مبدل حرارتی روغن به هوا در صنایع فلزی؛ انتخاب، طراحی و کاربرد در نورد و پرس های سنگین

در خطوط نورد فولاد، پرس های هیدرولیک سنگین، ماشین آلات ریخته گری و بعضی تجهیزات معدن، داغ شدن روغن فقط یک موضوع مربوط به راندمان نیست. اگر روغن از محدوده کاری مناسب خارج شود، ویسکوزیته تغییر می کند، پمپ و شیرها تحت فشار بیشتری قرار می گیرند و در یک خط تولید پیوسته، افزایش دما می تواند به توقف ناخواسته تجهیزات منجر شود.

به همین دلیل، وقتی سیستم هیدرولیک در تمام یا بخش زیادی از شبانه روز کار می کند، انتخاب خنک کننده روغن باید بر اساس شرایط واقعی کار انجام شود، نه فقط یک ظرفیت اسمی.

در بسیاری از این کاربردها، مبدل روغن به هوا یک گزینه عملی است. این تجهیز گرمای روغن را به جریان هوای محیط منتقل می کند و معمولا از مجموعه لوله ، فین ، فن، قاب و مسیرهای ورودی و خروجی تشکیل می شود. انتخاب صحیح آن به دبی روغن، دمای ورودی، دمای مطلوب خروجی، دمای محیط، بار حرارتی و شرایط آلودگی محل نصب وابسته است.

برای آشنایی با خانواده تجهیزات، ابتدا می توان ساختار کلی مبدل حرارتی را بررسی کرد.

مبدل روغن به هوا دقیقا چه کاری انجام می دهد؟

اصل کار ساده است. روغن گرم از داخل بخش انتقال حرارت عبور می کند و هوای محیط توسط فن از روی سطح خارجی عبور داده می شود. گرما از روغن به دیواره و سپس به هوا منتقل می شود.

در ظاهر، این فرآیند ساده به نظر می رسد، اما در یک کارخانه فولاد شرایط کمی متفاوت است. دمای محیط می تواند بالا باشد، گرد و غبار روی فین ها بنشیند، فن به صورت مداوم کار کند و بار حرارتی سیستم نیز ثابت نباشد.

به همین دلیل، یک مبدل حرارتی روغن به هوا که در شرایط آزمایشگاهی عملکرد مناسبی دارد، لزوما در یک خط نورد با همان ظرفیت اسمی همان عملکرد را نخواهد داشت.

در سیستم های صنعتی، محدوده دمای روغن خروجی باید بر اساس نوع روغن، تجهیزات هیدرولیک و شرایط طراحی مشخص شود. در داده های طراحی موجود برای این کلاستر، دمای روغن ورودی حدود 70 تا 110 درجه و دمای خروجی حدود 45 تا 65 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شده است. این اعداد نقطه شروع طراحی هستند، نه یک نسخه ثابت برای تمام پروژه ها.

چرا صنایع فلزی به خنک‌ کاری روغن حساس هستند؟

در یک پرس سنگین یا خط نورد، سیستم هیدرولیک ممکن است برای ساعت‌های طولانی تحت بار باشد. بخشی از انرژی به گرما تبدیل می‌شود و این گرما باید از مدار خارج شود.

اگر ظرفیت خنک‌کاری کمتر از بار واقعی باشد، دمای روغن به‌تدریج بالا می‌رود. افزایش دما نیز می‌تواند روی ویسکوزیته روغن، نشتی داخلی، عملکرد شیرها و شرایط کاری پمپ تأثیر بگذارد.

برای همین، در این نوع پروژه‌ها بهتر است به جای اینکه فقط بپرسیم «این مبدل چند کیلووات است؟»، ابتدا چند پارامتر اصلی را مشخص کنیم:

• بار حرارتی واقعی سیستم چقدر است؟

• دبی روغن چقدر است؟

• دمای روغن در بیشترین بار چه مقدار می‌شود؟

• دمای هوای ورودی به مبدل چقدر است؟

• محل نصب چقدر آلوده است؟

• آیا دستگاه باید 24/7 کار کند؟

در واقع، انتخاب مبدل فقط بر اساس ظرفیت حرارتی انجام نمی‌شود و مجموعه‌ای از پارامترهای حرارتی، هیدرولیکی و محیطی باید همزمان بررسی شوند. برای آشنایی دقیق‌تر با این موارد، می‌توانید پارامترهای انتخاب مبدل حرارتی را بررسی کنید.هرچه این اطلاعات در ابتدای طراحی دقیق‌تر مشخص شوند، انتخاب سطح انتقال حرارت، نوع فین، فن و محدوده افت فشار نیز با اطمینان بیشتری انجام خواهد شد.

