل حرارتی صفحه ای جوشی جاری می شود، ناسازگار باشد (بطور مثال آمونیاک، خورنده مس است)، می توان از نیکل یا برخی مواد دیگر به عنوان ماده جوشکاری مبدل استفاده کرد.

در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی، به واسطه موج و الگوی روی صفحات، سیال جاری شونده داخل مبدل دچار تلاطم و آشفتگی می شود. نتیجتا این امر منجر به دستیابی به ضریب انتقال حرارت بسیار بالا و کاهش رسوب گیری می گردد. ضریب انتقال حرارت بالا نیز موجب کاهش سطح مورد نیاز برای تبادل و در نتیجه کاهش ابعاد صفحات مبدل حرارتی می شود.

فشار و دما در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

به دلیل اینکه در این نوع مبدل حرارتی، واشر وجود ندارد، می تواند فشار و دمای بالاتری از مبدل حرارتی صفحه ای واشردار را تحمل کند. مبدل حرارتی صفحه ای جوشی، می تواند تا دمای 225 درجه سانتی گراد و فشار 30 بار را تحمل کند. البته نوع لحیم کاری شده با نیکل، تا دمای 400 درجه سانتی گراد و فشار 16 بار را تحمل می کند. لازم بذکر است بنابر طراحی سازندگان مختلف، امکان وجود مبدل هایی با تحمل دما و فشار بیشتر وجود دارد. بطور مثال مبدل های حرارتی صفحه ای جوشی برای مبرد CO2، باید به گونه ای طراحی شوند که قادر به تحمل فشار تا 140 بار باشد.

کاربرد مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

مبدل حرارتی صفحه ای جوشی، ضمن ارائه قابلیت های فراوان و ابعاد کوچک، تمام مزایا و کارایی یک مبدل حرارتی صفحه ای واشردار را فراهم می کند. کاربرد این نوع مبدل حرارتی، در انواع سیستم های گرمایش و سرمایش صنعتی، تجاری و خانگی، اواپراتور و کندانسور در سیستم های برودتی و تاسیسات HVAC می باشد.

فاصله صفحات در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

عموما فاصله ی استاندارد بین صفحات در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی، از 0.4 الی 0.8 میلی­متر است. همچنین جنس صفحات نیز می تواند از استنلس استیل 304، 316 و 316L باشد. در موارد لزوم می­توان از صفحات با جنس متفاوت (مانند تیتانیوم) نیز استفاده کرد.

الگوی صفحات مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

مبدل­ حرارتی صفحه ای جوشی دارای الگوی صفحات متنوعی از جمله L، M، H، و … است که بنابر نظر طراح می تواند انتخاب شود.

 

 

جریان سیال در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

جریان مبرد در داخل این نوع مبدل حرارتی در کاربردهای تبرید به منظور دستیابی به کارآمد ترین فرآیند انتقال حرارت، جریان موازی (Parallel flow) یا جریان مورب (Diagonal flow) است. همچنین در کاربردهای اواپراتور و کندانسور، جریان بصورت خلاف جهت (Counter current flow) می باشد و در کاربردهای اواپراتور می توان با قرار دادن پخش کننده (Distributor) میزان تبادل حرارت را افزایش داد.

گذر سیال در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

مبدل حرارتی صفحه ای جوشی دارای طراحی تک گذر و چند گذر است. در طراحی تک گذر، تمام اتصالات در یک طرف مبدل حرارتی قرار دارند و نصب را بسیار آسان می کند. در طراحی چند گذر انواع مختلف اتصالات وجود دارد.

مزایای مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

• افزایش بازدهی به طور چشمگیر
• با دوام و کیفیت
• سهولت در نصب
• صرفه جویی در فضا به دلیل طراحی فشرده در مقایسه با مبدل حرارتی پوسته و لوله و صفحه ای واشردار
• پاسخ سریع به تغییرات دما به دلیل حجم کمتر

معایب مبدل حرارتی صفحه ای جوشی

در مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار این امکان وجود دارد که صفحات از یکدیگر باز شوند و به همین دلیل ظرفیت مبدل حرارتی صفحه ای واشر دار متغیر است. اما در مبدل حرارتی صفحه ای جوشی، صفحات به یکدیگر جوش شده اند و امکان باز کردن صفحات از یکدیگر وجود ندارد. به همین دلیل ظرفیت این نوع مبدل حرارتی ثابت است. همچنین در صورت آسیب دیدن صفحات (مثلا سوراخ شدن صفحات) باید مبدل حرارتی صفحه ای جوشی تعویض شود و امکان تعمیر مانند مبدل صفحه ­ای واشردار وجود ندارد.

