طبقه بندی پمپ های ساتریفیوژ بر حسب کاربرد

http://www.4shared.com/office/n_mejMK6/________.html

http://www.4shared.com/office/fnsaEPZV/___online.html

دانلود:

http://www.4shared.com/office/fZu3taDG/jozveh_kontrol_-_sharif.html

چكيده :

دبي سنج ها در دو نوع اساسي تقسيم بندي مي شوند : دبي سنج هايي كه در مسير جريان مي باشند و دبي سنج هايي كه از لوله منشعب شده اند . هد متر ها يا دبي سنج ها اختلاف فشاري رايج ترين نوع وسايل اندازه گيري جريان در صنعت مي باشند . مبناي محاسبه دبي در اين نوع دبي سنج ها بر اساس سنجش سرعت سيال و سپس توليد سيگنالي متناسب با سرعت سيال است.

مقدمه :

اندازه گيري جريان يكي از مهمترين جنبه هاي كنترل فرآيند است و در حقيقت رايج ترين پارامتر اندازه گيري فرآيند مي باشد . دبي سنج ها براي تعيين مقدار سيال عبوري از لوله به كار مي روند. جريان عموماَ  توسط اندازه گيري سرعت در يك سطح مقطع مشخص اندازه گيري مي شود و دبي حجمي با رابطه ساده QV = A * V بدست مي آيد. در اينجا A  سطح مقطع لوله و V سرعت سيال است. از عوامل موثر بر دبي جريان در لوله عبارتند از : سرعت سيال ، اصطكاك سيال در تماس با لوله ، ويسكوزيته و دانسيته سيال .

سرعت سيال به هد فشار بستگي داشته و توسط نيروي جريان درون لوله ايجاد مي شود. هد فشار بيشتر مسبب دبي بيشتر و متعاقباً دبي حجمي بزرگتر مي شود. اندازه لوله نيز بر دبي جريان موثر است براي مثال دو برابر كردن قطر لوله دبي جريان را چهار برابر مي كند. اصطكاك در لوله باعث كاهش دبي سيال درون لوله شده و لذا به عنوان يك فاكتور منفي در نظر گرفته مي شود و دبي سيال در نزديكي ديواره لوله را كاهش مي دهد، لوله صاف و تميز باعث كاهش تاثير اصطكاكي بر دبي سيال مي شود.

 ويسكوزيته نيز بر دبي جريان تاثير منفي دارد، ويسكوزيته مايعات با افزايش دما كاهش مي يابد ولي در بعضي ديگر ، از يك حد دمايي به بعد شروع به افزايش مي كند. در كل مي توان گفت ويسكوزيته زيادتر سيال منجر به دبي كمتر جريان مي شود.

شرح و توصيف :

از عوامل موثر بر انتخاب دبي سنج ها دقت و اطمينان پذيري مي باشد، اندازه گيري غير دقيق منجر به خسارت به تجهيزات و محصولات كارخانه مي شود و با اندازه گيري دقيق مي توان مقدار توزيع و يا تركيب سيالات را مشخص كرده و دقيقاَ سود و زيان توليد را محاسبه كرد.

دبي سنج ها در دو نوع اساسي تقسيم بندي مي شوند : دبي سنج هايي كه در مسير جريان مي باشند و دبي سنج هايي كه از لوله منشعب شده اند . انتخاب دبي سنج مناسب مستلزم شناخت شرايط عملياتي فرآيند و نيازمندي هاي عملكرد تجهيزات است. شرايط عملياتي فرآيند ها شامل مواردي چون تخمين دبي حداكثر و حداقل فرآيند ، دما و فشار عملكرد و خواص فيزيكي اعم از ويسكوزيته ، دانسيته ، فرسايش و خوردگي مي باشند. از معيار هاي ديگر انتخاب دبي سنج ها در فرآيند ها توجه به مزايا و عيوب آنها مي باشد . مزايا و عيوب دبي سنج ها  بر اساس معيار هايي چون  دقت ، قابل اعتماد بودن ، قيمت خريد ، هزينه نصب ، هزينه مالكيت ، سهولت استعمال ، قابليت اندزه گيري دبي مايع ، بخار و گاز ، محدوديت پذيري ، تكرار پذيري ، قابليت نگهداري ، حساسيت به لرزش ، افت فشار ، وجود اندازه هاي مختلف و ... مي باشد.

هر دبي سنج ، داراي يك سري مشخصه ها و مزاياي خاص خود است و با پيشرفت در توليد فرآيند ها و مواد ، مطالبات جديدي به روي اين گونه وسايل گشوده است .

انواع گوناگون دبي سنج

دبي سنج ها را مي توان بر اساس تكنولوژي به كار رفته در آنها طبقه بندب نمود، لذا دسته بندي كلي دبي سنج ها به صورت زير مي باشد :

1.  دبي سنج هاي فشاري (Head Meters)
2.  دبي سنج هاي سرعتي (Velocity Meters)
3.  دبي سنج هاي جرمي (Mass Meters)
4.  دبي سنج هاي جابجايي مثبت (Positive Displacement Meters)

يكي ديگر از دسته بندي هاي رايج دبي سنج ها به صورت زير مي باشد :

•  دبي سنج هاي اختلاف فشاري
•  دبي سنج هاي مكانيكي
•  دبي سنج هاي الكترونيكي
•  دبي سنج هاي جرمي

ما در اينجا دسته بندي اول را براي شرح انواع دبي سنج ها به كار مي گيريم.

بعضي از دبي سنج ها دبي جريان را مستقيماَ و بدون واسطه گزارش مي دهند ، دبي سنج هاي جرمي از اين نوع هستند در حاليكه دبي سنج هاي حجمي بدين گونه نبوده و به طور غير مستقيم توسط اندازه گيري افت فشار يا سرعت سيال و يا ... دبي را گزارش مي دهند.

