جستجو در تالارهای گفتگو

معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل*هاي پوسته - لوله*اي توجه به محدوديت سوخت*هاي فسيلي در دنيا موجب شده است كه امروزه موضوع بهينه*سازي مصرف انرژي در واحدهاي فرآيندي، بيش از پيش مورد توجه قرار گيرد. يكي از تكنيك*هاي بهينه*سازي مصرف انرژي، تكنيك HTE است كه در زير معرفي شده*است. نويسندة متن ارسالي زير، در پايان معرفي تكنولوژي، به اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي دستيابي به اين تكنولوژي و موفقيت*هاي به*دست آمده اشاره كرده*است. معرفي تكنولوژي HTE در فرآيندهاي شيميايي، مهمترين بخشي كه مستقيماً با مصرف انرژي ارتباط مي*يابد، مبدل*هاي حرارتي مي*باشند. تاكنون همواره تلاش شده است تا مبدل*هايي طراحي گردند كه ضمن داشتن حداكثر بازدهي، در كاركردهاي بلند*مدت، كمترين مشكلات عملياتي را داشته باشند. اصولاً مبدل*هاي حرارتي، به*خصوص از نوع پوسته- لوله*اي (Shell-and-Tube)، داراي دو مشكل عملكرد پايين حرارتي (Thermal Deficiency) و جرم*گرفتگي داخل لوله*ها (Fouling)، به*خصوص در هنگام كاركرد با سيالات كثيف يا حساس به دما مي*باشند. يكي از روش*هاي كاربردي و موثر در بهبود انتقال حرارت و كاهش جرم گرفتگي، استفاده از وسايل افزايندة انتقال حرارت (Tabulators) است. اين وسايل به آساني در داخل لوله*هاي مبدل*هاي پوسته-*لوله*اي نصب مي شوند و در زمان توقف واحدها (Overhaul)، به*راحتي قابل بيرون كشيدن و تميز كاري و نصب مجدد مي*باشند. اين روش كاربردي، امروزه به عنوان تكنولوژي HTE يا Heat Transfer Enhancement شناخته شده است كه تحت ليسانس شركت*هاي مختلف، بيش از يك دهه براي به*كارگيري در صنايع مختلف نفت و گاز و پتروشيمي و حتي نيروگاه*ها توصيه و تبليغ مي*گردد. شايان ذكر است كه در حال حاضر، تنها در آمريكا بيش از 50 پالايشگاه و 6 واحد پتروشيميايي از مزاياي اين تكنولوژي بهره برده*اند. البته استفاده از اين تكنولوژي محدود به آمريكا نبوده و در بسياري از پالايشگاه*ها و مراكز پتروشيمي كشورهاي اروپايي و حتي در آسيا (به*طور مشخص تايلند، مالزي و ژاپن) نيز اين تكنولوژي به*كار گرفته شده است. اصول و مباني تكنولوژي HTE اساساً روش*هاي متعددي براي افزايش بازدهي مبدل*هاي حرارتي ارائه شده است كه به دليل هزينه كمتر نسبت به روش*هاي ديگر و عدم استفاده از ساير منابع انرژي نظير برق، جنبه*هاي اجرايي استفاده از وسايل افزاينده انتقال حرارت براي مهندسان در صنايع، بسيار پرجاذبه*تر تشخيص داده شده است. اين وسايل كه با اشكال هندسي خاصي طراحي مي*شوند، درون لوله*هاي مبدل قرار داده مي*شوند. ايجاد سرعت*هاي چرخشي در جريان سيال و افزايش اختلاط به*خصوص در نزديكي ديواره*هاي داخلي لوله*هاي مبدل، نهايتاً سبب مي*گردد كه از سرعت ته*نشيني ذرات كاسته شده و از تشكيل لايه مرزي نيز جلوگيري گردد. فرصت نيافتن سيال براي تشكيل لاية مرزي كه خود از مقاومت*هاي مهم در برابر انتقال حرارت محسوب مي*شود، از دلايل عمدة افزايش نرخ انتقال حرارت ميان سيال درون لوله و پوسته مي*باشد. به*علاوه، افزايش سرعت شعاعي و محوري در جريان سيال داخل لوله باعث نوعي يكنواختي در توزيع دما در طول لوله و در هر مقطع از آن مي*گردد. لذا در برخي از مكانيزم*هاي تشكيل جرم گرفتگي درون لوله*هاي مبدل*ها، نظير كك زدن (Cocking)، كه دليل اصلي آن به*وجود آمدن نقاط داغ موضعي در