 

منابع:

 

https://www.alfalaval.com/products/heat-transfer/plate-heat-exchangers/brazed-plate-heat-exchangers/

 

https://paraxcompany.com/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c-%d8%b5%d9%81%d8%ad%d9%87-%d8%a7%db%8c-%d8%ac%d9%88%d8%b4%db%8c/

 

https://www.swep.net/technology/brazed-plate-heat-exchangers/

 

مبدل حرارتی هوا خنک چه کاربردی دارد؟

مبدل حرارتی هوا خنک (Air Cooled Heat Exchanger)

طی دهه های گذشته، استفاده از هوا به عنوان سیال خنک کننده و جایگزین برای آب، برای مصارف خانگی و صنعتی، افزایش یافته است. مبدل های حرارتی هوا خنک (خنک شونده با هوا)، بخش مهمی از فناوری انتقال حرارت را شامل می شوند. این نوع مبدل ها بطور وسیع برای خنک کردن مایعات و چگالش بخارها استفاده می شوند.

مزایای استفاده از مبدل حرارتی هوا خنک

اساسی ترین مزیت هوا بعنوان سیال خنک کننده، در دسترس بودن آن است. به علاوه در استفاده از آن، نیازی به سیستم های لوله کشی و پمپاژ مربوط به تغذیه آب خنک کننده و مشکلی در مورد رسوب و اثرات شیمیایی و حرارتی مضر بر محیط، وجود ندارد. هوا، تمیز و به لحاظ شیمیایی غیرفعال می باشد و نیازی به تصفیه یا فرآیندی برای جلوگیری تشکیل رسوب نیست. در صورتیکه این موارد برای آب نیاز است.

معمولا تشکیل رسوب و یا خوردگی در سمت هوای مبدل کم است، اگرچه این امر به محل قرارگیری مبدل حرارتی هوا خنک نیز مربوط می گردد. در نتیجه مبدل های حرارتی هوا خنک، در مقایسه با سیستم های آب خنک، نیاز کمتری به تعمیر و مراقبت توسط افراد فنی دارند. همچنین به دلیل ساختار نسبتا ساده و عدم وجود واحد کمکی تصفیه سیال خنک کن، مبدل های حرارتی هوا خنک هزینه اولیه کمتری در مقایسه با مبدل های حرارتی مشابه آب خنک دارند.

معایب استفاده از مبدل حرارتی هوا خنک

معایب اصلی هوا به عنوان سیال خنک کننده، ضریب تبادل حرارتی کوچک، دانسیته و ظرفیت گرمایی کم آن می باشد. ضرایب انتقال حرارت، با لوله های ساده (بدون پره) در سرعت های هوا که به لحاظ اقتصادی ممکن می باشد (10 متر بر ثانیه)، کوچکتر از 100 W/m².K هستند و بهبود بخشیدن ضرایب انتقال حرارت به وسیله لوله های پره دار (Finned Tube) حتی برای مقادیر متوسط تبادل حرارت نیز ضروری می باشد. در نتیجه، مبدل های حرارتی هوا خنک، نسبت به مبدل های مشابه آب خنک، بزرگتر هستند و نیاز به سازه های تکیه گاهی محکم تر و مساحت زمین و فضای بیشتری برای نصب دارند. به دلیل همین ابعاد بزرگ، مبدل های هوا خنک نمی توانند مانند مبدل های آب خنک، در هر جایی استفاده شوند. بعنوان مثال، سوار کردن آن ها در بالای برج های تقطیر برای چگالش بخار خروجی از بالای برج مشکل است.

در برخی محل ها، هوا گرم است و در نتیجه، اختلاف دمای موجود برای خنک کردن سیال عبوری از داخل لوله ها کوچک می باشد. این مورد، اغلب در هنگامی پیش می آید که بنا به موقعیت محل، تغذیه آب نیز با مشکل مواجه می باشد.  باید توجه شود که مبدل های حرارتی هوا خنک، که هوا در آن ها توسط فن به حرکت در می آید، ممکن است پر سر و صدا باشند.

