وقتی دمای روغن هیدرولیک در یک دستگاه بالا می رود معمولا اولین چیزی که دیده می شود خود دمای روغن است. ولی مشکل از دما شروع نشده. یک جای مدار انرژی زیادی به گرما تبدیل شده و سیستم دیگر نمی تواند این گرما را به اندازه کافی دفع کند.
در دستگاه های پرس و تزریق پلاستیک و خطوط تولید فولاد این موضوع زیاد دیده می شود. دستگاه ساعت ها زیر بار کار می کند و روغن دائم در گردش است. اگر دمای روغن از محدوده مناسب بالاتر برود ویسکوزیته کم می شود و نشتی داخلی پمپ و شیرها بیشتر می شود. در ادامه راندمان پایین می آید و بخشی از انرژی دوباره به گرما تبدیل می شود.
اگر می خواهید اول تصویر کامل تری از مدار داشته باشید مقاله سیستم خنک کاری روغن هیدرولیک نقطه شروع مناسبی است.
چرا دمای روغن هیدرولیک مهم است؟
روغن هیدرولیک فقط یک سیال برای انتقال فشار نیست. روغن باید بین قطعات متحرک یک فیلم مناسب ایجاد کند و همزمان وظیفه روانکاری و آب بندی داخلی را هم انجام دهد.
وقتی روغن بیش از حد گرم می شود این شرایط تغییر می کند. ویسکوزیته پایین می آید و نشتی داخلی بیشتر می شود. از طرف دیگر اکسید شدن روغن هم سریع تر می شود و عمر روغن و بعضی آب بندها کاهش پیدا می کند.
البته این به این معنی نیست که هرچه روغن سردتر باشد بهتر است. روغن خیلی سرد هم غلیظ می شود و افت فشار بالا می رود. بنابراین هدف فقط پایین آوردن دما نیست. هدف این است که روغن در محدوده مناسب کاری بماند.
این نکته در انتخاب خنک کن مهم است. مبدل قرار نیست فقط یک عدد بزرگ از ظرفیت داشته باشد. باید برای شرایط واقعی مدار انتخاب شود.
گرمای روغن از کجا می آید؟
یک اشتباه رایج این است که تمام گرمای مدار را به پمپ نسبت بدهیم. پمپ یکی از منابع تولید گرما است ولی تنها منبع نیست.
هرجا در مدار افت فشار ایجاد شود بخشی از انرژی به گرما تبدیل می شود. شیرهای کنترل و شیر اطمینان و مسیرهای محدود و نشتی داخلی پمپ یا موتور هیدرولیک هم می توانند باعث تولید گرما شوند.
مثلا اگر شیر اطمینان مدت زیادی در شرایطی کار کند که بخشی از جریان را به مخزن برگرداند انرژی ورودی عملا دارد به گرما تبدیل می شود. این گرما وارد مخزن روغن می شود و اگر سیستم خنک کاری توان دفع آن را نداشته باشد دمای روغن بالا می رود.
برای همین من در انتخاب خنک کن همیشه اول می پرسم بار واقعی سیستم چقدر است. بعد می رویم سراغ انتخاب مبدل حرارتی .
برای روغن هیدرولیک چه خنک کنی مناسب است؟
به طور کلی سه راه بیشتر استفاده می شود.
خنک کن هواخنک یک گزینه ساده است و به آب احتیاج ندارد. در محیط هایی که آب در دسترس نیست می تواند انتخاب خوبی باشد. ولی دمای محیط و گرد و غبار و شرایط نصب روی عملکرد آن تاثیر زیادی دارد.
گزینه دوم مبدل روغن به آب از نوع پوسته و لوله است. این مدل برای ظرفیت های مختلف استفاده می شود و از نظر تعمیر پذیری مزیت دارد. اگر دنبال شناخت این ساختار هستید مقاله مبدل روغن به آب توضیح خوبی درباره اصل کار آن می دهد.
گزینه سوم مبدل صفحه ای است. اینجا به دلیل سطح انتقال حرارت بالا در حجم کم معمولا با تجهیزی جمع و جور روبرو هستیم.