چكيده :

براي اندازه گيري دما انواع مختلفي از حسگر ها وجود دارد. برخي از حسگر ها نوع قديمي تر عبارتند از ترموكوپل ها RTD ها و ترميستورها . اين حسگر ها به دليل محاسن و كارايي زياد به طور گسترده به كار مي روند.

مقدمه :

نسل جديد حسگرها مانند حس گر هاي مدار مجتمع و ابزار هاي سنجش دما به روش تابش تنها براي تعداد محدودي از كاربردها شناخته شده است و مورد استفاده قرار مي گيرد. انتخاب نوع حسگر بستگي به ميزان دقت محدوده دمايي سرعت پاسخ اتصال حرارتي محيط    ( از نظر شيميايي الكتريكي و يا فيزيكي بودن ) و همچنين قيمت دارد .

شرح و توصيف :

همينطور كه در جدول زير ملاحظه مي كنيد براي اندازه گيري دماهاي پايين و بسيار بالا مناسبترين انتخاب ترموكوپل ها مي باشند . محدوده اندازه گيري معمول ترموكوپل ها بين     270 -  تا 2600+ است. ترموكوپل ارزان و بسيار مقاوم است و مي توان از انها در بسياري از محيط هاي فيزيكي و شيميايي استفاده كرد . براي عملكرد انها نياز به تغذيه خارجي و جود ندارد و دقت انها معمولا مثبت منفي يك درجه است .

RTD ها در محدوده دماهاي مياني از 200- تا600+ سانتيگراد بكار مي روند. اين حسگر هادقت بالا معمولاً در محدود مثبت منفي 2 درجه سانتيگراد را دارا مي باشند . RTD ها همچنين مي توانند در بيشتر محيط هاي فيزيكي و شيميايي استفاده شوند ولي به اندازه ترموكوپل ها مقاوم نيستند.
ترميستورها در كاربردهاي دمايي پايين تا مياني در محدوده 50- تا 200+ بكار مي روند اين حسگر هابه اندازه ترموكوپل ها و RTD ها مقاوم نيستند و نمي توان از انها به راحتي در محيط هاي شيميايي استفاده كرد. ترميستورها ارزان قيمت هستند.
حس گرهاي نيمه هادي در كاربردهايي با دماي پايين و در محدوده 40- تا 125+ بكار مي روند اتصال انها با محيط كامل نيست . قيمت ارزاني دارند و در بعضي از مدل ها مستقيم و بدون نياز به مبل A/D به كامپيوتر وصل مي شوند.

مزايا و معايب حسگر ها :

خطاهاي اندازه گيري:

منابع مختلفي مي تواند براي ايجاد خطا در حين اندازه گيري دما وجود داشته باشد كه برخي از خطاهاي مهم توضيح داده مي شود.

خطا هاي تنظيم :

خطاهاي تنظيم در اثر خطاهاي انحراف و خطاي خطي پديد مي آيد .اين خطاها در اثر چرخه هاي طولاني حرارتي ايجاد مي شود و معمولا سازندگان توصيه مي كنند كه ابزار اندازه گيري را هر چند وقت يك بار تنظيم كنيد . در زمان تعويض حسگراز همان نوع حتما بايد عمل تنظيم مجددا صورت پذيرد. RTD ها دقيقترين و پايدار ترين حسگرها هستند.

ايجاد حرارت در اثر عمل حس گر :

RTD ها ترميستورها و حس گرهاي نيمه هادي براي خواندن خارجي نياز به منبع تغذيه خارجي دارند. اين منبع مي تواند سبب گرم شدن حسگرو در عمل خواندن خطا ايجاد كند.

اغتشاش الكتريكي :

اغتشاش الكتريكي ( noise ) سبب ايجاد خطا در اندازه گيري مي شود . ترموكوپل ها ولتاژ بسيار پاييني توليد مي كنند و به همين دليل اغتشاش مي تواند به راحتي بر اندازه گيري انها اثر بگذارد . با استفاده از فيلترهاي پايين گذر دور نگه داشتن حسگر ها و سيم ها از ابزار هاي الكتريكي مي توان اين مقدار را به حداقل رساند.

فشار مكانيكي:

برخي حسگر ها مثل RTD ها به فشار مكانيكي حساس هستند و وقتي در معرض فشار قرار مي گيرند خروجي هاي نادرست ايجاد مي كنند . با اجتناب از تغير فرم حسگر استفاده نكردن از مواد چسبنده براي اتصال ثابت حسگرو استفاده از ترموكوپل كه حساسيت كمتري نسبت به فشار مكانيكي دارند مي توانند راه گشاي باشد .

مقدمه:
 
سير تحولات سيستمهاي كنترلي :

در آغاز سيستمهاي كنترليِ صنعتي، عموماً سيستمهاي نيوماتيك( بادي) بودند كه هم براي انتقال فرمان ها (سيگنال ها) و هم براي تنظيم شيركنترل مورد استفاده قرار مي گرفتند. سيگنالهاي نيوماتيك همگي فشاري هستند و با فشاري بين  3 تا 15   psi قادر به تنظيم فرمانها مي باشند.

سيستمهاي نيوماتيك با وجود ايمني زياد( به خاطر استفاده از هوا) داراي مشكلات فراواني مي باشند . زيرا تمامي قسمتهاي سيستم مكانيكي هستند و اصطكاك زياد و به هم خوردن كاليبراسيون همواره براي واحدهاي صنعتي ايجاد مشكل مي كنند. مشكل مهم اين سيستمها هنگام انتقال سيگنالها و (فرمانها) از قسمت دستگاهها تا اتاق كنترل مي باشد كه زمان طولاني احتياج دارد و مشكلات زيادي براي كنترل سيستم به وجود مي آورد.