چه زمانی مبدل هواخنک برای روغن مناسب است؟

در شرایطی که آب خنک کننده در دسترس نیست، هزینه یا پیچیدگی مدار آب مطلوب نیست یا پروژه ترجیح می دهد دفع حرارت مستقیما به محیط انجام شود، مبدل هواخنک می تواند انتخاب مناسبی باشد.

در اینجا مبدل حرارتی هوا خنک اهمیت پیدا می کند. البته هوا یک سیال خنک کننده با ضریب انتقال حرارت پایین تر از آب است. بنابراین سطح فین، سرعت هوا و انتخاب فن اهمیت زیادی دارند.

این موضوع یکی از تفاوت های مهم مبدل روغن به هوا با مبدل های آب خنک است.

در محیط های پر گرد و غبار نیز باید فاصله فین ها و امکان سرویس و تمیزکاری از ابتدا در طراحی دیده شود. اگر سطح فین به مرور مسدود شود، جریان هوا کاهش پیدا می کند و عملکرد واقعی تجهیز از مقدار طراحی فاصله می گیرد.

بار حرارتی را چگونه باید تعیین کرد؟

یکی از ساده ترین روابط برای برآورد بار حرارتی روغن این است:

Q = m × Cp × ΔT

در این رابطه :

Q بار حرارتی

m دبی جرمی روغن 

Cp ظرفیت حرارتی ویژه روغن

ΔT اختلاف دمای ورودی و خروجی است.

این رابطه به تنهایی برای ساخت یک مبدل کافی نیست، اما کمک می کند نقطه شروع مشخص باشد.

در داده های طراحی موجود برای این کلاستر، ظرفیت حرارتی نمونه سیستم های سنگین حدود 5 تا 200 کیلووات ذکر شده است. مقدار واقعی پروژه می تواند خارج از این محدوده باشد و باید از روی شرایط واقعی سیستم محاسبه شود.

پس از تعیین Q، باید شرایط انتقال حرارت و سمت هوا بررسی شود. در مبدل روغن به هوا، مقاومت حرارتی سمت هوا معمولا نقش مهمی در عملکرد دارد. به همین دلیل طراحی فین و فن موضوع فرعی نیست.

فن چه تاثیری روی عملکرد دارد؟

ممکن است سطح انتقال حرارت یک مبدل مناسب انتخاب شده باشد، اما فن نتواند جریان هوای لازم را ایجاد کند. در چنین حالتی افزایش سطح مبدل لزوما مشکل را حل نمی کند.

دبی هوا، فشار استاتیک، افت فشار روی فین ها، شرایط محیط و نوع موتور فن باید با هم دیده شوند.

در یک کارخانه که گرد و غبار زیادی دارد، افت فشار ناشی از آلودگی نیز باید در برنامه طراحی و نگهداری لحاظ شود.

برای کاربردهایی که فرم نصب و جهت جریان اهمیت دارد، بررسی مبدل حرارتی هواخنک افقی نیز می تواند بخشی از فرآیند انتخاب باشد.

فین ها چرا تا این اندازه مهم هستند؟

فین باعث افزایش سطح تماس با هوا می شود. چون ضریب انتقال حرارت سمت هوا معمولا محدودکننده است، افزایش سطح موثر می تواند به انتقال بهتر گرما کمک کند.

اما فین بیشتر همیشه به معنای عملکرد بهتر نیست.

اگر فاصله فین خیلی کم باشد، احتمال گرفتگی در محیط آلوده بیشتر می شود و افت فشار هوا نیز بالا می رود. اگر فاصله زیاد شود، سطح انتقال حرارت کاهش پیدا می کند.

