انتخاب مبدل حرارتی موتورخانه را نباید فقط با ظرفیت دیگ یا چیلر انجام داد. در پروژه واقعی باید مشخص باشد چه مقدار حرارت قرار است منتقل شود، دبی هر طرف مبدل چقدر است و آب با چه دمایی وارد و خارج می شود. اگر این اطلاعات درست به دست نیاید ممکن است مبدل از نظر ظرفیت اسمی مناسب به نظر برسد اما در زمان بهره برداری دمای خروجی مورد انتظار را تامین نکند.
در این راهنما روش محاسبه بار حرارتی، دبی آب و سطح اولیه انتقال حرارت را بررسی می کنیم. هدف این است که بتوانید قبل از انتخاب تجهیز، یک برآورد مهندسی قابل بررسی داشته باشید.
مبدل حرارتی موتورخانه چه کاری انجام می دهد؟
مبدل حرارتی انرژی را بین دو سیال منتقل می کند بدون اینکه در حالت عادی آن دو با هم مخلوط شوند. در موتورخانه ممکن است از آن برای انتقال حرارت بین مدار آب گرم و مدار مصرف استفاده شود یا در یک سیستم سرمایش و گرمایش برای جدا کردن دو مدار به کار برود.
نوع مبدل به شرایط کار بستگی دارد. در بعضی پروژه ها مبدل صفحه ای به دلیل ابعاد کم و سطح انتقال حرارت بالا انتخاب مناسبی است. در شرایط دیگر ممکن است فشار کاری، دما، نوع سیال یا الزامات تعمیراتی استفاده از مبدل پوسته و لوله را منطقی تر کند.
برای شناخت گزینه های موجود می توانید از صفحه انواع مبدل حرارتی شروع کنید. با این حال انتخاب نهایی باید بعد از مشخص شدن شرایط واقعی پروژه انجام شود.
قبل از سایزینگ چه اطلاعاتی لازم است؟
قبل از ورود به محاسبات باید اطلاعات پایه را جمع آوری کنید. مهم ترین موارد عبارت اند از:
بار حرارتی مورد نیاز بر حسب کیلووات
نوع سیال در هر طرف مبدل
دمای ورودی و خروجی سیال گرم
دمای ورودی و خروجی سیال سرد
دبی مورد نیاز هر مدار
فشار و افت فشار مجاز
کیفیت آب و احتمال رسوب گذاری
محدودیت ابعاد و فضای نصب
در پروژه های ساختمانی بهتر است دماها از نقشه های تاسیساتی یا مشخصات طراحی استخراج شوند. حدس زدن دمای خروجی یا استفاده از ظرفیت نامی یک تجهیز دیگر، جایگزین داده های طراحی نیست.
محاسبه بار حرارتی مبدل
بار حرارتی نشان می دهد در واحد زمان چه مقدار انرژی باید از یک سیال گرفته شود یا به سیال دیگر انتقال پیدا کند. برای سیالی که گرمای ویژه آن در محدوده مورد بررسی تقریبا ثابت است، رابطه زیر کاربرد دارد:
Q = ṁ × Cp × ΔT
در این رابطه Q بار حرارتی بر حسب کیلووات است، ṁ دبی جرمی بر حسب کیلوگرم بر ثانیه، Cp گرمای ویژه بر حسب کیلوژول بر کیلوگرم کلوین و ΔT اختلاف دمای همان سیال است.
برای آب می توان در محاسبات مقدماتی گرمای ویژه حدود 4.18 kJ/kg·K را در نظر گرفت. در پروژه واقعی باید اثر ترکیب سیال و دمای کار نیز بررسی شود.
نکته مهم این است که اختلاف دمای این رابطه با اختلاف دمای میانگین بین دو سیال یکسان نیست. این رابطه از افت دمای یک سیال یا افزایش دمای آن برای تعیین بار حرارتی استفاده می کند.
محاسبه دبی آب مورد نیاز
اگر بار حرارتی و اختلاف دمای مدار مشخص باشد، می توان دبی جرمی را از رابطه زیر به دست آورد:
ṁ = Q / (Cp × ΔT)
برای مثال فرض کنید یک مدار باید 300 کیلووات حرارت را با اختلاف دمای 5 درجه سانتی گراد منتقل کند. با در نظر گرفتن گرمای ویژه آب برابر با 4.18 کیلوژول بر کیلوگرم کلوین داریم:
ṁ = 300 / (4.18 × 5)
با فرض چگالی تقریبی آب نزدیک به 1000 کیلوگرم بر مترمکعب، دبی حجمی در این مثال حدود 51.6 مترمکعب بر ساعت خواهد بود.