در دهه 60 به علت مشكلات به وجود آمده توسط سيستمهاي كنترلي بادي و همگام با گسترش صنايع الكترونيكي مهندسان به استفاده بيشتر از تجهيزات الكتريكي روي آوردند . در اين زمان با استفاده از قطعات الكترونيكي مثل مقاومت، ديود و سلف تواستند سيگنالهاي الكتريكي را جهت تنظيم و كنترل به كار گيرند . مزاياي استفاده از چنين سيستمهايي عبارتند از:

• ارزانتر بودن نسبت به سيستمهاي نيوماتيك
• نداشتن تاخير زماني

با وجود اين مزيتهاي مهم به علت مسائل ايمني، در ابتدا اين صنعت زياد مورد استقبال قرار نگرفت . اما مشكل جرقه زدن با استفاده از  short circuit حل شد و پس از آن به سرعت وارد صنعت گرديد.

در اين زمان شيرهاي كنترلي جديدي به نام شيرهاي موتوري وارد بازار شدند كه دقت زيادي داشتند اما به علت ديناميك كند مورد استقبال قرار نگرفتند. عمدتاً ثابت زماني شيرهاي كنترلي موتوري در حد چند دقيقه مي باشد در حاليكه ثابت زماني شيرهاي كنترلي بادي در حد چند ثانيه مي باشد.

با توجه به ديناميك سريع شيركنترل هاي بادي و مزاياي سيستمهاي كنترل الكترونيكي در اين دهه دستگاهي به نام I to P convector به بازار عرضه شد. I to P اين اجازه را به طراح مي دهد كه تا سر شير كنترل تمامي فرمانها الكترونيكي باشند و درست در بالاي شير كنترل با استفاده از يك I to P اين فرمانهاي الكتريكي به فركانسهاي نيوماتيك تبديل مي گردند.

در دهه 70 عمده تحولات در بخش كنترل به وجود آمد و پس از مدتي وسايل انداره گيري پيشرفته نيز عرضه شد. اين بار ميكروپروسسور به جاي قطعات الكتريكي همچون مقاومت ديود و سلف به كار گرفته شد .

مزاياي ميكروپروسسور عبارتند از:

• ارزانتر بودن
• قابليت محاسبه با سرعت بسيار زياد
• به كارگيري تنظيم كننده خودكار (Auto tuner mode)

شكل 1 - اتاق كنترل يك سيستم كنترلي ديجيتال

در دهه 80 با استفاده از يك كامپيوتر قوي تحول عمده اي در صنعت كنترل صورت گرفت . تا قبل از استفاده از سيستم هاي DCS هر حلقه كنترلي با يك ميكروپروسسور كنترل مي شد اما پس از ابداع DCS كل plant با استفاده از يك ميكروپروسسور قوي كنترل مي شود.

تنها مشكل DCS اين است كه اگر ميكروپروسسور از كار بيفتد تمامي plant به تبع آن از كار مي افتد . در نيمه اين دهه با قسمت كردن plant تا حدود زيادي مشكل حل شد اما از آنجا كه هر قسمت يك ميكروپروسسور لازم دارد، هزينه كنترل بالا رفت. امروزه جهت مقابله با اين مشكل از دو ميكروپروسسور به  صورت موازي استفاده مي شود. يعني كل plant با دو ميكروپروسسور كنترل مي شود. اين عمل بدين صورت است كه هر دو ميكروپروسسور ورودي دارند و محاسبات را همزمان انجام مي دهند اما تنها يكي از اين دو خروجي دارد و ديگري در حالت آماده به كار (Stand By) مي باشد تا اگر ميكروپروسسور اول از كار افتاد (fail كرد)  سريعا دومي در همان لحظه وارد عمل گردد.
 

شكل 2 - نمايي از نحوه كنترل فرآيند توسط سيستم DCS
 

شكل 3- اتاق كنترل يك سيستم DCS

شرح و توصيف:

هدف از كنترل، تنظيم فرايند درشرايط مورد نظر است. در ابتدا جهت آشنايي با برخي از مفاهيم كنترل فرايند به شكل ساده اي از كنترل يك فرايند مي پردازيم. فرايند مورد نظر براي گرم كردن آب (توسط يك سيال داغ) بكار رفته است.
نحوه عمل بدين صورت است كه ابتدا آب وارد يك مخزن به عنوان آب گرمكن مي شود و توسط يك كويل حرارتي (لوله هايي كه در آن يك سيال داغ وجود دارد) آب گرم مي شود.
 

شكل 4 - نمايي از نحوه كنترل فرآيند توسط مسئول

الف) اندازه گيري:
توسط مسئول دستگاه و با استفاده از لمس نمودن آب خروجي از آب گرمكن ميزان گرم يا سرد بودن آب اندازه گيري مي شود.

ب) مقايسه:
مسئول دستگاه، ميزان گرمي آب خروجي را با ميزان گرمي مطلوب ( آنچه بايد باشد ) در ذهن مقايسه مي كند.

ج) كنترل:
حال با توجه به مقايسه صورت گرفته و متناسب با ميزان دوري از حالت مطلوب، شير ”ج” را باز يا بسته مي نمايد و سعي مي نمايد اختلاف دماي موجود را كاهش دهد.

اين مجموعه عمليات الف-ب-ج آنقدر ادامه مي يابد تا در نهايت ميزان گرمي آب خروجي برابر مقدار مطلوب شود. اين مثال ساده اساس كار يك كنترلر متداول مي باشد اما مسلم است كه در صنعت هيچگاه از يك شخص به طور مستقيم و مداوم نمي توان استفاده كرد.
براي درك بهتر و راحت تر كردن محاسبات هيچگاه از شكل فوق استفاده نمي شود و بجاي آن از نمودار جعبه اي به شكل زير استفاده مي شود.
 