بنابراین فاصله فین باید بر اساس نوع محیط، دبی هوا، توان فن و شرایط سرویس انتخاب شود.

در محیطی مثل فولادسازی، پرس یا ریخته گری، طراحی برای شرایط تمیز آزمایشگاهی کافی نیست. باید شرایط واقعی کار را در نظر گرفت.

آیا همیشه باید از روغن به هوا استفاده کرد؟

خیر.

گاهی آب خنک در کارخانه موجود است و استفاده از یک مبدل روغن به آب از نظر حرارتی یا اجرایی منطقی تر است. در چنین شرایطی بررسی مبدل حرارتی روغن به آب می تواند تصویر بهتری از گزینه های موجود بدهد.

از طرف دیگر، اگر سیال یا فرآیند به طراحی متفاوتی نیاز داشته باشد، گروه مبدل حرارتی پوسته و لوله یا مبدل حرارتی صفحه ای نیز باید بررسی شود.

مقایسه این تجهیزات باید بر اساس دما، فشار، دبی، فضای نصب، کیفیت سیال، روش خنک کاری و تعمیرات انجام شود؛ نه صرفا بر اساس راندمان اسمی.

انتخاب بین هوا خنک، پوسته و لوله و صفحه ای

اگر هدف دفع حرارت روغن به محیط و حذف مدار آب باشد، هوا خنک یک مسیر مستقیم است.

اگر آب خنک در دسترس باشد و ظرفیت انتقال حرارت بالا یا شرایط فرآیندی خاص باشد، مبدل های پوسته و لوله می توانند وارد بررسی شوند.

مبدل های صفحه ای نیز در بسیاری از مدارهای آب و روغن قابل استفاده هستند، مخصوصا زمانی که فضای نصب محدود باشد و شرایط فشار، دما و تمیزی سیال اجازه استفاده از آنها را بدهد.

برای پروژه هایی که به ساختار فشرده نیاز دارند، مبدل حرارتی صفحه ای بریز یکی از گزینه هایی است که باید از نظر شرایط واقعی پروژه بررسی شود.

در نهایت، انتخاب مبدل برای صنایع فلزی باید از خود سیستم شروع شود. اگر دمای روغن، دبی، بار حرارتی و شرایط محیطی مشخص نباشد، انتخاب بر اساس ظرفیت های عمومی می تواند باعث سایزینگ اشتباه شود.

در قسمت بعدی، موضوع مهم تر یعنی انتخاب عملی تجهیز، تاثیر آلودگی، نگهداری، افت عملکرد، مقایسه روغن به هوا با روغن به آب و ارتباط آن با سیستم های روغن داغ را بررسی می کنیم.

وقتی صحبت از خنک کردن روغن یک سیستم هیدرولیک صنعتی می شود، معمولا اولین مشخصه ای که دیده می شود ظرفیت حرارتی است. اما در یک پروژه واقعی، ظرفیت فقط یکی از قطعات پازل است.

یک مبدل روغن به هوا ممکن است روی کاغذ ظرفیت مورد نیاز را داشته باشد ولی در تابستان، در کنار کوره یا در محیطی با گرد و غبار زیاد، نتواند همان عملکرد را حفظ کند.

دلیلش مشخص است. عملکرد مبدل به دمای هوای ورودی، جریان هوا، تمیزی فین ها، دبی روغن، دمای ورودی روغن و شرایط کاری فن وابسته است.

به همین خاطر انتخاب تجهیز باید از شرایط واقعی کارخانه شروع شود.

اولین عددی که باید بدانیم چیست؟

دبی روغن.

بعد از آن دمای ورود و دمای خروج مطلوب مشخص می شود. اختلاف این دو دما همراه با ظرفیت حرارتی روغن، یک برآورد اولیه از بار حرارتی به ما می دهد.

رابطه پایه همان Q = m × Cp × ΔT  است.

اما در پروژه های سنگین، بهتر است بار حرارتی در چند وضعیت بررسی شود. مثلا شرایط عادی، بار بالا، دمای محیط بالا و کارکرد طولانی مدت.