این عدد مربوط به همان مدار و اختلاف دمای فرض شده است. اگر اختلاف دمای طراحی تغییر کند، دبی مورد نیاز نیز تغییر خواهد کرد. همچنین دبی هر دو طرف مبدل باید بر اساس بار حرارتی و شرایط همان طرف محاسبه شود.
نقش اختلاف دما در اندازه مبدل
در سایزینگ مبدل، فقط اختلاف دمای ورودی و خروجی یک مدار کافی نیست. باید دمای چهار نقطه دو سیال را در نظر گرفت تا نیروی محرک انتقال حرارت در طول مبدل مشخص شود.
هرچه اختلاف دمای مؤثر کمتر باشد، برای انتقال یک بار حرارتی ثابت معمولا سطح بیشتری نیاز است. این موضوع می تواند روی ابعاد، قیمت و فضای نصب اثر بگذارد. البته نمی توان فقط با افزایش اختلاف دما، بدون توجه به نیاز فرآیند و دمای خروجی مورد نظر، مبدل کوچک تری انتخاب کرد.
برای آشنایی با روش محاسبه ظرفیت در حالت عمومی، مقاله روش محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی را ببینید.
محاسبه LMTD
اختلاف دمای میانگین لگاریتمی یا LMTD نیروی محرک انتقال حرارت را در طول مبدل نشان می دهد. در حالت ساده جریان مخالف، رابطه به شکل زیر است:
LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
ΔT1 و ΔT2 اختلاف دمای دو سیال در دو انتهای مبدل هستند. این اختلاف ها باید با توجه به دمای واقعی ورودی و خروجی هر دو طرف محاسبه شوند.
اگر اختلاف دما در دو انتها به هم نزدیک باشد، باید از رابطه حدی مناسب استفاده کرد تا محاسبه دچار خطای عددی نشود. در مبدل های چندپاس یا آرایش های پیچیده تر نیز ممکن است تصحیح LMTD لازم باشد.
به همین دلیل، اختلاف دمای مدار به تنهایی نباید به جای LMTD استفاده شود. برای بررسی گام به گام این موضوع به راهنمای محاسبه اختلاف دمای لگاریتمی مبدل مراجعه کنید.
محاسبه سطح انتقال حرارت
بعد از مشخص شدن بار حرارتی و LMTD می توان سطح تئوریک انتقال حرارت را برآورد کرد. رابطه اصلی به این صورت است:
A = Q / (U × LMTD)
در این رابطه A سطح انتقال حرارت بر حسب مترمربع است، Q بار حرارتی بر حسب وات، U ضریب کلی انتقال حرارت بر حسب وات بر مترمربع کلوین و LMTD اختلاف دمای میانگین لگاریتمی بر حسب کلوین یا درجه سانتی گراد است.
واحدها باید یکسان باشند. اگر Q بر حسب کیلووات وارد شود ولی U بر حسب وات نوشته شده باشد، ابتدا باید بار حرارتی به وات تبدیل شود.
ضریب U به نوع مبدل، جنس صفحات یا لوله ها، سرعت سیال، شرایط جریان و مقاومت های حرارتی وابسته است. بنابراین استفاده از یک مقدار ثابت برای همه مبدل ها نتیجه قابل اطمینانی نمی دهد. در انتخاب نهایی باید از داده های سازنده یا محاسبات طراحی متناسب با شرایط واقعی استفاده شود.
مثال محاسبه سطح برای بار حرارتی 300 کیلووات
فرض کنید بار حرارتی پروژه 300 کیلووات باشد. برای یک مثال آموزشی، ضریب کلی انتقال حرارت 3500 وات بر مترمربع کلوین و LMTD برابر 5 درجه در نظر گرفته می شود.
ابتدا بار حرارتی را به وات تبدیل می کنیم:
Q = 300000 W
سپس:
A = 300000 / (3500 × 5)
سطح محاسباتی در این مثال حدود 17.1 مترمربع است. این عدد فقط نتیجه فرض های مثال است و نباید بدون بررسی دماهای واقعی دو طرف، افت فشار، نوع مبدل و شرایط رسوب گذاری برای سفارش ساخت استفاده شود.