برای مقایسه دقیق تر مبدل صفحه ای و مدل های لوله ای می توانید مقایسه مبدل صفحه ای و پوسته و لوله را ببینید.
اما برای خنک کاری روغن یک نکته مهم وجود دارد. روغن معمولا نسبت به آب ویسکوزیته بیشتری دارد. پس نمی شود فقط از روی دبی و دمای دو سیال یک مدل را انتخاب کرد و گفت تمام شد.
مبدل صفحه ای بریز دقیقا چیست؟
مبدل بریز یا Brazed Plate Heat Exchanger از چندین صفحه فلزی تشکیل می شود که به شکل خاصی کنار هم قرار گرفته اند. صفحات در محل اتصال با فرایند لحیم کاری به یکدیگر متصل می شوند.
در نتیجه خبری از قاب باز شونده و گسکت بین صفحات نیست. این ساختار باعث می شود مبدل اندازه کوچکی داشته باشد و در عین حال سطح انتقال حرارت زیادی در اختیار سیستم قرار دهد.
اگر هنوز با ساختار این مبدل آشنا نیستید مبدل صفحه ای بریز چیست را بخوانید.
برای خنک کاری روغن این ساختار جذاب است چون فضای نصب خیلی زیادی نمی گیرد. اما همین جا باید یک نکته را جدی گرفت. بریز برای هر مدار روغنی انتخاب مناسبی نیست.
اگر مدار شما آب بسیار رسوب ساز دارد یا لازم است مبدل مرتب باز شود و داخل آن به صورت مکانیکی تمیز شود مدل گسکتی ممکن است انتخاب منطقی تری باشد.
چرا مبدل بریز برای روغن می تواند خوب باشد؟
صفحات شیاردار باعث می شوند جریان در کانال ها کاملا یکنواخت و آرام باقی نماند. همین موضوع انتقال حرارت را بهتر می کند.
از طرف دیگر فاصله کانال ها کم است و سطح انتقال حرارت زیادی در حجم کوچکی ایجاد می شود. این ویژگی برای ماشین آلات صنعتی که فضای نصب محدود دارند خیلی مهم است.
ولی یک نکته فنی را نباید فراموش کرد. همین کانال های باریک می توانند در برابر روغن غلیظ افت فشار قابل توجهی ایجاد کنند.
پس اگر کسی فقط بگوید «این مبدل برای روغن است و چون صفحه ای است حتما عالی است» حرف مهندسی کاملی نزده است.
ویسکوزیته روغن در دمای کار باید وارد محاسبات شود. برای همین قبل از انتخاب بهتر است خواص حرارتی روغن و تاثیر آن بر عملکرد مبدل بررسی شود.
بار حرارتی خنک کن روغن را چطور حساب کنیم؟
این قسمت مهم ترین بخش انتخاب است.
بار حرارتی یعنی چه مقدار گرما باید از روغن گرفته شود. نمی توانیم یک دمای دلخواه برای روغن بگذاریم و از روی آن ظرفیت مبدل را حدس بزنیم.
در یک برآورد اولیه می توان تلفات انرژی سیستم را مبنا قرار داد:
Q = توان ورودی × (1 - راندمان کلی)
فرض کنیم یک پمپ 90 کیلووات داریم که به صورت متوسط با 60 درصد بار کار می کند. توان ورودی تقریبی می شود 54 کیلووات.
اگر بر اساس شرایط واقعی سیستم حدود 35 درصد این انرژی به صورت گرما در مدار ظاهر شود بار حرارتی حدود 19 کیلووات خواهد بود.
برای طراحی اولیه می توانیم 20 کیلووات را مبنا بگیریم.
البته این عدد نباید بدون بررسی واقعی وارد سفارش شود. اگر اطلاعات دبی و دمای روغن در اختیار باشد بهتر است بار حرارتی از روی همان اطلاعات محاسبه و با توان تجهیزات کنترل شود.
برای روش کامل تر می توانید محاسبه طراحی مبدل حرارتی را ببینید.
یک مثال ساده برای محاسبه سطح مبدل
فرض کنیم روغن با دمای 60 درجه وارد مبدل می شود و قرار است در خروجی به 50 درجه برسد.