اگر مبدل فقط برای یک نقطه ایده آل انتخاب شود، احتمال دارد در زمان اوج بار دمای روغن افزایش پیدا کند.

برای پروژه هایی که با روغن داغ سروکار دارند، مطالعه راهنمای طراحی مبدل حرارتی روغن داغ نیز می تواند دید بهتری نسبت به اثر دما و شرایط کاری روی انتخاب مبدل بدهد.

دمای محیط را دست کم نگیرید

در مبدل روغن به هوا، هوای محیط همان سیال خنک کننده است. بنابراین هرچه دمای محیط بالاتر برود، اختلاف دمای موثر کمتر می شود.

مثلا اگر روغن با دمای بالا وارد مبدل شود ولی هوای اطراف نیز بسیار گرم باشد، مبدل باید برای دفع همان بار حرارتی به سطح و جریان هوای بیشتری نیاز داشته باشد.

این موضوع در سالن های تولید، کنار خطوط نورد و محل هایی که تجهیزات حرارتی زیادی دارند مهم تر می شود.

در نتیجه دمای طراحی هوا نباید فقط از میانگین سالانه منطقه گرفته شود. شرایط واقعی محل نصب باید مشخص باشد.

گرد و غبار؛ مشکلی که در خنک کن روغن، روی کاغذ دیده نمی شود

یکی از تفاوت های اصلی محیط صنعتی با شرایط آزمایشگاهی، آلودگی هواست.

گرد و غبار روی فین می نشیند. با گذشت زمان، مسیر عبور هوا محدود می شود. افت فشار افزایش پیدا می کند و مقدار هوای عبوری از سطح انتقال حرارت کاهش پیدا می کند.

در چنین شرایطی ممکن است اپراتور فقط افزایش دمای روغن را ببیند، در حالی که ریشه مشکل کثیفی فین یا کاهش عملکرد فن است.

به همین دلیل برنامه نگهداری باید بخشی از طراحی باشد، نه کاری که بعد از خرابی انجام شود.

برای کاربردهایی که به سطح پره دار و انتقال حرارت با هوا متکی هستند، بررسی مبدل حرارتی رادیاتور پره ای نیز از نظر ساختار و شرایط نگهداری مفید است.

نشانه های افت عملکرد مبدل روغن به هوا

یکی از اولین نشانه ها، افزایش تدریجی دمای روغن خروجی است.

اگر قبلا سیستم در یک شرایط مشخص مثلا دمای مشخصی از روغن را حفظ می کرده و حالا دما بالاتر می رود، چند موضوع باید بررسی شود:

آیا فن با دور مناسب کار می کند؟

آیا مسیر هوا مسدود شده است؟

آیا فین ها کثیف هستند؟

آیا دبی روغن تغییر کرده است؟

آیا دمای محیط افزایش یافته است؟

آیا بار حرارتی سیستم بیشتر شده است؟

آیا افت فشار در مدار تغییر کرده است؟

گاهی مشکل از خود مبدل نیست. تغییر شرایط سیستم هیدرولیک می تواند باعث افزایش بار حرارتی شود.

این نکته در عیب یابی خیلی مهم است، چون تعویض مبدل بدون پیدا کردن علت اصلی ممکن است مشکل را برای مدت کوتاهی پنهان کند.

نگهداری باید چطور انجام شود؟

برای محیط های صنعتی، یک برنامه ساده پایش می تواند شامل کنترل دمای روغن، بررسی وضعیت فین ها، بررسی فن، کنترل لرزش و بررسی افت فشار باشد.

در داده های موجود برای این پروژه، پایش دمای روغن به صورت هفتگی، تمیزکاری فین ها به صورت ماهانه، بررسی فن و بلبرینگ هر سه ماه و تست افت فشار هر شش ماه پیشنهاد شده است.

این دوره ها را نباید بدون توجه به شرایط کارخانه نسخه ثابت دانست. اگر محیط بسیار آلوده باشد، فاصله تمیزکاری می تواند کمتر شود.

در مقابل، اگر شرایط تمیز باشد، برنامه سرویس ممکن است سبک تر شود.

روغن به هوا یا روغن به آب؟