شكل 5 - نمودار جعبه اي

سيستم كنترل نشان داده شده در شكل، سيستم مدار بسته (Closed loop system) و نيز سيستم پس خور  (feed back system) ناميده مي شود زيرا مقدار اندازه گيري شده متغير كنترل شونده(دماي آب) به مقايسه كننده پس خورانيده (feed back) مي شود. در مقايسه گر ، متغير كنترل شونده با مقدار مطلوب (مقدار مقرر ) مقايسه مي شود و اگر اختلافي بين مقدار متغير اندازه گيري شده و مقدار مطلوب موجود باشد توسط مقايسه گر، خطا (error) ايجاد مي شود و به كنترلر (Controller)) فرستاده مي شود. حال كنترلر با توجه به خطاي ورودي تنظيمات لازم را براي شيركنترل( عنصر كنترل نهايي) ارسال مي كند. حال دوباره اندازه گير( مثلاً دماسنج) با اندازه گيري هايي كه از سيستم به عمل مي آورد براي مقايسه كننده مشخص مي كند كه آيا به مقدار مطلوب رسيده ايم يا خير و پس از آن مجموعه مراحل فوق دوباره تكرار مي شود.
 

شكل 6 – مجموعه مراحل يك سيستم كنترلي براي كنترل فرآيند از اتاق كنترل تا سر شيركنترل

برخي مفاهيم اساسي در بحث كنترل

 متغيرهاي كنترلي: در بحث كنترل فرايند، متغيرهاي كنترلي عبارتند از 1-دما 2-فشار 3- جريان 4- سطح
- اندازه گيري: عمل اندازه گيري توسط عنصر اندازه گيرِ متغيرهاي كنترلي در يك فرايند( 4 مورد فوق )
صورت مي گيرد. چگونگي اندازه گيري و دستگاههاي مربوطه در ابزار دقيق به طور مفصل مورد بحث قرار گرفته اند.
- مقايسه: مقايسه توسط دستگاه مقايسه كننده صورت مي گيرد. اين مقايسه بين مقدار مطلوب (Set point) و كميت اندازه گيري شده توسط عنصر اندازه گير انجام مي گيرد. قلم هاي ثبات در كنترل كننده هاي قديمي اين عمل را انجام مي دهند و نتيجه را به صورت فاصله عقربه از مقدار مقرر براي كنترلر ارسال مي كنند.
- كنترلر: با توجه به خطاي (error) فرستاده شده از مقايسه گر فرمان مقتضي را براي شير كنترل ارسال مي كند. مثلاً در مرسوم ترين نوع كنترلر كه كنترلر PID (Proportional Integral Differential) مي باشد فرمان ارسال شده به صورت سيگنالهاي الكتريكي يا بادي مي باشد.
- فرمان (Signal) : پس از اندازه گيري تغييرات مشاهده شده در فرايند بايد اين تغييرات را به طريقي به ساير قسمتها منتقل كرد. در يك مدار كنترل از يكي از فرمانهاي زير استفاده مي شود.
1- فرمان برقي: فرمان برقي بيشتر براي مسافت هاي دور مورد استفاده قرار مي گيرد. مثلاً براي فرستادن فرمان از اتاق كنترل تا سر شيركنترل يا از وسايل اندازه گيري تا اتاق كنترل.
2- فرمان بادي: در فواصل كوتاه براي انتقال تغيير روند از فرمان هوايي استفاده مي گردد . در بعضي شرايط بجاي هوا ازگازها و يا مايعات (هيدروليكي) نيز استفاده مي گردد. به علت سرعت بالاي تغييرات در شير كنترل از فرمان بادي به صورت هواي فشرده استفاده مي گردد. بدين ترتيب از اتاق كنترل تا سر شير كنترل فرمان به صورت الكتريكي و براي سرعت بخشيدن به ديناميك سيستم از هواي فشرده جهت باز و بسته شدن اكثر شيرهاي كنترلي استفاده مي شود. البته گاهي اوقات شير كنترل با موتور الكتريكي به حركت در مي آيد كه همانطور كه گفته شد سرعت پاييني دارد.
3- فرمان مكانيكي: اين نوع فرمان در داخل ابزار دقيق مورد استفاده قرار مي گيرد و در مدار كنترل استفاده نمي شود.
- فرايند: دستگاه يا مجموعه دستگاه هايي كه بايد در حد شرايط مورد نظر كنترل شوند را فرايند گويند.
- پس خور: اغلب راهكار تنظيم يك فرايند به صورت پس خور مي باشد يعني پس از آنكه تغييرات توسط كنترلر به سيستم اعمال شد، به صورت مستمر متغيرهاي سيستم(فرايند ) اندازه گيري مي شوند و به مقايسه گر پس خورانيده مي شوند تا آنكه خطا صفر شود.
- حالت يكنواخت: يك فرايند را هنگامي مي توان در حالت يكنواخت ناميد كه هيچ يك از متغيرها با گذشت زمان تغيير نكند. در اكثر فرايندهاي صنعتي تمامي دستگاهها بايد حول يك نقطه ثابت كه طراحي شده اند كار كنند كه نقطه يكنواخت ناميده مي شود.
- اغتشاش و بار: معمولاً فرايند ها هميشه در يك نقطه مشخص كه طراحي شده اند عمل نمي كنند . اين موضوع به علت نويزها مي باشد. به عنوان مثال غلظت يا دبي خوراك ورودي به يك واحد ممكن است همواره تغيير كند. اگر اغتشاش ورودي به فرايند قابل اندازه گيري باشد و به نوعي بتوان آنرا مدل كرد آنرا بار (load) مي نامند. راهكارهاي زيادي جهت مبارزه با نويزها و بارها وجود دارد.
- تاخير زماني (Lag): در اكثر فرايند هاي صنايع شيميايي همواره يك تاخير زماني بين ورودي و خروجي وجود دارد. در ساده ترين مورد هنگامي كه يك سيال از لوله عبور مي كند هيچگاه به محض ورود به لوله از سوي ديگر خارج نمي شود. يعني مدت زماني به اندازه زمانيكه لازم است تا لوله با سيال ورودي پر شود لازم است تا اثر ورود سيال در خروجي ظاهر شود. اين پديده را تاخير زماني يا Lag مي گوييم . به عنوان مثال اثر تغيير در شرايط خوراك ورودي به يك دستگاه تقطير ممكن است دهها دقيقه به طول بيانجامد تا تاثير آن در محصول تقطير شده خروجي از بالاي برج مشخص گردد.