آب خنک کن 30 درجه وارد می شود و در خروجی به 40 درجه می رسد.
در آرایش جریان ناهمسو داریم:
ΔT1 = 60 - 40 = 20°C
ΔT2 = 50 - 30 = 20°C
پس در این مثال LMTD برابر 20 درجه می شود.
اگر بار حرارتی 20 کیلووات باشد و برای یک برآورد اولیه ضریب انتقال حرارت کلی را 400 W/m².K در نظر بگیریم:
A = Q / (U × LMTD)
A = 20000 / (400 × 20)
A = 2.5 m²
این عدد فقط یک برآورد مهندسی اولیه است. مقدار واقعی U به نوع روغن و ویسکوزیته و سرعت جریان و هندسه صفحات و شرایط دو طرف مبدل بستگی دارد.
برای همین در سفارش نهایی نباید فقط بگوییم «2.5 متر مربع مبدل می خواهم». سازنده باید افت فشار و دمای واقعی و خواص سیال را هم بررسی کند.
دبی روغن هم باید بررسی شود
در همین مثال اگر ظرفیت حرارتی روغن حدود 1900 J/kg.K باشد و روغن 10 درجه سرد شود دبی جرمی تقریبی مورد نیاز برای انتقال 20 کیلووات حدود 1.05 kg/s خواهد بود.
یعنی حدود 74 لیتر در دقیقه با فرض چگالی تقریبی مناسب برای روغن.
این عدد نشان می دهد که طراحی فقط به سطح مبدل خلاصه نمی شود. دبی و ویسکوزیته و افت فشار و دمای ورودی و خروجی همه با هم باید دیده شوند.
به همین دلیل اگر کسی برای خرید مبدل فقط یک عدد ظرفیت بدهد ولی درباره دبی و دمای دو طرف چیزی نپرسد باید کمی احتیاط کرد.
ظرفیت اضافه مبدل بریز چقدر باشد؟
در پروژه های صنعتی معمولا مقداری ظرفیت رزرو در نظر گرفته می شود. ولی ظرفیت اضافه نباید تبدیل به عادت شود.
اگر مبدل خیلی بزرگ انتخاب شود هم هزینه اولیه بالا می رود و هم ممکن است در شرایط بار کم کنترل دما سخت شود.
از طرف دیگر اگر مبدل دقیقا لب مرز انتخاب شود با کمی رسوب یا تغییر شرایط واقعی سیستم ممکن است ظرفیت کافی نداشته باشد.
در عمل باید بین ظرفیت مورد نیاز و شرایط واقعی بهره برداری تعادل ایجاد کرد. عدد رزرو باید بخشی از طراحی باشد نه یک ضریب ثابت که روی همه پروژه ها اعمال شود.
قبل از خرید مبدل چه اطلاعاتی لازم است؟
برای انتخاب مبدل صفحه ای بریز جهت خنک کاری روغن هیدرولیک حداقل این اطلاعات را آماده کنید:
- نوع روغن و گرید آن
- دمای ورود روغن
- دمای مطلوب خروج روغن
- دبی روغن
- فشار کاری روغن
- افت فشار مجاز
- دمای آب ورودی
- دمای آب خروجی یا دبی آب
- فشار کاری آب
- کیفیت آب خنک کن
- شرایط نصب و فضای موجود
اگر این اطلاعات کامل باشد انتخاب مبدل از حالت حدس و تجربه شخصی خارج می شود و می توان یک انتخاب فنی انجام داد.
برای بررسی گزینه های موجود هم می توانید دسته مبدل های صفحه ای را ببینید.
و اگر مشخصات پروژه شما با شرایط بالا جور است مبدل صفحه ای بریز گزینه ای است که باید از نظر ظرفیت و افت فشار و متریال دقیق بررسی شود.
مهم ترین محدودیت مبدل حرارتی بریز (لحیمی ) اینه که باز نمی شود
صفحات یک مبدل بریز بعد از فرایند لحیم کاری به شکل یک بلوک یکپارچه درمی آیند. بنابراین مثل مدل گسکتی نمی توان صفحات را از هم باز کرد.
