رسوب زدایی مبدل های حرارتی؛ کاربرد و انواع آن

رسوب گیری پدیده ای بسیار نامطلوب در دنیای انتقال حرارت و انواع مبدل های حرارتی است. در اکثر مبدل‌های حرارتی، سیال در حال جریان کاملا عاری از خاک، روغن، گریس و رسوبات شیمیایی یا آلی نیست. در همه موارد، یک پوشش ناخواسته می تواند روی سطح انتقال حرارت جمع شود و ضریب انتقال حرارت را کاهش دهد. رسوب زدایی مبدل های حرارتی یک اقدام اساسی و پیشگیرانه در جهت افزایش راندمان حرارتی دستگاه و جلوگیری از اتلاف انرژی و فرسودگی آن است. در این مقاله با انواع مواد شیمیایی رسوب زدا و همچنین نحوه حذف رسوب از مبدل های حرارتی آشنا می شویم.

⇐ برای آشنایی بیشتر؛ پیشنهاد می کنیم به مطالعه ی مقاله ی رسوب زدایی از تجهیزات صنعتی بپردازید ⇒

ضرورت رسوب زدایی مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی یا (heat exchangers) وسیله ای است که برای انتقال انرژی حرارتی (آنتالپی) بین دو یا چند محیط با استفاده از یک سیال کار و یک سطح کاری با دماهای متفاوت استفاده می شود. انتقال حرارت می تواند بین سطح جامد و مایع، بین ذرات جامد و مایع و غیره رخ دهد. دستگاه مبادله حرارتی (یا استفاده از گرما) یکی از رایج ترین و مهم ترین عناصر تاسیسات برق، تاسیسات برقی و تکنولوژیکی است. هر گونه تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر، و همچنین انتقال انرژی از یک دستگاه به دستگاه دیگر، با انتقال بخش خاصی از انرژی به گرما همراه است. بنابراین تقریبا در همه ماشین‌ها و دستگاه‌ها، انتقال حرارت مهم است.

طبقه بندی انواع مبدل های حرارتی صنعتی

مبدل های حرارتی صنعتی را می توان به سه گروه کلی بر اساس موارد زیر طبقه بندی کرد:

• نحوه تبادل حرارت
• حالات فیزیکی سیالات متقابل
• طراحی یا الگوی جریان مبدل حرارتی

الف) نحوه تبادل حرارت

مبدل های حرارتی صنعتی ممکن است بسته به نحوه تعامل سیالات گرم و سرد طبقه بندی شوند.
♦ مبدل های حرارتی مستقیم هر دو سیال را در یک سیستم لوله ای در تماس مستقیم با یکدیگر قرار می دهند. اگرچه این روش بسیار مؤثر است، اما نمی توان از آن در شرایطی استفاده کرد که این دو سیال ممکن است یک مخلوط فرار ایجاد کنند یا نتایج یک فرآیند صنعتی را تغییر دهند.
♦ مبدل‌های حرارتی غیرمستقیم سیال‌های سرد و گرم شده را از یکدیگر جدا نگه می‌دارند و تبادل حرارت از طریق یک مانع فیزیکی انجام می‌شود.

ب) حالات فیزیکی سیالات متقابل

مبدل های حرارتی نیز ممکن است بر اساس وضعیت فیزیکی رسانه های تعاملی به دسته های مختلفی تقسیم شوند:
♦ مبدل های گاز – جامد
♦ مبدل های مایع – گاز
♦ مبدل های مایع – جامد

ج) طراحی یا الگوی جریان مبدل حرارتی

مبدل های حرارتی صنعتی در طرح های مختلف با الگوهای متنوع جریان تبادل حرارتی عرضه می شوند. انواع اصلی در زیر در نظر گرفته شده است.
♦ مبدل های حرارتی جریان موازی دارای طراحی هستند که به سیالات سرد و گرم شده اجازه می دهد در یک جهت حرکت کنند.
♦ مبدل های حرارتی ضد جریان به گونه ای طراحی شده اند که به سیالات گرم شده و خنک کننده اجازه ورود از انتهای مخالف دستگاه را می دهند. این موثرترین روش تبادل حرارت است. این طراحی کارآمدترین انتقال حرارت را بین سیالات برهم کنش در واحد جرم امکان پذیر می کند.
♦ مبدل های حرارتی جریان متقاطع، سیال فرآیند گرم شده و خنک کننده را در جهت هایی عمود بر یکدیگر هدایت می کنند.

