وقتی درباره عملکرد یک مبدل حرارتی روغن صحبت می کنیم، معمولا اول سراغ سطح انتقال حرارت، تعداد صفحات یا تعداد لوله ها می رویم. این موارد مهم هستند، ولی داستان از خود روغن شروع می شود.
روغن مثل آب رفتار نمی کند. ویسکوزیته آن می تواند با تغییر دما مقدار زیادی تغییر کند، ضریب هدایت حرارتی آن با سیال دیگری متفاوت است و ظرفیت حرارتی ویژه آن هم روی مقدار انرژی که با هر کیلوگرم یا دبی مشخص جابه جا می شود اثر دارد.
به همین دلیل ممکن است یک مبدل حرارتی روی کاغذ ظرفیت مشخصی داشته باشد ولی در مدار واقعی همان عدد را تحویل ندهد. اینجا است که شناخت خواص حرارتی روغن اهمیت پیدا می کند.
چرا خواص روغن برای طراحی مبدل مهم است؟
در یک مدار خنک کاری، روغن باید حرارت خود را به یک سیال دیگر منتقل کند. این سیال ممکن است آب، آب و گلیکول یا هوا باشد.
هر چه شرایط انتقال حرارت مناسب تر باشد، دفع گرما راحت تر انجام می شود. اما شرایط واقعی فقط به مبدل مربوط نیست. نوع روغن، دمای روغن، دبی، ویسکوزیته و شرایط سمت دیگر مبدل همزمان روی نتیجه اثر دارند.
در مدارهای هیدرولیک، این موضوع حتی مهم تر می شود چون روغن معمولا در دماهای مختلف کار می کند و خواص آن ثابت نیست.
برای دیدن ارتباط این پارامترها با طراحی، خنک کاری روغن هیدرولیک نقطه شروع مناسبی برای بررسی مدار است.
Cp روغن دقیقا چه کاری انجام می دهد؟
Cp یا ظرفیت حرارتی ویژه، نشان می دهد برای افزایش دمای یک واحد جرم از سیال چه مقدار انرژی لازم است.
در محاسبات ساده انتقال حرارت، رابطه معروف Q = mCpΔT را می بینیم. یعنی اگر دبی جرمی و تغییر دما مشخص باشد، Cp یکی از پارامترهای اصلی محاسبه بار حرارتی است.
اما یک نکته مهم وجود دارد. نباید گفت «Cp پایین همیشه یعنی مبدل ضعیف است». این برداشت دقیق نیست.
Cp روی ظرفیت حمل حرارت سیال اثر دارد، ولی عملکرد نهایی مبدل به مجموعه ای از پارامترها بستگی دارد. دبی، اختلاف دما، ضریب انتقال حرارت و سطح مبدل هم وارد محاسبه می شوند.
بنابراین در طراحی واقعی، Cp فقط یکی از قطعات پازل است.برای بررسی کاملتر این موارد، مقاله ی پارامترهای فنی انتخاب مبدل حرارتی پوسته و لوله رو مطالعه نمایید.
ویسکوزیته چرا اینقدر مهم است؟
ویسکوزیته در روغن معمولا یکی از تعیین کننده ترین خواص برای رفتار جریان است.
روغن سردتر معمولا ویسکوزتر است. وقتی ویسکوزیته بالا می رود، حرکت روغن در کانال یا لوله سخت تر می شود. در نتیجه افت فشار می تواند افزایش پیدا کند و شرایط جریان داخل مبدل تغییر کند.
از طرف دیگر تغییر رژیم جریان روی ضریب انتقال حرارت هم اثر می گذارد.
به همین دلیل ممکن است یک مبدل با همان سطح انتقال حرارت، در دمای مختلف عملکرد یکسانی نداشته باشد.
این همان جایی است که عبارت اثر ویسکوزیته بر انتقال حرارت فقط یک موضوع تئوری نیست و در انتخاب و سایزینگ واقعی مبدل اهمیت پیدا می کند.