وقتی کانال های داخلی دچار گرفتگی شوند راه اصلی تمیزکاری استفاده از روش شیمیایی مناسب است.
این موضوع قبل از خرید باید مشخص باشد. اگر در کارخانه شما آب کیفیت مناسبی ندارد و سابقه رسوب زیاد است بهتر است از همان ابتدا روش نگهداری بررسی شود.
توضیح کامل این محدودیت را در مقاله چرا مبدل بریز باز نمی شود می توانید ببینید.
اگر شرایط بهره برداری طوری است که مبدل باید مرتب باز شود و داخل آن با برس یا روش مکانیکی تمیز شود مبدل گسکتی معمولا گزینه منطقی تری است.
کیفیت آب را دست کم نگیرید
در بیشتر پروژه هایی که مبدل صفحه ای آب خنک کن دارد مشکل اصلی خود مبدل نیست. آب ورودی است.
آب سخت می تواند روی سطح انتقال حرارت رسوب ایجاد کند. کلراید بالا هم برای بعضی متریال ها و آلیاژها شرایط خورنده ایجاد می کند.
ذرات معلق هم وقتی وارد کانال های باریک می شوند دردسر درست می کنند.
برای همین جلوی مبدل یک صافی مناسب قرار دهید و کیفیت آب مدار را به صورت دوره ای کنترل کنید.
اگر آب مدار شما از برج خنک کن تامین می شود موضوع حتی جدی تر می شود. در این شرایط کیفیت آب و برنامه تصفیه باید جزو طراحی سیستم باشد.
رسوب فقط باعث کم شدن انتقال حرارت نمی شود
وقتی داخل مبدل رسوب تشکیل می شود معمولا دو اتفاق همزمان می افتد.
اول اینکه مقاومت حرارتی بیشتر می شود و انتقال حرارت افت می کند.
دوم اینکه مسیر عبور جریان تنگ تر می شود و افت فشار بالا می رود.
بنابراین اگر دمای روغن خروجی آرام آرام بالا می رود ولی بار دستگاه تغییر نکرده است فقط دمای روغن را مقصر ندانید. افت فشار دو طرف مبدل را هم بررسی کنید.
رسوب سخت و رسوب نرم رفتار یکسانی ندارند. برای شناخت تفاوت آنها رسوب سخت و نرم در مبدل صفحه ای مفید است.
چه زمانی بفهمیم مبدل دیگر خوب کار نمی کند؟
در تعمیرات صنعتی من معمولا به یک عدد نگاه نمی کنم.
دمای روغن خروجی را با شرایط قبلی مقایسه کنید.
افت فشار سمت روغن را ثبت کنید.
افت فشار سمت آب را هم بررسی کنید.
دبی آب را کنترل کنید.
دمای آب ورودی را ثبت کنید.
اگر یکی از این موارد تغییر کرده باشد باید علت را پیدا کرد.
مثلا اگر دمای آب ورودی بالا رفته باشد ممکن است مبدل سالم باشد ولی دیگر شرایط طراحی قبلی را ندارید.
اگر دبی آب کم شده باشد باز هم نباید فورا مبدل را مقصر دانست.
ولی اگر دما و دبی ورودی ثابت مانده و افت فشار بالا رفته و ظرفیت انتقال حرارت پایین آمده است احتمال گرفتگی یا رسوب جدی تر می شود.
نشانه های مهم تر را در نشانه های افت عملکرد مبدل صفحه ای می توانید بررسی کنید.
متریال و نوع لحیم هم مهم است
در مبدل بریز فقط جنس صفحات مهم نیست. نوع لحیم هم باید با شرایط مدار هماهنگ باشد.
در بسیاری از مبدل های بریز از مس برای اتصال صفحات استفاده می شود ولی در شرایط خاص ممکن است انتخاب متریال دیگری مطرح شود.
این انتخاب به دما و فشار و ترکیب سیال و کیفیت آب بستگی دارد.
پس اگر آب شما کلراید بالا دارد یا شرایط شیمیایی خاصی در مدار وجود دارد نباید فقط بر اساس قیمت پایین تر تصمیم بگیرید.