کاربردهای انواع مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی نقش مهمی در فرآیندهای تکنولوژیکی، انرژی، پالایش نفت، تولید، حمل و نقل، تهویه مطبوع، سیستم های برودتی و بازیابی دارند. آنها همچنین به عنوان اجزای اصلی بسیاری از محصولات صنعتی موجود در بازار عمل می کنند. همه مبدل های حرارتی را می توان بر اساس معیارهای مختلف طبقه بندی کرد.
♦ چیلر: مبدل حرارتی که از مبرد برای خنک کردن مایع از طریق سیکل تبرید فشرده سازی یا جذب بخار استفاده می کند.
♦ کندانسور: بخار یا مخلوطی از بخارات را در حضور گازها غیر متراکم می کند.
♦ کولر: مایع یا گاز را خنک می کند، معمولاً از آب استفاده می کند.
♦ مبدل حرارتی: یک مایع را خنک می کند در حالی که مایع دیگر را گرم می کند.
♦هیتر: گرما را از طریق تماس با سطح گرم شده به مایع یا گاز منتقل می کند.
♦ Reboiler: از طریق تقطیر جزئی بخار تولید می کند. گرمایش با کمک یک عنصر گرمایش رخ می دهد که در نتیجه تراکم بخار رخ می دهد.
♦ ترموسیفون ریبویلر: گردش طبیعی مایع در حال جوش با فشار کافی حفظ می شود.
♦ بویلر با گردش اجباری: از یک پمپ برای گردش سیال در بویلر استفاده می شود.
♦ سوپرهیتر: بخار را تا دمای بالاتر از نقطه جوش گرم می کند.
♦ اواپراتور یا تبخیرکننده: مبدل حرارتی که بخشی یا تمام جریان مایع را تبخیر می کند.

یکی از مهم ترین کاربردهای مبدل های حرارتی ذکر شده در بالا، در پالایش نفت و گاز است. به دلیل اهمیت این موضوع در کشورمان، در ذیل به بررسی جامعی از انواع و کاربردهای مبدل های حرارتی در صنعت نفت و گاز پرداخته می شود.

انواع مبدل های حرارتی در صنایع نفت و گاز

الف) مبدل های حرارتی دو لوله:

مبدل های حرارتی دو لوله ای از آنچه به عنوان لوله در ساختار لوله شناخته می شود استفاده می کنند. دو لوله وجود دارد که یکی در داخل دیگری ساخته شده است. درست مانند مثال بالا، یک سیال از طریق لوله داخلی جریان دارد در حالی که سیال دوم در اطراف سیال اول در لوله بیرونی جریان دارد. این نوع مبدل های حرارتی به دلیل ساده ترین و مقرون به صرفه ترین آنها شناخته شده است. اندازه آن آن را برای فضاهای تنگ ایده‌آل می‌کند و به انعطاف‌پذیری بیشتری در چیدمان فرآیند تولید اجازه می‌دهد.

ب) مبدل های حرارتی پوسته و لوله:

از بین انواع مبدل های حرارتی، مبدل های حرارتی پوسته ای و لوله ای همه کاره ترین هستند. ی ک مبدل حرارتی پوسته و لوله با تعدادی لوله که در داخل یک پوسته استوانه ای قرار می گیرند طراحی شده است. طراحی پرطرفدار این نوع مبدل حرارتی طیف وسیعی از فشارها و دماها را امکان پذیر می کند. اگر نیاز به خنک کردن یا گرم کردن مقدار زیادی سیال یا گاز دارید، استفاده از مبدل حرارتی پوسته و لوله یک گزینه قابل بررسی است. در حالی که اندازه یک مبدل حرارتی پوسته و لوله در مقایسه با برخی از انواع دیگر کوچکتر است، می‌تواند به راحتی شکسته شود و تمیز کردن و تعمیر را آسان کند.

ج) مبدل های حرارتی لوله در لوله:

مشابه دیگر انواع مبدل های حرارتی، یک مبدل حرارتی لوله در لوله از دو لوله تشکیل شده است، یکی برای هر سیال. با این حال، لوله ها به هم پیچیده شده اند تا یک الگوی بیرونی و داخلی را تشکیل دهند. برنامه طراحی لوله در لوله می تواند نسبتا خلاقانه باشد. از آنجایی که لوله ها به هم پیچیده شده اند، اکثر طرح های این نوع فشرده هستند. برنامه های کاربردی برای مبدل حرارتی لوله در لوله حول دمای بالا و فشار بالا متمرکز می شود. از آنجایی که در خروجی بالاتری کار می کند، مبدل حرارتی لوله در لوله تمایل به کارایی بیشتری دارد.