ضریب هدایت حرارتی روغن چه نقشی دارد؟
ضریب هدایت حرارتی یا k نشان می دهد گرما تا چه اندازه در داخل سیال منتقل می شود.
روغن ها معمولا ضریب هدایت حرارتی پایین تری نسبت به آب دارند. همین تفاوت یکی از دلایلی است که انتقال حرارت از روغن می تواند نسبت به بعضی سیالات دشوارتر باشد.
اما باز هم نباید فقط یک عدد k را جداگانه نگاه کرد.
در مبدل حرارتی، مقاومت های مختلفی در مسیر انتقال حرارت وجود دارد. انتقال حرارت از روغن به دیواره، عبور از دیواره و سپس انتقال به سیال خنک کننده انجام می شود.
اگر مقاومت سمت روغن زیاد باشد، ضریب کلی انتقال حرارت U نیز تحت تاثیر قرار می گیرد.
برای همین معیارهای انتخاب مبدل حرارتی صنعتی باید همراه با خواص واقعی سیال بررسی شود.
رابطه بین ویسکوزیته و ضریب انتقال حرارت
این قسمت در پروژه های واقعی خیلی مهم است.
وقتی ویسکوزیته روغن زیاد می شود، معمولا عدد Reynolds پایین می آید. پایین آمدن Reynolds می تواند جریان را از حالت آشفته تر به سمت جریان آرام تر ببرد یا شدت آشفتگی را کم کند.
در بسیاری از روابط انتقال حرارت، تغییر Reynolds روی عدد Nusselt هم اثر می گذارد و در نهایت ضریب جابه جایی تغییر می کند.
پس افزایش ویسکوزیته فقط یک موضوع مربوط به افت فشار نیست. می تواند مستقیما روی انتقال حرارت هم اثر بگذارد.
در طراحی مبدل روغن، این نکته یکی از دلایلی است که خواص سیال را باید در دمای واقعی کاری در نظر گرفت.
LMTD چه ارتباطی با روغن دارد؟
روش LMTD یکی از روش های شناخته شده برای تحلیل مبدل های حرارتی است.
در این روش اختلاف دمای موثر بین دو سیال در طول مبدل در نظر گرفته می شود. مسئله اینجا است که دمای روغن و سیال خنک کننده در طول مبدل ثابت نیست.
به همین دلیل اختلاف دما در ورودی با خروجی فرق می کند.
اگر دمای ورودی روغن بالا باشد ولی دمای سیال خنک کننده هم بالا رفته باشد، نیروی محرک انتقال حرارت کمتر می شود.
در نتیجه نمی توان ظرفیت یک مبدل را فقط با یک عدد ثابت برای همه شرایط کاری بیان کرد.
NTU چه چیزی را به ما نشان می دهد؟
روش NTU یا Number of Transfer Units بیشتر برای بررسی عملکرد مبدل حرارتی روغن در شرایطی مفید است که دماهای خروجی هنوز مشخص نیستند.
در این روش ظرفیت حرارتی جریان ها، ضریب انتقال حرارت کلی، سطح انتقال حرارت و آرایش مبدل وارد تحلیل می شوند.
برای روغن، موضوع ویسکوزیته دوباره خودش را نشان می دهد. چون خواص روغن می توانند با دما تغییر کنند، استفاده از یک مقدار ثابت برای کل محاسبه همیشه بهترین تقریب نیست.
در پروژه های حساس، باید مشخص شود خواص روغن در چه دمایی از دیتاشیت گرفته شده اند.
Sieder-Tate چرا برای روغن مهم می شود؟
در روابط انتقال حرارت جابه جایی، اثر ویسکوزیته نزدیک دیواره اهمیت دارد.
رابطه Sieder-Tate با یک تصحیح ویسکوزیته، شرایطی را بهتر در نظر می گیرد که ویسکوزیته سیال در دمای دیواره با ویسکوزیته در توده سیال تفاوت دارد.