 طراحي كنترلر

در حالت كلي به سه منظور كنترلر طراحي مي گردد:

1. اگر سيستم خيلي تند باشد و بخواهيم سرعت آنرا تعديل كنيم. به عنوان مثال در مواردي سيستم بسيار حساس است و با يك تغيير كوچك عكس العمل هاي شديدي ممكن است به شير كنترل وارد كند كه باعث استهلاك آن مي گردد. در نتيجه بايدكنترلري طراحي شود تا مانع از عكس العمل هاي شديد شيركنترل شود. در اين حالت اصطلاحاً مي گوييم يك ديناميك در سيستم وارد كرده ايم.
2. گاهي سيستم مورد نظر بسيار كند است و مي خواهيم سيستم سريعتر به جواب برسد . در اين حالت بايد مدار كنترلي بخشي از ديناميك فرايند را خنثي سازد. اين كار با مدلسازي فرايند و حذف ديناميك سيستم تا جاي ممكن عملي مي شود.
3. سيستم ناپايدار است و بايد پايدار شود. بحث پايداري مهمترين بحث طراحي كنترلر مي باشد و تمامي سيستمها بايد به دقت مورد مطالعه واقع شوند تا ببينيم سيستم پايدار است يا خير. در صورت پايداري بايد با الگوريتم هاي موجود آنرا پياده سازي كنيم. حتي اگر سيستم پايدار باشد بايد مواظب باشيم تا پس از بستن مدار و طراحي كنترلر سيستم ناپايدار نگردد. در هنگام طراحي از اين عامل به عنوان يكي از پارامترهاي طراحي استفاده مي كنيم.
    

شكل 7 - الف. يك سيستم درجه دو كه خروجي شديدي دارد. ب. پس از قراردادن يك ديناميك در سيستم پاسخ تعديل شده است.

 تنظيم كنترلر
در تنظيم كنترلر همواره دو عامل در نظر گرفته مي شود:

پايداري
در بحث طراحي كنترلر يكي از مهمترين قسمت ها بررسي پايداري سيستم مي باشد . يك سيستم هنگامي پايدار است كه اگر يك ورودي محدود به سيستم وارد شود پس از مدت زمان معيني خروجي محدود بماند. به عنوان مثال اگر يك تغيير در دما يا دبي ورودي راكتور به وجود بيايد پس از يك مدت زمان معين انتظار آنست كه شرايط عملياتي راكتور و كيفيت محصول خارج شده مقدار معيني باشد نه آنكه پس از مدتي راكتور از كنترل خارج شود و مثلاً منفجر گردد. هنگام تنظيم كردن؟ ”tune“ كنترلر بايد متوجه موضوع پايداري بود.

عملكرد كنترلر
در بحث عملكرد كنترلر معمولاً چند عامل در نظر گرفته مي شوند و سعي طراح بر آن است كه كنترلر را طوري تنظيم كند كه به بهترين جواب برسد. برخي از مهمترين پارامترهايي كه در تنظيم عملكرد كنترلر در نظر گرفته مي شوند عبارتند از :

• سرعت رسيدن به جواب نهايي
• آفست يا خطاي ماندگار در برخي از سيستم ها به وجود مي آيد و باعث مي شود كه سيستم هيچگاه به جواب نهايي نرسد و تنها در حدود جواب نهايي قرار گيرد. معمولاً در طراحي ها سعي مي شود مقدار انحراف به حداقل برسد.
• اورشوت: در برخي سيستمها به وجود مي آيد. در اين حالت سيستم در لحظه اي كه ورودي به آن وارد مي شود عكس العمل شديدي نشان مي دهد. اين موضوع باعث بالا رفتن سرعت رسيدن به جواب نهايي مي شود .اما از طرف ديگر باعث استهلاك كنترلر و خراب شدن محصولات نيز مي گردد . ميزان اورشوت بايد بهينه مي باشد. (شكل 7 - الف )
• انتگرال خطا: سطح زير نمودار مي باشد. مشخص است كه هرچه اين سطح كوچكتر باشد كنترلر عملكرد بهتري دارد. عموماً در طراحي دو عامل پايداري و عملكرد با هم در تقابل مي باشند. بدين معنا كه غالباً به خاطر پايداري بايد مقداري از كيفيت عملكرد سيستم بكاهيم. به عنوان مثال براي اينكه سيستم معيار پايداري بهتري داشته باشد خصوصاً در مقابل خطاي مدلسازي مقاومت نشان دهد و اصطلاحاً ”Robust“ باشد مجبوريم از سرعت ديناميكي سيستم بكاهيم و به نوعي مانع از ورودي هاي شديد به سيستم شويم . در تنظيم كنترلر معمولاً از روشها و جداول استاندارد استفاده مي شود. يكي از مهمترين اين روشها تنظيم كنترلر با روش زيگلر-نيكولز مي باشد كه با رجوع به جداول مربوطه مي توان كنترلرهاي PID را تنظيم كرد.