 

ساختار مبدل حرارتی هوا خنک

در مبدل های حرارتی هوا خنک، سیالی که باید خنک شود، در داخل دسته لوله های پره دار جریان می یابد، در حالیکه هوا بصورت جریان متقاطع از روی سطح خارجی لوله ها عبور می کند. جریان هوا ممکن است با عبور هوا در کانال یا برج، یا با عبور اجباری هوا بوسیله پروانه و موتور الکتریکی، ایجاد شود. شکل بندی های متعدد جریان، به همراه طرح های زیادی از نوع پره ها در این نوع مبدل استفاده می گردند.

آرایش دسته لوله ها و ایجاد جریان هوا در مبدل حرارتی هوا خنک

یک دسته لوله می تواند با عبور جریان هوا به شکل دمشی (اجباری Forced draft) یا مکشی (القایی Induced draft)، خنک شود. در حالت جریان دمشی، هوای مجاور به داخل پروانه (فن) کشیده می شود و پروانه به میزان اندکی که برای غلبه بر مقاومت هیدرولیکی عبور جریان از روی دسته لوله کافی باشد، فشار هوا را افزایش می دهد (معادل با چند میلی متر آب). در حالت جریان مکشی، پروانه به میزان اندکی فشار هوا را کاهش می دهد که برای کشیدن هوا از روی دسته لوله کافی است. در حالت اخیر، هوایی که وارد پروانه می شود، گرمتر از دمای هوای مجاور است و لذا چگالی آن کمتر از چگالی هوای محیط می باشد.

عبور هوا بصورت جریان طبیعی در مبدل حرارتی هوا خنک

در کاربردهای جریان طبیعی، نیروی به حرکت در آورنده جریان، از اختلاف چگالی هوای داخل مبدل و سازه متصل به آن و هوای مجاور مبدل و در بیرون آن، حاصل می شود. عموما برای حصول بازده موثر مبدل، سازه های بلندی با ارتفاع حدود 30 تا 45 متر نیاز خواهد بود. این سازه های مشابه سازه هایی هستند که برای برج های خنک کن استفاده می شود.

 

دسته لوله ها معمولا شامل تعداد کمی از ردیف های لوله هستند که در داخل قابی (معمولا مستطیلی شکل) قرار می گیرند و می توانند به شکل عمودی، افقی یا در وضعیت شیبدار قرار گیرند.

مزایا و معایب نسبی عبور جریان هوا به شکل دمشی و مکشی در مبدل حرارتی هوا خنک

مزایای جریان بصورت دمشی

• در نتیجه دمای هوای ورودی سردتر به پروانه و چگالی بزرگتر هوا، برای ایجاد نرخ جرمی مشخص، به توان الکتریکی کمتری نیاز است. به علاوه پروانه می تواند کوچکتر باشد و در نتیجه هزینه اولیه کمتری دارد.
• پروانه در مقایسه با حالت جریان مکشی، در جریان هوا خنک قرار دارد و نیاز به خنک کاری موتور پروانه، کاهش می یابد و یا منتفی می گردد.
• در هنگام بروز نشتی سیال فرآیندی از لوله ها، احتمال آلوده شدن پروانه یا موتور، با این فرض که سیال نشت یافته توسط جریان هوا برده می شود، کمتر است.
• در حالت قرارگیری دسته لوله بصورت افقی، پروانه نزدیک به زمین است و دسترسی به آن برای عملیات تعمیر و نگهداری آسان تر است.

معایب جریان بصورت دمشی

• در نتیجه دمای هوای ورودی سردتر به پروانه و چگالی بزرگتر هوا، برای ایجاد نرخ جرمی مشخص، به توان الکتریکی کمتری نیاز است. به علاوه پروانه می تواند کوچکتر باشد و در نتیجه هزینه اولیه کمتری دارد.

مزایای جریان بصورت مکشی

• توزیع جریان یکنواخت تر است.
• پروانه، دسته لوله را از جمع شدن برف، یا باران سنگین محافظت می نماید.
• از گردش و عبور مجدد هوای گرم به داخل دسته لوله جلوگیری می گردد.