سطح لوله (Hot Spot) است، استفاده از اين وسايل باعث جلوگيري از اين پديده شده و نهايتاً سبب بهبود انتقال حرارت در طول لوله مي*گردد. وسايل افزايندة انتقال حرارت در انواع مختلفي طراحي مي*شوند كه هر يك بسته به ساختمان طراحي خود، با مكانيزم خاصي سبب افزايش انتقال حرارت و كاهش همزمان جرم*گرفتگي در لوله*ها مي|*گردند. اين وسايل نه*تنها در لوله*هاي مبدل*هاي پوسته-*لوله*اي بلكه در كولرهاي هوايي، جوش*آورها، چگالنده*ها، و كوره*هاي احتراقي نيز به طور عملي استفاده مي*شوند. نكته قابل توجه اين است كه بيشتر سيالاتي كه مورد سرمايش و گرمايش قرار مي*گيرند، داراي ويسكوزيتة نسبتاً بالايي مي*باشند، يا در مواردي كه سيالات كثيف (Foul ant) بوده، ضريب انتقال حرارت اين سيالات در جريان لوله نسبتاً پايين مي باشد. لذا در چنين مبدل*هايي، انتقال حرارت براي طرف لولة كنترل كنندة سرعت انتقال حرارت مي*باشد. بنابراين استفاده از دستگاه*هاي افزايندة انتقال حرارت، موجب بهبود و مزيتي براي رفع هر دو نقيصة مزبور در مبدل*هاي پوسته-*لوله*اي خواهد بود. موارد به*كارگيري تكنيك HTE اصولاً به*كارگيري و مزاياي ناشي از به*كار بردن اين وسايل در لوله*هاي مبدل*هاي پوسته- لوله*اي در دو زمينة زير قابل توجه مهندسان بوده است: 1- در بهبود كاركرد مبدل*هاي حرارتي موجود، مزاياي عمده*اي در فرآيند مربوط به نصب اين وسايل در درون لوله*ها و سپس كاهش تعداد گذر*هاي طرف لوله به*صورت زير حاصل مي*گردد: - كاهش رسوب گرفتگي در لوله*ها - رساندن درجة حرارت*هاي سيالات خروجي از طرف لوله و طرف پوسته به دماهاي مورد نظر در طراحي (Spec.)و حتي فراتر از آن - افزايش ظرفيت واحدها (Revamping) با بالا بردن دبي جريانها در مبدل*ها، به*خصوص وقتي كه مبدل*ها، دستگاه*هاي حرارتي گلوگاهي (Bottleneck) فرآيند محسوب مي*شوند. - افزايش بار حرارتي دستگاه*هاي تبادل حرارتي و اصلاح شبكة مبدل*هاي حرارتي (Retrofitting) و نهايتاً كاهش مصرف آب و بخار (Utilities) در يك فرآيند. 2- مزاياي ناشي از به*كارگيري اين تكنولوژي در طراحي اولية مبدل*ها (Grassroots Design) - كاهش سطح انتقال حرارت مورد نياز به مقدار بسيار قابل ملاحظه - كاهش تعداد پوسته*ها و گذرهاي طرف لولة مبدل و ساده*تر شدن ساختمان مبدل در طراحي - كاهش نيروي محركة دمايي LMTD كه به*طور مثال در مبدل*هاي بخاري(Steam heaters) ، نياز به تامين بخار فشار بالا را منتفي خواهد نمود. نمونه هاي عملي از به*كارگيري اين تكنولوژي در صنايع (Case Studies) در ذيل، چهار مثال مجزا جهت نشان دادن مزاياي به*كارگيري اين تكنيك در صنايع مختلف نفت و گاز پتروشيمي آورده شده است. به*طوري*كه ملاحظه مي*شود، استفاده از تكنولوژي HTE در حل مشكلات حرارتي و عملياتي، نظير جرم گرفتگي مبدل*ها كاملاً موفق بوده است. مثال اول) پالايشگاه نفت گرنبي موس در اسكاتلند شركت نفت انگلستان (B.P) امكان رسوب*گرفتگي ناشي از كريستالي شدن تركيبات هيدروكربوري سنگين (واكس) را با طراحي يك كولر هوايي مناسب و استفاده از اين تكنولوژي حذف نموده است. شرح مثال 1 مثال دوم) پالايشگاه نفت لينجن در آلمان با تلفيق اين تكنولوژي و با استفاده از بافل*هاي حلزوني نه تنها از ميزان رسوب گرفتگي در لوله*هاي مبدل كاسته شده، بلكه طراحي با اين تلفيق، منجر به داشتن تعداد كمتري از پوسته*هاي مبدل شده است. شرح مثال 2 مثال سوم) پالايشگاه اونتاريا