شكل 8 – نمودار خطا بر حسب زمان ( براي سيستم شكل 6 ) هر قدر سطح زيرنمودار كمتر باشد، سيستم بهتر عمل مي كند

روش هاي مهم در طراحي كنترلر

سيستم مدار بسته (Closed loop system)

اين روش طراحي، مهمترين روش كنترل كردن سيستمهاي كنترلي مي باشد. در مورد اين روش در ابتداي اين بخش توضيحات كافي داده شده است. به طور كلي مبناي اين روش استفاده از اطلاعات فرايند و مقايسه آن با مقدار مطلوب مي باشد. سپس بر اساس دوري و نزديكي از مقدار مطلوب (set point) كنترلر عكس العمل ها ي مقتضي را صادر مي كند(رجوع شود به شكل 5 )
يكي از اثرات مهم سيستم مدار بسته كاهش حساسيت مي باشد اما با عدم قطعيت سيستم به خوبي مقابله مي كند. نكته مهم آنكه در اكثر الگوريت مهاي كنترلي در نهايت پس از انجام همه مراحل سيستم را مدار بسته نيز مي كنند. در روش كنترل پيش خور بيشتر راجع به اين موضوع بحث خواهيم نمود.

كنترل پيش خور (Feed Forward)

جهت مقابله با اثرات بار (Load يا اغتشاشات قابل اندازه گيري) از اين روش استفاده مي شود . مبناي اين روش رساندن اطلاعات مربوط به اغتشاش ورودي در همان لحظات اوليه به كنترلر مي باشد تا كنترلر اثر بار ورودي را در همان ابتدا خنثي سازد.

 
شكل 9 - پاسخ مدار بسته سيستم (شكل 7) . پس از بستن مدار و ورودي پله در خروجي 50% آفست داريم كه نشان ميدهد كنترلر  بايد بهتر تنظيم شود.

جهت روشن شدن موضوع يك گرم كننده خوراك را مطابق شكل زير در نظر بگيريد . در اين فرآيند مي خواهيم دماي خروجي جريان خوراك از گرمكن را توسط تغيير در شدت جريان سوخت ورودي به گرمكن كنترل كنيم. يك مداركنترل پس خور ساده نمي تواند به طور مناسب عمل كنترل را انجام دهد، زيرا جريان خوراك عملاً داراي نوسانات فشار و دبي مي باشد.
با قراردادن يك اندازه گيرِجريان روي وروردي خوراك (بار) مي توان (شكل 11) عملكرد سيستم را به طور قابل توجهي بهبود داد. دقت شودكه تمام عمليات تنها با يك شير كنترل، تنظيم مي شود.

كنترلر ”Feed Forward/Feed Back“

همانطور كه گفته شد پس از طراحي كنترلرها عموماً سيستم را مدار بسته مي كنند. يعني پس از اينكه سعي شد اثر بار ورودي با پيش خور خنثي شود سپس با مدار پس خور فرايند كنترل مي شود تا مشخص شود سيستم به جواب مورد نظر رسيده يا نه(شكل فوق). علت اين موضوع آنست كه ما در مدلسازي سيستمهاي فرايندي همواره با خطا روبرو هستيم كه با سيستم مدار بسته اين اثرات را خنثي مي كنيم. البته شايد اين سوال پيش بيايد.

شكل 10 - فرآيند گرم كنندة خوراك. با يك كنترل پس خور به تنهايي نمي توان دماي خروجي را به طور مناسب كنترل كرد

شكل 11 - با اندازه گيري load (جريان خوراك) مي توان سرعت وعملكرد سيستم را بهبود داد.

كه پس حالا كه از مدار پس، ديگر چه نيازي به مدار پيش خور است . جواب اين سوال آنست كه با مدار پيش خور تا حد بسيار خوبي مي توان عملكرد سيستم را بهبود بخشيد و با اثرات load مقابله كرده و از طرفي با استفاده از مدار پس خور، سيستم را مقاوم (Robust) كرد تا كنترلر با اثرات خطاي مدلسازي مقابله كند. در نتيجه سيستم كنترلي خيلي بهتر عمل خواهد كرد.

كنترل زنجيره اي (Cascade)

براي مقابله با اثر نويز (noise) در اغتشاشاتي كه به سيستم وارد مي شود و كثيرالاتفاق مي باشند از اين روش كنترلي استفاده مي شود. در اين حالت يك وسيله اندازه گيري در قسمتي كه اغتشاش وارد مي شود قرار مي دهيم و سعي مي كنيم عمل كنترل سيستم را تنها با يك شير كنترل انجام دهيم. با مثال زير علت گذاشتن كنترل Cascade مشخص مي شود. در يك ستون تقطير عموماً جهت تنظيم سطح در ته برج از اين روش استفاده مي شود . در شكل 12 كنترل سطح با يك مدار پس خور ساده نشان داده شده است. به علت تغييرات ارتفاع (فشار )جريان خروجي از لوله پايين آورنده داراي اغتشاش زيادي مي باشد كه بركاهش عملكرد شير كنترل تاثير زيادي مي گذارد و باعث مي شود زمان زيادي طول بكشد تا كنترلر بتواند با هر تغيير روي سيستم مقابله كند.
 

شكل 12 - كنترل پس خورِ سطح يك ستون تقطيرتنها با استفاد ه از انداز هگيري

 براي بهبود سرعت عمليات كنترل بايد از يك كنترل cascade استفاده كرد (شكل 12). در اين صورت با قرار دادن يك اندازه گيرِ جريان، سرعت كنترل پنج برابر افزايش مي يابد . مدار LC را حلقه اوليه يا ارباب (master) و مدار FC راحلقه ثانويه يا برده (Slave) گويند.