برای شناخت این بخش مواد لحیم در مبدل بریز را بررسی کنید.
نصب مبدل بریز برای روغن هیدرولیک
جهت جریان دو سیال را درست انتخاب کنید.
در اغلب کاربردهای خنک کاری استفاده از جریان ناهمسو کمک می کند اختلاف دمای موثرتری در طول مبدل داشته باشیم.
این موضوع روی ظرفیت مبدل اثر مستقیم دارد.
هوا هم نباید در مدار باقی بماند. وجود هوا می تواند سطح موثر انتقال حرارت را کاهش دهد و عملکرد واقعی را از چیزی که در طراحی انتظار داشتیم پایین تر بیاورد.
از طرف دیگر وزن لوله ها نباید روی اتصالات مبدل بیفتد. مبدل باید روی پایه مناسب نصب شود و لوله ها به شکل مستقل مهار شوند.
این موارد ساده به نظر می رسند ولی در پروژه های واقعی همین جزئیات کوچک بعدا تبدیل به مشکل می شوند.
آیا روغن و آب می توانند با هم قاطی شوند؟
یکی از نگرانی های جدی در مدارهای روغن هیدرولیک ورود آب به روغن است.
آب موجود در روغن می تواند برای بعضی اجزای مدار هیدرولیک مشکل ساز شود. به همین دلیل نشتی داخلی مبدل موضوعی نیست که بتوان از کنار آن ساده رد شد.
اگر شرایط پروژه از نظر ایمنی و حساسیت سیال سخت باشد باید متریال و ساختار مبدل با دقت بیشتری بررسی شود.
در این قسمت انتخاب صرفا بر اساس ظرفیت حرارتی کافی نیست. شرایط فشار و اختلاف فشار دو طرف و نوع سیال باید همزمان بررسی شوند.
کنترل دمای روغن را فراموش نکنید
یک مبدل با ظرفیت زیاد بدون کنترل مناسب لزوما سیستم بهتری نمی سازد.
ممکن است در بار بالا عملکرد خوب باشد ولی وقتی بار دستگاه کم شد روغن بیش از حد سرد شود.
از آن طرف اگر ظرفیت کم باشد مبدل در بار کامل جواب نمی دهد.
برای همین در بسیاری از سیستم ها کنترل جریان آب با شیر کنترل یا یک روش مناسب تنظیم دما انجام می شود.
هدف این است که روغن در محدوده مطلوب باقی بماند نه اینکه در هر شرایطی تا پایین ترین دمای ممکن سرد شود.
مبدل را در کجای مدار روغن نصب کنیم؟
در مدارهای هیدرولیک چند آرایش مختلف وجود دارد.
گاهی مبدل در مسیر برگشت روغن قرار می گیرد. در بعضی پروژه ها نیز یک مدار مستقل یا همان Kidney Loop برای خنک کاری استفاده می شود.
مدار مستقل یک مزیت مهم دارد. خنک کن را می توان از ضربه های فشار اصلی مدار دور نگه داشت و جریان روغن را مستقل تر کنترل کرد.
این موضوع برای مبدل بریز که ساختار فشرده و کانال های باریک دارد قابل توجه است.
البته انتخاب محل نصب باید با توجه به فشار واقعی مدار و دبی و شرایط پمپ انجام شود و نمی توان یک نسخه ثابت برای همه ماشین ها پیچید.
اگر بعد از نصب هنوز روغن داغ است چه کنیم؟
اینجا بهتر است سراغ حدس نرویم.
به ترتیب این موارد را بررسی کنید:
دمای آب ورودی
دبی آب
دبی روغن
جهت جریان
وجود هوا در مدار
گرفتگی صافی
رسوب داخل مبدل
افت فشار دو طرف
بار واقعی سیستم
ظرفیت طراحی مبدل
اگر همه این موارد درست بود آن وقت باید بررسی شود که اصلا بار حرارتی اولیه درست محاسبه شده یا نه.
این روش خیلی بهتر از این است که بدون بررسی یک مبدل بزرگ تر بخریم.