معایب جریان بصورت مکشی

• فضای آزاد بزرگتر مورد نیاز برای اطمینان از توزیع یکنواخت جریان هوا
• میزان سر و صدای بیشتر
• خطر آسیب دیدگی پروانه یا موتور در اثر نشتی سیال فرآیندی
• کارکرد پروانه در دماهای گرمتر

کاربردهای مبدل حرارتی هوا خنک

مبدل های حرارتی هوا خنک در کاربردهای بسیار متنوعی مورد استفاده قرار می گیرند. کاربردهای معمول این نوع مبدل حرارتی شامل سیستم های خنک کننده روغن، آب و یا گلیکول، انواع مبردها در سیستم های گرمایشی و سرمایشی، نیروگاه ها، پالایشگاه ها و صنایع مختلف هستند.

 

 

منابع :

https://www.alfalaval.com/products/heat-transfer/finned-tube-air-heat-exchangers/finned-tube-air-heat-exchangers/finned-tube-air-heat-exchangers/

 

https://paraxcompany.com/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c-%d9%87%d9%88%d8%a7-%d8%ae%d9%86%da%a9-%da%86%db%8c%d8%b3%d8%aa%d8%9f-%d9%82%db%8c%d9%85%d8%aa-%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d9%87%d9%88%d8%a7/

 

https://www.thermaxglobal.com/process-cooling/air-cooled-heat-exchanger/#:~:text=Air%20Cooled%20Heat%20Exchanger%20(ACHE,is%20rejected%20to%20the%20atmosphere.&text=The%20process%20fluid%20passes%20through,fans%20mounted%20on%20the%20unit.

مبدل حرارتی صفحه ای واشردار (Gasketed Plate Heat Exchanger) چیست؟

مبدل حرارتی صفحه ای واشردار (Gasketed Plate Heat Exchanger)

مبدل حرارتی صفحه ای واشردار (گسکت دار) مقرون به صرفه ترین راه حل موجود برای کاربردهای گرمایش و سرمایش (HVAC) می باشد. اولین مبدل حرارتی صفحه ای واشردار با کاربرد در صنایع لبنی در سال 1931 و با صفحاتی به ضخامت 5-10 میلی متر با الگوی صفحات milled pattern عرضه شد.

در یک مبدل حرارتی صفحه ای واشردار، صفحات مجهز به واشر الاستومری هستند که کانال های عبور جریان را آب بندی و سیالات را به کانال های متناوب هدایت می کنند. در مبدل حرارتی صفحه ای واشردار، صفحات بین دو فریم ابتدایی و انتهایی تحت فشار مونتاژ و توسط پیچ و مهره هایی، محکم به یکدیگر فشرده می شوند. مجموعه مبدل حرارتی بین دو میله حمل (بالایی) و راهنما (پایینی) قرار گرفته و معلق است که هر دو میله به ستون پشتیبان متصل می شوند.

مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار شامل تعدادی صفحه نازک با سطح موج دار است که سیال های گرم و سرد را از یکدیگر جدا می کنند. صفحات، دارای سوراخ هایی در گوشه ها هستند و به نحوی آرایش داده شده اند که دو سیالی که باید حرارت بین آن ها مبادله شود، یکی در میان، در فضای بین صفحات جریان می یابند.

 

در مبدل حرارتی صفحه ای واشردار، شکل جریان، عموما به نحوی انتخاب می شود که جریان سیال ها در خلاف جهت یکدیگر باشند. این نوع مبدل های حرارتی به دلیل جزئیات ساخت و واشربندی ، معمولا به جریان سیال با فشار پایین تر از 25 بار و دمای کمتر از حدود 250 درجه سانتی گراد محدود می شوند. لازم بذکر است که امروزه سازندگان مبدل حرارتی از برخی واشر ها که دارای شرایط تحمل دمایی و فشاری بالاتری هستند نیز استفاده می کنند.

اجزای اصلی یک مبدل حرارتی صفحه ای واشردار، صفحات موج دار، واشرها و صفحات انتهایی هستند. ساختار و طراحی فیزیکی مبدل حرارتی صفحه ای واشردار این اجازه را می دهد تا فریم مبدل حرارتی به راحتی باز و صفحات از یکدیگر جدا شوند. این امر موجب می شود که تمیز کردن مبدل حرارتی به سادگی صورت پذیرد. همچنین تغییر ظرفیت مبدل حرارتی نیز به واسطه اضافه کردن یا حذف صفحات، امکان پذیر است.