در طراحی واقعی ممکن است سطح انتخابی با سطح تئوریک تفاوت داشته باشد. این تفاوت به روش طراحی، ضریب رسوب، محدودیت افت فشار، حاشیه های مورد نیاز و مشخصات سازنده بستگی دارد.
تفاوت سطح تئوریک با مبدل قابل سفارش
سطحی که از فرمول به دست می آید به تنهایی مدل مبدل را مشخص نمی کند. دو مبدل با سطح انتقال حرارت مشابه ممکن است از نظر افت فشار، ابعاد، تعداد صفحات یا طول لوله ها و قابلیت سرویس تفاوت زیادی داشته باشند.
در مبدل صفحه ای باید نوع صفحه، تعداد صفحات، آرایش جریان، نوع واشر و محدوده فشار بررسی شود. برای نمونه می توانید مشخصات مبدل صفحه ای واشردار را با شرایط پروژه تطبیق دهید.
اگر شرایط فشار و دما یا نوع سیال استفاده از مبدل صفحه ای را محدود کند، باید گزینه های دیگر نیز بررسی شوند. انتخاب بین صفحه ای و پوسته و لوله باید بر اساس داده های پروژه انجام شود، نه فقط بر مبنای ظرفیت اسمی.
افت فشار و کیفیت آب را فراموش نکنید
در بسیاری از پروژه ها محاسبات حرارتی به درستی انجام می شود اما در بهره برداری مشکلاتی مثل دبی کمتر از مقدار طراحی یا افت راندمان دیده می شود. یکی از دلایل ممکن است افت فشار بالاتر از مقدار قابل قبول باشد. در این شرایط پمپ ممکن است نتواند دبی مورد نیاز را در مدار تامین کند.
رسوب گذاری نیز مقاومت انتقال حرارت را افزایش می دهد و می تواند باعث کاهش عملکرد مبدل شود. در انتخاب تجهیز باید کیفیت آب، روش تصفیه، امکان شستشو و برنامه نگهداری در نظر گرفته شود.
اگر فضای نصب محدود است و مبدل صفحه ای بررسی می شود، شرایط واقعی آب و افت فشار باید با مشخصات فنی سازنده تطبیق داده شود. برای پروژه هایی که به ساختار دیگری نیاز دارند، بررسی مبدل حرارتی پوسته و لوله نیز می تواند بخشی از فرآیند تصمیم گیری باشد.
چک لیست نهایی پیش از انتخاب مبدل موتورخانه
پیش از نهایی کردن انتخاب، موارد زیر را کنترل کنید:
بار حرارتی طراحی از اطلاعات معتبر پروژه استخراج شده باشد.
دمای ورودی و خروجی هر دو سیال مشخص باشد.
دبی هر طرف بر اساس بار حرارتی و اختلاف دمای همان طرف محاسبه شده باشد.
LMTD با استفاده از اختلاف دمای دو انتهای مبدل محاسبه شود.
مقدار U متناسب با نوع مبدل و شرایط کاری انتخاب شده باشد.
افت فشار مجاز مدار و توان پمپ بررسی شود.
احتمال رسوب گذاری و روش نگهداری مشخص باشد.
فشار، دما و جنس قطعات با سیال و شرایط سرویس سازگار باشد.
مشخصات نهایی با اطلاعات فنی سازنده تطبیق داده شود.
سایزینگ مبدل حرارتی موتورخانه از بار حرارتی و شرایط دمایی شروع می شود، اما به محاسبه یک عدد ختم نمی شود. دبی سیال، LMTD، ضریب کلی انتقال حرارت، افت فشار و شرایط سرویس همگی در انتخاب نهایی نقش دارند.
محاسبات مقدماتی به مهندس کمک می کند محدوده سطح و ظرفیت مورد نیاز را برآورد کند. برای انتخاب تجهیز قابل سفارش، باید داده های واقعی پروژه و مشخصات سازنده نیز بررسی شوند. اگر اطلاعات دمایی و دبی در دسترس باشد، می توان مرحله بعد را با مقایسه گزینه های مناسب و بررسی مشخصات فنی ادامه داد.