برای شناخت روش های مختلف خنک کاری و انتخاب تجهیزات روش های انتخاب خنک کن روغن را هم ببینید.
قیمت مبدل بریز بر چه اساسی تعیین می شود؟
وقتی کسی می پرسد قیمت مبدل صفحه ای بریز چقدر است معمولا دنبال یک عدد ثابت است.
اما قیمت واقعی بدون مشخصات فنی معنی زیادی ندارد.
تعداد صفحات و ابعاد صفحات و جنس صفحات و نوع لحیم و فشار طراحی و نوع اتصالات و سطح انتقال حرارت روی قیمت تاثیر دارند.
شرایط پروژه هم مهم است. دو مبدل ممکن است از نظر ظاهری شبیه باشند ولی برای دو فشار کاری متفاوت طراحی شده باشند.
برای همین ارزان ترین مبدل همیشه اقتصادی ترین انتخاب نیست.
اگر مبدل ظرفیت لازم را نداشته باشد یا افت فشار آن زیاد باشد هزینه واقعی بعدا در مصرف انرژی و توقف خط تولید خودش را نشان می دهد.
برای بررسی موضوع قیمت می توانید قیمت مبدل حرارتی روغن را ببینید.
موقع خرید چه مشخصاتی را به سازنده بدهیم؟
اگر قرار است از یک سازنده مبدل قیمت بگیرید بهتر است فقط نگویید «یک مبدل برای روغن می خواهم».
این اطلاعات را بفرستید:
| اطلاعات مورد نیاز | مشخصات |
|---|---|
| نوع روغن و گرید روغن | سیال گرم |
| ورود و خروج | دمای روغن |
| kg/s یا L/min | دبی روغن |
| فشار کاری و فشار طراحی | فشار روغن |
| آب یا سیال خنک کننده | سیال سرد |
| ورود و خروج | دمای آب |
| m³/h یا L/min | دبی آب |
| مقدار مجاز در هر طرف | افت فشار |
| سختی و شرایط خورندگی | کیفیت آب |
| فضای موجود و نوع اتصال | شرایط نصب |
این جدول از ده ها پیام رفت و برگشت با فروشنده جلوگیری می کند.
بعد از آن سازنده می تواند انتخاب را از نظر انتقال حرارت و افت فشار و فشار کاری بررسی کند.
قبل از سفارش این چند مورد را بخواهید
من برای خرید صنعتی همیشه توصیه می کنم فقط پیش فاکتور نگیرید.
برگه محاسبات مبدل را بخواهید.
شرایط طراحی را بخواهید.
تست فشار را مشخص کنید.
متریال صفحات و نوع لحیم را مشخص کنید.
نوع اتصال و سایز اتصالات را کنترل کنید.
و مهم تر از همه مطمئن شوید مشخصاتی که برای انتخاب داده اید همان مشخصاتی است که در محاسبات سازنده استفاده شده است.
برای مقایسه گزینه های مختلف مبدل صفحه ای می توانید راهنمای انتخاب مبدل صفحه ای را هم ببینید.
حالا ببینیم مبدل حرارتی بریز بخریم یا نه؟
اگر مدار روغن هیدرولیک فضای نصب محدودی دارد و آب خنک کن کیفیت مناسبی دارد و مبدل نیاز به باز شدن مرتب ندارد مبدل صفحه ای بریز می تواند انتخاب بسیار مناسبی باشد.
ولی اگر آب رسوب ساز است یا احتمال گرفتگی بالاست یا قرار است مبدل مرتب باز و تمیز شود باید گزینه های دیگر را هم بررسی کرد.
در نهایت انتخاب درست با سه عدد شروع نمی شود. باید شرایط واقعی مدار را شناخت.
دبی روغن و دمای ورودی و خروجی و ویسکوزیته و فشار و افت فشار مجاز و شرایط آب همگی باید کنار هم دیده شوند.
اگر هدف شما خرید یک مبدل صفحه ای بریز برای خنک کاری روغن هیدرولیک است می توانید مشخصات سیستم را با مدل های موجود در صفحه مبدل صفحه ای بریز اکسرلند مقایسه کنید و انتخاب را بر اساس محاسبه انجام دهید.