 

 

جنس صفحات در مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

 

صفحات موج داری که در مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار به کار می روند، می توانند از فلزات و آلیاژهایی که قابلیت شکل دهی و جوش دادن را داشته باشند، ساخته شوند. رایج ترین جنس صفحات در مبدل های حرارتی صفحه ای واشردار، استنلس استیل 316، تیتانیوم، اینکونل 600، اینکولوی 825، هستلوی C-276، مونل 400، نیکل 200، کاپرونیکل 90/10 و کاپرونیکل  70/30 هستند.

Stainless steel

نوعی از فولاد زنگ نزن است که حاوی کروم، مقدار کمی کربن و عناصر دیگری نظیر نیکل و مولیبدن می باشد. استنلس استیل به علت مقاومت در مقابل خوردگی، در صنایع غذایی و شیمیایی استفاده می شود. کاربرد دیگر استنلس استیل در محلول های رقیق کلراید (کمتر از 200 ppm)، محلول های سولفات مس، محصولات غذایی، سیالات دارویی می باشد.

Inconel

نام تجاری گروهی از آلیاژهای نیکل که در مقابل اکسید شدن در دمای زیاد مقاوم هستند. کاربرد در گاز هیدروژن و بخار آب حاوی مس و اسیدها (کمتر از 70 درجه سانتی گراد)

Hastelloy

نام تجاری گروهی از آلیاژهای نیکل که در مقابل خوردگی محلول های شیمیایی مقاوم هستند.

Monel

آلیاژی که حدودا 60-70 درصد نیکل و 25-35 درصد مس و مقادیر جزئی از سایر مواد را دارا است و در صنایع شیمیایی، به عنوان فلز مقاوم در برابر اسید بکار می رود.

Titanium

کاربرد در آب دریا و آب شور، اسیدهای رقیق (کمتر از 70 درجه سانتی گراد) و محلول کلراید (بیشتر از 200 ppm)

Cupronickel

آلیاژی شامل 90 درصد نیکل و 10 درصد مس که در برابر خوردگی مقاوم است.

 

ابعاد صفحات در مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

 

به منظور تنظیم میزان آشفتگی جریان که درنهایت منجر به افزایش میزان تبادل حرارتی می گردد، حداقل نسبت طول به عرض صفحات باید 1.8 در نظر گرفته شود. ضخامت صفحات نیز معمولا حدود 1.2 تا 0.5 میلی متر در نظر گرفته می شود و فاصله صفحات نیز عموما بین 2-5 میلی متر خواهد بود تا سیستم در شرایطی مناسب بتواند عمل کند.

 

الگوی روی صفحات در مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

وظیفه الگوی روی صفحات، افزایش میزان سطح تبادل حرارت و ایجاد آشفتگی مناسب و کافی در مبدل حرارتی است. انواع متنوعی از الگوی روی صفحات با شکل ها و هندسه های متفاوت وجود دارد. الگوهای رایج تر عبارتند از مدل واشبورد (washboard) و مدل هرینگبون یا چورون (herringbone). اسامی این الگوها از روی شکل ظاهری آن گرفته شده است. مدل اول شبیه تخته شستشوی لباس و مدل دوم شبیه ساختار استخوان ماهی است.

 

جنس واشرها در مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

کارایی یعنی ایمنی و اطمینان پذیری از آب بندی در یک مبدل حرارتی صفحه ای واشردار، به واشرهای به کار رفته در آن بستگی دارد. واشرها معمولا قطعاتی الاستومری هستند و جنس آن ها با توجه به سازگاری با سیال، دما و فشار عملکرد مبدل حرارتی انتخاب می شود. واشرها در شیارهایی که دور صفحات طراحی شده قرار می گیرد. در گذشته واشر ها به سطح صفحات با چسب هایی چسبانده می شدند، اما با پیشرفت تکنولوژی ساخت مواد الاستومر، امروزه سازندگان این مبدل ها از واشر های فاقد چسب استفاده می کنند.علاوه بر شرایط عملیاتی، قابلیت فشرده شدن واشر برای مقاومت در مقابل فشار وارده از طرف جریان سیال نیز بسیار مهم است. قیمت واشر ها، متناسب با محدوده عملکرد دمایی، فشاری و مقاومت در مقابل خورندگی آن ها می باشد.