د) مبدل های حرارتی صفحه ای:

در حالی که همه انواع مبدل های حرارتی که تاکنون مورد بحث قرار گرفت، طراحی مشابهی دارند، مبدل حرارتی صفحه ای استثنا است. از صفحات فلزی برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می شود. این صفحه یک پوسته فلزی است که دارای فضاهایی در داخل هر صفحه است که به عنوان راهرو برای عبور مایعات عمل می کند. با مبدل حرارتی صفحه ای، سطح بیشتری در تماس با سیالات وجود دارد، بنابراین سرعت انتقال حرارت بهتری نسبت به انواع دیگر دارد. اگرچه مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای می‌توانند گران‌تر باشند، کارایی به‌دست‌آمده از طراحی مزیت بزرگی است. این نوع مبدل حرارتی به دلیل دوام و نرخ تعمیر پایین، بهترین استفاده را در مکان هایی مانند نیروگاه ها دارد.

کاربردهای انواع مبدل های حرارتی در صنعت نفت و گاز

انواع مختلف مبدل های حرارتی موجود نقش کلیدی در فرآیندهای تولید نفت و گاز دارند که در زیر ذکر شده است:

• سیستم های انتقال روغن داغ
• اسکیدهای تهویه مطبوع گاز سوختی
• کنترل جریان آمونیاک سرد
• سیستم های روغن روان کننده
• واحدهای SCR

تشخیص ضرورت رسوب زدایی مبدل های حرارتی

یک مبدل حرارتی موجب جریان یافتن گرما در موادی مانند صفحه فولادی ضد زنگ یا لوله مسی می شود. گرما از سمت گرم به سمت سرد حرکت می کند. رسوب و سایر مواد انباشته کننده سطح تبادل حرارت را عایق می کنند و کارایی آن را کاهش می دهند. اکثر مبدل های حرارتی برای کار در یک محدوده دمایی خاص به نام دلتا تی(ΔT) طراحی شده اند.

ΔT تفاوت بین دمای ورودی و خروجی مبدل حرارتی را توصیف می کند. کاهش ΔT نشانه کاهش راندمان انتقال حرارت است. این کاهش معمولا به دلیل تشکیل رسوب، رسوب میکروبیولوژیکی یا ته نشین شدن گل در داخل یا روی لوله ها است. احتمال اینکه مواد معدنی در دمای بالاتر آب از حالت تعلیق خارج شوند و در رسوبات سطح داخلی مبدل حرارتی رسوب کنند، بیشتر است.

روش کنترل و حذف رسوب از مبدل های حرارتی

جلوگیری از تشکیل رسوب ترکیبی از چرخه های کنترل غلظت و اصلاح حلالیت کربنات کلسیم با مهارکننده های آستانه شیمیایی یا وسایل دیگر است. با دانستن حلالیت آستانه، یا غلظتی که در آن رسوب شروع به تشکیل می‌کند، می‌توانیم شرایط را در حاشیه امن زیر این نقطه کنترل کنیم. موثرترین راه برای کاهش تجمع رسوب در مرحله اول جلوگیری از تشکیل آن است. رسوب را می توان در یک مبدل حرارتی با موارد زیر کنترل کرد:

• پیش تصفیه آب تشکیل دهنده دیگ بخار: مواد معدنی زدایی، نرم کننده های آب و اسمز معکوس می توانند مواد معدنی را که احتمالا رسوب می کنند، هدف قرار داده و حذف کنند.
• ایجاد یک برنامه تصفیه آب مداوم: تعمیر و نگهداری پیشگیرانه منظم را برای مبدل حرارتی انجام دهید و تمیز کردن شیمیایی دوره ای تجهیزات خنک کننده یا گرمایش آب را برنامه ریزی کنید.
• کاهش محتوای معدنی در منابع آب: با محلول‌های مختلف از جمله نرم‌کننده‌های شیمیایی، نرم‌کننده جداسازی غشاء و نرم‌کردن تبادل کاتیونی، آب را نرم‌تر و آهسته‌تر تشکیل دهید.
• اگر رسوب قبلا در یک مبدل حرارتی تشکیل شده است، می‌توانید با تمیز کردن تجمع رسوب و ایجاد اقداماتی برای پیشگیری در آینده، سیستم را به حالت کارآمد برگردانید.

⇐ مقاله مرتبط: رسوب زدایی از بویلرها یا دیگ های بخار

⇐ مقاله مرتبط: رسوب زدایی تجهیزات حرارتی شناورهای دریایی

⇐ مقاله مرتبط: انواع شوینده صنعتی و کاربردهای آن

راهکارهای شش گانه برای حذف رسوب از مبدل های حرارتی

این شش نکته به شما کمک می‌کند تا هزینه‌های ازکار افتادگی و رسوب زدایی مبدل‌ های حرارتی را تا حدی جبران کنید:

1. روش‌های فوق پرفشار برای رسوب زدایی مبدل های حرارتی

جت آب فوق فشار بالا از راه دور و چند لانس باید یکی از اولین انتخاب ها برای هر برنامه حذف رسوب از مبدل های حرارتی باشد زیرا موثر و سازگار با محیط زیست است. با استفاده از چیزی جز آب، می توان با موفقیت رسوبات را از مبدل های حرارتی، بست های تیوب و سیستم های اطراف حذف کرد. استفاده از آب نیاز به دفع تخصصی حلال ها و شوینده های مضر را کاهش می دهد. این همچنین بدون نیاز به خدمات دفع مواد شیمیایی خطرناک، به کاهش هزینه های تمیز کردن و نگهداری کمک می کند.