این موضوع برای روغن ها مهم تر از سیالاتی است که تغییر ویسکوزیته آنها با دما کم است.
پس وقتی یک محاسبه حرارتی برای روغن انجام می شود، بهتر است فقط یک ضریب انتقال حرارت از یک جدول عمومی برداشته نشود. دمای روغن، دمای دیواره و تغییر ویسکوزیته باید در محدوده قابل قبول بررسی شوند.
برای بهتر درک کردن موضوعات طراحی مقاله ی روش های طراحی و انتخاب خنک کن روغن هیدرولیکی مطالعه نمایید.
انتخاب نوع مبدل چه ارتباطی با خواص روغن دارد؟
خواص روغن روی انتخاب ساختار مبدل هم اثر می گذارد.
برای بعضی پروژه ها مبدل حرارتی پوسته و لوله به دلیل شرایط کاری، فشار و امکان سرویس انتخاب می شود.
در پروژه هایی که فضای نصب اهمیت زیادی دارد، ساختار صفحه ای هم می تواند مورد بررسی قرار بگیرد. ولی فشار کاری، نوع روغن و امکان تمیزکاری باید در انتخاب دیده شوند.
به همین دلیل مبدل حرارتی صفحه ای را نباید فقط بر اساس سطح انتقال حرارت اسمی مقایسه کرد.
برای سیستم هایی که آب خنک کننده در دسترس نیست یا استفاده از آن مناسب نیست، خنک کاری با هوا هم می تواند مطرح باشد. در این حالت مبدل حرارتی هوا خنک تحت تاثیر دمای محیط و شرایط جریان هوا قرار می گیرد.
در نهایت نوع مبدل باید با خواص روغن، دبی، دما، فشار و شرایط پروژه کنار هم دیده شود.
یک مثال ساده از اثر تغییر دما
فرض کنید یک روغن در شروع کار دمای پایینی دارد و بعد از چند ساعت کار گرم می شود.
در این مدت ویسکوزیته کاهش پیدا می کند. این تغییر می تواند افت فشار را کاهش دهد و شرایط جریان را تغییر دهد. در همان زمان اختلاف دمای روغن با سیال خنک کننده هم ممکن است تغییر کند.
پس عملکرد مبدل در ساعت اول کار لزوما با عملکرد آن در ساعت چهارم یکسان نیست.
این نکته برای سیستم هایی که به صورت مداوم کار می کنند بسیار مهم است. اگر داده های عملکرد فقط در حالت سرد سیستم گرفته شوند، ممکن است تصویر درستی از نقطه کاری اصلی به دست نیاید.
جدول سریع خواص روغن
| چرا مهم است؟ | روی چه چیزی اثر می گذارد؟ | پارامتر |
|---|---|---|
| محاسبه بار حرارتی | ظرفیت حمل حرارت | Cp |
| اثر روی انتقال حرارت | جریان و افت فشار | ویسکوزیته |
| مقاومت حرارتی روغن | هدایت حرارت در سیال | k |
| محاسبات انرژی | دبی جرمی | چگالی |
| تغییر شرایط کاری | خواص سیال | دمای روغن |
بنابراین برای تحلیل مبدل روغن، بهتر است این پارامترها در دمای کاری واقعی بررسی شوند، نه اینکه فقط یک مقدار عمومی از یک جدول انتخاب شود.
اگر بخواهیم ساده بگوییم، مبدل حرارتی فقط مجموعه ای از لوله، صفحه و فین نیست.
سیالی که داخل آن حرکت می کند بخش مهمی از طراحی است.
برای روغن، Cp، ویسکوزیته، ضریب هدایت حرارتی، چگالی و تغییر این خواص با دما روی محاسبات اثر دارند.
به همین دلیل اگر عملکرد واقعی مبدل با محاسبه اولیه فرق دارد، یکی از اولین مواردی که باید بررسی شود خواص واقعی روغن در نقطه کاری است.