 

 

مزایای استفاده از مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

 

• انعطاف پذیری در طراحی و تغییر ظرفیت مبدل حرارتی بواسطه تنوع در اندازه صفحات، آرایش گذرها و تغییر تعداد صفحات وجود دارد.
• به دلیل وجود واشر در ساختار مبدل حرارتی، خطر نشتی داخلی به حداقل می رسد. همچنین هرگونه خرابی واشر منجر به نشتی به محیط می شود که به سادگی در سمت خارجی واحد، قابل ردیابی است.
• به دلیل ایجاد آشفتگی در جریان، میزان تبادل حرارتی افزایش پیدا می کند.
• ابعاد کوچکتر و وزن کمتر نسبت به مبدل حرارتی پوسته و لوله.
• بیش از دو سیال می تواند در یک مبدل واحد جریان یابد.

 

کاربردهای مبدل حرارتی صفحه ای واشردار

 

در گذشته به دلیل سادگی در باز و تمیز کردن مبدل حرارتی صفحه ای به منظور تامین نیازهای بهداشتی، کاربرد آن ها عمدتا به صنایع غذایی و نوشیدنی محدود بوده است. اما امروزه با پیشرفت تکنولوژی، این نوع مبدل حرارتی در صنایع مختلف زیر کاربرد دارد.

• صنایع گرمایشی و سرمایشی
• صنایع غذایی، دارویی و بهداشتی
• صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
• انواع صنایع شیمیایی
• نیروگاه ها
• تاسیسات دریایی نفت و گاز
• کشتی ها
• صنایع چوب و کاغذ
• سیستم های خنک کننده مرکزی که از آب دریا، آب رودخانه، یا آب چاه به عنوان سیال خنک کاری استفاده می کنند.

 

10 توصیه به منظور نگهداری مبدل حرارتی صفحه ای واشردار در شرایط بهینه:

1. اطمینان حاصل کنید که شرایط کار (دما و سرعت جریان) با مشخصات طراحی مطابقت دارد.

2. هنگام راه اندازی، مبدل حرارتی را تخلیه کنید اما سوپاپ ها را به آرامی باز و بسته کنید تا از ایجاد شوک هیدرولیکی جلوگیری شود.

3. از فیلترها و صافی ها برای جلوگیری از ورود رسوبات و ذرات مختلف به مبدل حرارتی استفاده کنید.

4. به صورت روزانه هرگونه تغییر دما یا فشار را بررسی کرده و هرگونه علائم نشتی خارجی را بررسی کنید.

5. به طور منظم پیچ و مهره ها را تمیز و روانکاری کنید.

6. برای جلوگیری از باز کردن مبدل حرارتی صفحه ای واشردار برای بازرسی، از تکنیک هایcondition monitoring استفاده کنید.

7. برای جلوگیری از نیاز به باز کردن مبدل حرارتی برای تمیز کردن ، از Cleaning-In-Place (CIP) استفاده کنید.

8. همیشه واحدهای آماده به کار را تمیز و خشک نگه دارید. اگر مبدل حرارتی از کار افتاد، با آب شیرین آن را شسته و کاملا تخلیه کنید.

9. از مبدل های حرارتی در برابر پاشیدن آب، باران، قرار گرفتن در معرض پرتو های فرابنفش و ازن که معمولاً از منابع الکتریکی تولید می شود، محافظت کنید.

10. فقط از قطعات یدکی اصلی برای عملکرد مطمئن و افزایش عمر تجهیزات استفاده کنید. ذخیره قطعات یدکی ضروری (مانند صفحات و واشر) داشته باشید.

 

 

منابع : 

 

https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work/#:~:text=In%20a%20gasketed%20plate%20heat,bolts%20fitted%20between%20these%20plates.

 

https://paraxcompany.com/%d9%85%d8%a8%d8%af%d9%84-%d8%ad%d8%b1%d8%a7%d8%b1%d8%aa%db%8c-%d8%b5%d9%81%d8%ad%d9%87-%d8%a7%db%8c-%d9%88%d8%a7%d8%b4%d8%b1%d8%af%d8%a7%d8%b1-%da%86%db%8c%d8%b3%d8%aa%d8%9f/

 

https://www.kelvion.com/products/category/gasketed-plate-heat-exchangers/