2. رسوب زدایی مبدل های حرارتی طبق برنامه

تعمیر و نگهداری معمول باید طبق یک برنامه انجام شود. بسته به مبدل حرارتی خاص مورد نظر، زمان بندی صحیح روال تعمیر و نگهداری ممکن است توسط سازنده تعریف شود یا توسط تیم تعمیر و نگهداری در محل تنظیم گردد. رسوب زدایی طبق یک روال منظم از رسیدن رسوبات به سطوح آسیب رسان که ممکن است باعث تعطیلی کارخانه شود جلوگیری می کند.

3. فرآیند تمیز کردن در محل مبدل های حرارتی

تکنیک‌های رسوب زدایی مبدل های حرارتی رباتیک اکنون امکان انجام تعمیر و نگهداری بدون جداسازی را فراهم می‌کند. این یک راه حل خوب برای اپراتورهای کارخانه است که به دنبال به حداقل رساندن زمان خرابی و هزینه های مرتبط هستند. برخی از متخصصان فقط تجهیزات مبدل حرارتی را در محل خود تمیز می کنند، اما زمان توقف اضافی ناشی از این روش برای اکثر مشاغل غیرقابل قبول است.

4. بازگشت لوله ها به حالت فلز برهنه

هنگام رسوب زدایی مبدل های حرارتی، مهم است که تمام رسوبات را حذف کرده و لوله ها را به فلز برهنه برگردانید. عدم حذف همه رسوبات، مزایای مورد انتظار را به همراه نخواهد داشت و بازده سرمایه گذاری در تعمیر و نگهداری را کاهش نمی دهد. انتخاب بازگشت به فلز برهنه به طور قابل توجهی دوره های بین چرخه تمیز کردن را با بازگرداندن مؤثر لوله ها و سطوح به استانداردهای جدید کارخانه افزایش می دهد. با حذف تمام رسوب و بازمانده ها، راندمان کارخانه و همچنین بازگشت سرمایه در خدمات نظافت پیشرفته افزایش می یابد. صیقل دادن داخل لوله ها با از بین بردن بسیاری از لکه های میکروسکوپی که به محل رسوبات جدید برای شروع ساخت و ساز تبدیل می شوند، به بهبود جریان مایع کمک می کند.

5. تمیز کردن سطوح خارجی بست های تیوب، لوله‌ها و پوسته‌ها

بسته‌های لوله، لوله‌های داخلی و کناره‌های پوسته اغلب بالاترین اولویت را برای تمیز کردن دارند، زیرا این سطوح به احتمال زیاد تحت تأثیر رسوبات و تجمعات شیمیایی قرار می‌گیرند. با این حال، سطوح بیرونی تجهیزات مبدل حرارتی نیز نقش مهمی در اتلاف گرما و عملیات کارآمد دارند.

6. ابزارهای تمیز کننده مناسب برای رسوب زدایی از مبدل های حرارتی

از بین بردن رسوبات پلیمری به ویژه چالش برانگیز است، برخی از اپراتورها حتی از چکش، اسکنه و اره برقی برای پاکسازی تجمعات استفاده می کنند. هنگام برخورد با تجهیزات دقیق، استفاده از ابزارهای عمومی مانند این تقریبا به طور قطع منجر به آسیب به تجهیزات و هدر رفتن تلاش کارکنان می شود. تقریبا در همه موارد، تجهیزات کارخانه را می توان با ترکیبی از آب پرفشار، اره نواری و صبر تمیز کرد. هر چه رسوبات پلیمری ضخیم تر شوند، مدت بیشتری طول می کشد تا پاک شوند.

کلام آخر:

بدون تمیز کردن منظم، رسوب و ته ماندهای آهکی، کارایی مبدل حرارتی را کاهش می دهد و در صورت عدم کنترل می تواند باعث خرابی تجهیزات و فرآیندهای صنعتی شود. خاموش شدن به دلیل خرابی انواع مبدل های حرارتی می تواند صدها هزار دلار هزینه داشته باشد. با این حال، هنگامی که رسوب زدایی مبدل های حرارتی به درستی انجام شود، عملکرد را بهبود می بخشد و در هزینه صرفه جویی می کند. محصول دسکالین 202 شرکت آرال شیمی یک ماده شیمیایی موثر جهت حذف رسوب از مبدل های حرارتی و سایر تجهیزاتی است که با آب گرم سروکار دارند.