شكل 13 – كنترل cascade سطح يك ستون تقطير با استفاده از اندازه گيري سطح كه با اندازه گيرِ جريان كوپل شده است.

براي آشنايي بيشتر با اين الگوريتم كنترل، مدار شكل 10 (گرمكن) را در نظر بگيريد. سوخت ورودي به گرمكن به علت تغييرات فشار داراي اغتشاش زيادي مي باشد كه عملكرد سيستم ر ا به شدت كم مي كند و حتي ممكن است آنرا ناپايدار كند. براي بالا بردن عملكرد و مخصوصاً سرعت كنترل ا ز يك كنترل cascade مطابق شكل 14 استفاده مي شود . در اين سيستم با قرار دادن يك سنسور و يك كنترلر ديگر با استفاده از يك شير كنترل سيستم ر ا كنترل كرده ايم.

شكل 14 – كنترل cascade براي مقابله با اثرات اغتشاش در جريان

كنترلر دماي جريان خوراك حلقه اوليه مي باشد كه point  remote set  ر ا براي حلقه ثانويه مي فرستد. به طور كلي يكي از مهمترين موارد كاربرد اين نوع كنترلر در كنترل جرياناتي مي باشد كه از واحد utility مي آيد و تغييرات زيادي دارد در اين حالت اين جريان ها يك عامل اغتشاش مي باشد و ميزان ثابتي ندارد . اگر تغييرات اين اغتشاش لحاظ نگردد مشكلات زيادي براي كنترل سيستم به وجود مي آيد و حتي ممكن است باعث ناپايداري فرايند گردد. در اين حالت بهترين كار آنست كه دما يا فشار اين جريان ها كنترل گردند.

چند نكته در مورد كنترل زنجيره اي

به دليل اهميت و كاربرد گسترده اين نوع كنترلر به توضيحات زير لازم است توجه شود:

1. در صنعت اگر متغير كنترلي، جريان باشد كه داراي اغتشاش زيادي مي باشد آنرا Cascade مي كنند ( معمولاً جريانهايي كه از utility مي آيد).
2. اين كنترلر در جايي استفاده مي شود كه بيش از يك بار (load) وجود دارد.
3. جهت تنظيم (tune) ابتدا بايد كنترلر را روي وضعيت manual قرار داده و حلقه داخلي را تنظيم كرد سپس آنرا remote مي كنيم و بعد از آن حلقه خارجي را تنظيم مي كنيم. 

 
شكل 15 - الف. يك رآكتور با سيستم كنترل زنجيره اي (cascade)
ب. پاسخ سيستم به يك ورودي پله اي. پاسخ بالايي توسط يك مداركنترل پس خور معمولي
پاسخ پاييني توسط يك مدار كنترل  cascade

هد متر ها يا دبي سنج ها اختلاف فشاري رايج ترين نوع وسايل اندازه گيري جريان در صنعت مي باشند و به طور غير مستقيم ، دبي سيال را به كمك افت فشار ايجاد شده در سيال توسط يك مانع مرتبط با نوع هدمتر مورد استفاده و قطر لوله ، افت فشار به دبي حجمي تبديل مي شود. از معادله پيوستگي با فرض ثابت بودن دانسيته سيال ( سيال تراكم ناپذير ) خواهيم داشت :

QV = V1A1 = V2A2

اين معادله يكي از مهترين روابط در مكانيك سيالات است و بيانگر آن است كه كاهش قطر لوله سيالات پايا و يكنواخت ، منجر به افزايش سرعت سيال مي شود. علاوه بر اين ، در تبديل انرژي به كمك معادله برنولي مشاهده خواهد شد كه هد فشار كل (H) در طول جريان ثابت مي ماند .

اولين جمله اين معادله هد پتانسيل ناميده مي شود و جمله دوم معروف به هد سرعت يا انرژي جنبشي مي باشد. به دليل ثابت بودن مجموع انرژي پتانسيل و جنبشي ، واضح است كه افزايش سرعت همراه با كاهش انرژي پتانسيل است. اساس تمامي هدمتر ها مبتني بر اين رابطه بين سرعت و فشار مي باشد.

محبوبترين و متداول ترين وسيله اندازه گيري جريان مي باشد. اساس كار آن بدين گونه است كه اختلاف فشاري كه در طول اين وسيله توسط يك صفحه واقع در خط فرآيند ايجاد شده است اندازه گيري مي شود تا دبي جريان تعيين شود.
سه نوع متداول Orifice Plate وجود دارد كه عبارتند از : هم مركز ، مختلف المركز و قطعه اي (Segmental ) . اريفيس پليت هم مركز ساده ترين و ارزانترين هدمتر است (شكل 1) .
 

شكل 1- نمايي از اريفيس پليت

اريفيس پليت مشابه عملكرد وسايل ابتدايي ، به منظور توليد افت فشار ، جريان سيال را در طول مسير خودش به هم مي فشرد؛ نتيجه آن كه فشار سيال در ابتداي جريان بيشتر از فشار جريان در انتهاي جريان مي باشد. افت فشار ايجاد شده متناسب با مجذور سرعت سيال است.
مزيت اصلي اين وسيله نداشتن قطعات متحرك و قيمت پايين آن مي باشد (خصوصاً آنكه با اندازه لوله افزايش نمي يابد ) و به خوبي جريان هاي در هم تميز را اندازه گيري مي كنند. دقت اندازه گيري اين وسيله به چگونگي نصب ، نسبت سطح لوله و خواص سيال بستگي دارد و بايد در لوله هاي مستقيم نصب شود.