در كانادا استفاده از اين تكنولوژي منجر به داشتن مبدلي فشرده*تر و بدون نيازمندي به نگهداري و بازرسي در عمليات كراكينگ كاتاليستي گازوييل سنگين (HCGO) شده است. شرح مثال 3 مثال چهارم) تاسيسات ذخاير گاز لنچات در بلژيك استفاده از اين تكنولوژي منجر به بهبود كاركرد مبدل مياني تنها با يك پوسته در عمليات آبگيري از گاز شده است. اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت پژوهشكدة گاز پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي ايجاد و توسعة دانش فني اين تكنولوژي در كشور قدم*هاي اساسي برداشته كه نهايتاً موجب ثبت اين تكنولوژي در ايران (به شماره پروژه*هاي 71010108 و 71010110 و شماره ثبت 26156 مورخه 16/10/78) شده است. محورهاي اساسي در مجموع فعاليت*هاي انجام شده به قرار زير است: 1) اراية سمينار و كارگاه*هاي آموزشي به منظور آشنايي مهندسان و كارشناسان مختلف و علاقه*مند به اين تكنولوژي, سمينارها و كارگاه*هاي مختلفي در سطح صنايع نفت و گاز و پتروشيمي برگزار شده است. 2) ساخت وسائل افزاينده انتقال حرارت با تلاش و پيگيري*هاي انجام شده تكنيك ساخت و پارامترهاي توليدي يكي از مهمترين انواع وسائل افزايندة انتقال حرارت بدست آمده است. در حال حاضر توانايي ساخت اين وسائل در ابعاد مختلف و با فشردگي*هاي متفاوت و براي هر دامنه**اي از نياز فراهم آمده است. 3) تعيين مشخصة عملكرد هيدروليكي- حرارتي وسائل مذكور پس از ساخت اين وسائل به منظور برآورد مشخصات عملكردي وسائل افزايندة انتقال حرارت يك سيستم آزمايشگاهي (Test Rig) طراحي و ساخته شد. بدين ترتيب اطلاعات دقيق عملياتي براي هر وسيله قابل حصول خواهد بود. 4) تهية نرم*افزار RIPI-HEX جهت تعيين پتانسيل بكارگيري اين تكنيك در مبدل*هاي پوسته- لوله*اي و براي شرايط طراحي (Design) و عملكردي (Rating) نرم*افزاري تهيه و تدوين شد. با كمك اين نرم*افزار امكان بررسي هر يك از حالات توصيف*شده در شرايطي كه افزايش راندمان حرارتي مبدل مدنظر باشد، قابل بررسي خواهد بود. در حال حاضر پژوهشگاه صنعت نفت امكان پيش بيني و تخمين ميزان پتانسيل سودمندي ناشي از بكارگيري اين تكنيك را براي مبدل*هاي معرفي*شده از سوي صنايع مختلف را دارا مي*باشد. منابع مطالعاتي بيشتر: 1-M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley, “An Algorithm for Cost Comparison of Optimized Shell-and-Tube Heat Exchangers with Tube Inserts and Plain Tubes,” Chem.Eng.Technol. 23,(3), 2000. 2-G.T.Polley, M.R.Jafari Nasr and A.Terranova, “Determination and Applications of the Benefits of Heat Transfer Enhancement,” IChemE, Vol.72, Part A, pp.616-620, Sept., 1994. 3-M.R. Jafari Nasr, A.T.Zoghi,“Performance Improvement of Tehran Refinery Pre-heater Exchangers Using Heat Transfer Enhancement”, No.41, Summer 2001. 4-M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley and A.T. Zoghi , “Performance Evaluation of Heat Transfer Enhancement (H.T.E. Technology),” 14th International Chemical and Process Engineering Congress, CHISA, Parha, Czech Republic, 27-3 Aug. , 2000

مکانیزم موتور جت موتورهای جت به چند دسته اساسی تقسیم می شوند: • توربوفن Turbo Fan • توربوجت Turbo Jet • توربوپراپ Turbo Prop • پالس جت Pulse Jet • پرشر جت Pressure Jet • رم جت Ram Jet • سکرام جت Scram Jet در حقیقت، تمام موتورهای جت که توربین دارند، نوع پیشرفته تری از همان موتورهای توریبن گازی هستند که در زمان های دورتر استفاده می شده است. از موتورهای توربین گازی بیشتر برای تولید برق نه تولید نیروی رانش استفاده می شود. موتورهای جت کلاً بر پایه ی موارد زیر کار می کنند: هوا از مدخل وارد موتور جت شده و سپس با چرخاندن توربین نیروی لازم را برای مکش هوا برای سیکل بعدی آماده کرده و خود از مخرج خارج می شود. در این حالت فشار و سرعت هوای خروجی، بدون در نظر گرفتن اصطکاک، با سرعت و فشار هوای ورودی برابر است. سیکل کاری موتورهای جت پیوسته است، این بدین معناست که هنگامی که هوا وارد کمپرسور می گردد، به سوی توربین عقب موتور رفته و آن را نیز همراه با خروج خود به حرکت در می آورد، یعنی نیروی لازم برای مکش در حقیقت به وسیله توربین انتهایی موتور تولید شده است و بدین گونه است که همزمان با ورود هوا به کمپرسور، توربین نیز به وسیله نیروی تولید شده توسط سیکل قبلی در حال چرخش است و نیروی آن صرف چرخاندن کمپرسور می شود. در این فرآیند، دوباره نیروی تولید شده توسط این سیکل به توربین داده شده و توربین نیروی لازم جهت ادامه کار را فراهم می آورد. موتور توربوفن با ضریب کنار گذر پایین F-119 پرات اند ویتنی 1- موتورهای توربوفن یا Turbo Fan موتورهای توربوفن در حقیقت چیزی میان موتورهای توربوجت و توربو پراپ هستند. بازده موتورهای توربوفن بسیار زیاد است، و به همین علت هم در بسیاری از هواپیماهای مسافربری و ترابری در سرعت های ساب سونیک Sub Sonic از آن ها استفاده می شود. در موتورهای توربوفن، ابتدا هوا کمپرس شده سپس وارد اتاقک احتراق می شود و بعد از انفجار از طریق شیپوره یا نازل خروجی خارج شده و در طی این فرآیند، نیروی تراست لازم را جهت رانش هواپیما به جلو تامین می نماید. البته در موتورهای توربوفن، مقادیر دیگری از هوا از طریق کنارگذر نیز عبور داده می شود که در نهایت به گازهای خروجی داغ پیوسته و نیروی تراست را افزایش می دهد. تفاوت موتورهای توربوفن با توربوپراپ در این است که موتورهای توربوپراپ، فن یا ملخ ایجاد کننده تراستشان در خارج از پوسته موتور قرار گرفته اما در موتورهای توربوفن، ملخ یا فن تولید کننده تراست کاملاً در درون پوسته موتور قرار گرفته است. دیاگرام یک موتور توربوفن با ضریب کنار گذر بالا 2- موتورهای توربوجت یا Turbo Jet موتورهای توربو جت، بیشتر بر نیروی تولیدی از گازهای خروجی اتکا دارند و در هواپیماهایی بیشتر کاربرد دارند که با سرعت های مافوق صوت حرکت می کنند. در موتورهای توربوجت، ابتدا، هوا وارد کمپرسور شده و متراکم می گردد. اما چون این هوا با سرعت نسبتاً زیادی وارد موتور گردیده برای احتراق مناسب نمی باشد و بیشتر سوخت مصرف شده، بدون اشتعال حدر می رود. به همین دلیل هوا به قسمت دیفیوژر یا همان کاهنده سرعت فرستاده می شود تا از سرعت آن کاسته شود. در دیفیوژر، ابتدا از سرعت هوا کاسته و بر دما و فشار آن افزوده می شود. سپس این هوای آماده برای احتراق، به اتاقک احتراق فرستاده می شود. در اتاقک احتراق یا Combaustion Chamber، هوا ابتدا وارد لوله احتراق گشته، با سوخت مخلوط شده سپس منفجر می گردد. قسمتی از نیروی حاصله از این انفجار صرف گرداندن توربین شده و مابقی برای تولید نیروی رانش به کار می رود. گاهی در هواپیماهای توربوجت، بعد از شیپوره خروجی یا نازل، قسمتی به نام پس سوز یا After Burner قرار می دهند که بر نیروی تراست می افزاید. دیاگرام کار موتور های توربوجت، توربوپراپ و توربوفن After Burner یا قسمت پس سوز چگونه کار می کند؟ هنگامی که گازهای خروجی از موتور خارج می شوند، هنوز مقداری اکسیژن و سوخت مصرف نشده دارند که در قسمت پس سوز، با مشتعل ساختن دوباره گازهای خروجی و افزایش 4 برابر سوخت معمولی به این مخلوط، به طور قابل توجهی بر نیروی تراست می افزایند. البته استفاده از پس سوز فقط در شرایط اضطراری و شرایط جنگی مجاز است در غیر این صورت مجاز نیست. تنها هواپیمای مسافربری با پس سوز، هواپیمای کنکورد Concorde ساخت مشترک آلمان، انگلیس و فرانسه است که به علت ایجاد آلودگی صوتی زیاد و مصرف سوخت بالا، بازنشست شد. 3- موتورهای توربوپراپ یا Turbo Prop: موتورهای توربو پراپ، در حقیقت از نیروی ملخ برای تولید تراست استفاده می کنند و تنها وجه جت بودن آنها، تولید نیروی لازم برای این چرخش توسط موتور جت است. طرز کار موتورهای توربوپراپ عیناً مانند موتورهای جت توربینی دیگر است و تنها وجه تمایز آنها این است که نیروی تولید توسط توربین بیشتر صرف چرخاندن ملخ می شود تا کمپرسور، به همین دلیل برای تولید نیروی بیشتر، تغییراتی هم در توربین موتورهای توربوپراپ داده می شود. 4- موتورهای پالس جت یا Pulse Jet: موتورهای پالس جت دارای توربین، کمپرسور، یا شفت نمی باشند و تنها قطعه متحرک البته در نوع دریچه دار، دریچه آن می باشد. در این گونه موتورها، ابتدا توده بزرگی از انفجار در داخل موتور صورت می پذیرد که سبب بسته ماندن دریچه می شود. چون تنها راه فرار هوا از موتور قسمت انتهای آن می باشد هوا به طرف آنجا هجوم می آورد.در نتیجه تر ک هوا، خلا یا حالت مکشی به وجود آمده که باعث باز شدن دریچه و ورود هوای تازه می شود. در این حالت، مقداری هوای محترق شده از خروج بازمانده و صرف تراکم و انفجار گاز تازه وارد می گردد و سیکل به همین ترتیب ادامه پیدا می کند.در نوع بدون دریچه، از یک خم برای ایفای نقش دریچه استفاده می شود که با انفجار گازها و بدلیل وجود این خم، کاهش فشار صورت گرفته و مقداری از گازهای خروجی باز می گردند به همین ترتیب سیکل ادامه داده می شود. 5- موتورهای پرشر جت یا Pressure Jet: از این گونه موتورها در حال حاضر استفاده ای نمی شود و شرح کارکرد آنها در اینجا اضافی است. 6- موتورهای رم جت یا Ram Jet: موتورهای رم جت، هیچ قطعه ی متحرکی ندارند و در نگاه اول، مانند یک لوله توخالی به نظر می رسند که بیشتر در سرعت های مافوق صوت به کار می روند. موتورهای رم جت نیز مانند پالس جت، دارای توربین، کمپرسور یا ... نمی باشند استفاده از آنها به عنوان موتور دوم معمول است که بیشتر در موشکها به کار می روند. در این گونه موتورها، برای روشن شدن موتور ابتدا باید سرعت هوا به مقدار لازم برسد در صورت رخداد چنین حالتی، موتور جت به طور خودکار خود را روشن می کند. در موتور رم جت، هوا با سرعت زیاد وارد موتور شده و به علت سرعت بیش از حد، در قسمت دیفیوژر به خوبی کمپرس و متراکم شده و دما و فشار آن بسیار بالا می رود. در این حالت مخلوط هوا و سوخت منفجر گشته و با خروج از موتور، نیروی تراست بسیار زیادی را آزاد می کنند. این موتورها قدرت بسیار زیادی را دارا می باشند اما برای شروع پرواز و برخاست مناسب نمی باشند.