شكل 2- نمايي از اريفيس پليت

دبي سنج ونتوري شامل يك قسمت ورودي مخروطي شكل همگرا مي باشد كه در طول آن سطح مقطع جريان كاهش مي يابد. قسمت واگراي ونتوري فشار سيال را به حالت اوليه بر مي گرداند. از افت فشار ايجاد شده در قسمت همگراي دبي سنج مي توان دبي جريان را بدست آورد. گلوگاه استوانه اي ونتوري مكان اندازه گيري افت فشار ايجاد شده در واحد سطح مي باشد.
ونتوري تيوب ها در موردي كه نياز به افت فشار كم و دقت بالاي اندازه گيري است استفاده مي شوند و عمدتاً در لوله هاي قطور ، شبيه مواردي كه در صنايع آب و فاضلاب يافت مي شود به كار مي روند. زيرا شيب ملايم آن به جامدات معلق در مايع اجازه حركت مي دهد. لذا براي اندازه گيري پساب ها و دوغاب ها ( يابه عبارتي مايعات ويسكوز يا حاوي مقدار زيادي از جامدات چسبناك ) مناسب مي باشند. عيب اصلي آن قيمت زياد ان مي باشد و دقت آن نسبت به اريفيس كمتر است مگر آنكه جريان كاليبره شده باشد.
 

شكل 3- نمايي از ونتوري تيوب


شكل 4- نمايي از ونتوري تيوب

نازل هاي جريان ممكن است به عنوان ونتوري تيوب تغيير يافته تلقي شوند. دهنه نازل يك مانع بيضوي شكل در برابر جريان است و خروجي آن هيچ سطحي براي بازيافت فشار ندارد. Tap هاي فشار در فاصله اي حدود نصف قطر لوله را در خروجي و در فاصله اي به اندازه تمام قطر را در ورودي لوله گرفته اند.
نازل جريان ، براي سنجش دبي جريان هاي سرعت بالا به كار مي رود ( عدد رينولدز بالاي 50000) .
افت فشار نازل جريان ، بين افت فشارهاي ونتوري تيوب و اريفيس پليت است ( 30 الي 95 در صد) .
 

شكل 5- نمايي از نازل جريان

شكل 6- نمايي از نازل جريان

لوله هاي پيتوت (پيتوت تيوب ) وسيله اي جهت اندازه گيري سرعت محلي (local  ) جريان است. پيتوت تيوب ها شامل دو لوله مي باشند كه يكي به نام Static Tube در راستاي جهت جريان است. دو پايه تيوب ها توسط پايه هاي يك مانيتور ( يا يك وسيله معادل جهت اندازه گيري اختلاف فشار ) به هم وصل شده اند. Static Tubes به دليل آن هيچ گونه مولفه سرعتي عمود بر سطح مقطع آن وجود ندارد فشار استاتيكي را اندازه گيري مي كند . بر حسب هد مي توان گفت Impact Tube هد فشار استاتيكي به اضافه هد سرعت را اندازه گيري مي كند. اختلاف فشار اندازه گيري شده در پيتوت تيوب متناسب با مجذور سرعت است :

پيتوت تيوب ها كاربرد محدودي در صنايع دارند. زيرا به راحتي توسط يك ماده خارجي مسدود مي شوند و دقت آنها به پروفايل سرعت كه اندازه گيري آن مشكل است بستگي دارد. كاربرد عمده آن ها اندازه گيري سرعت جريان هواي كم سرعت در سيستم هاي تهويه است و بيشتر براي اندازه گيري دبي گازها به كار مي روند .
 

شكل 7- نمايي از پيتوت تيوب

شكل 8- نمايي از پيتوت تيوب

شامل يك ديسك يا Target مي باشد كه در مركز لوله قرار گرفته است ( شكل 9). سطح ديسك با يك زاويه مناسب نسبت به جريان قرار دارد. سنجش دبي جريان يه طور مستقيم توسط نيرويي كه سيال به ديسك وارد مي كند انجام گيرد. اين نوع دبي سنج براي پساب ها و سيالات خورنده مناسب مي باشد و در ضمن به هيچ گونه اتصالات خارجي اعم از آب بندها (Seal  ) يا سيستم هاي Purge احتياج ندارد. براي تعيين اندازه بهينه ديسك و كاليبره كردن آن به منظور كاركرد مناسب اطلاعات زيادي مورد نياز است. 
 

شكل 9- نمايي از دبي سنج تارگت


شكل 10- نمايي از دبي سنج تارگت

اين دبي سنج به كمك يك زانويي 45 درجه درون جريان سيال كار مي كند. Tap فشار بالا از بيرون زانويي گرفته مي شود و Tap فشار پايين از داخل زانويي گرفته مي شود كه اختلاف فشاري متناسب با دبي جريان ايجاد مي كند. اندازه گيري اختلاف فشار به نيروي گريز از مركز سيال جاري در زانويي وابسته است.
از اين رو گاز به دليل دانسيته پايين براي اين دبي سنج ها مناسب نيست و همچنين انحناي كم در زانويي ، اختلاف فشار بزرگتري را نسبت به انحناي طولاني ايجاد مي كند. افت فشار يك Elbow Tap از يك زانويي بيشتر نمي باشد. دقت Elbow Tap Meters حدود 5 ± درصد مي باشد.

روتامتر ها ( يا دبي سنج هاي سطح متغير ) عمدتاً از يك لوله شيشه اي كه قطر آن با شيب ملايم كم مي شود ساخته شده اند و به طور عمودي نصب شده و جريان به آن وارد مي شود ( شكل 11).
جسم شناوري كه به اندازه پايه لوله شيشه اي است درون آن قرار گرفته و متناسب با مقدار جريان به سمت بالا حركت مي كند. به دليل آن كه قطر لوله در بالا نسبت به پايين آن بزرگتر است جسم شناور در نقطه اي از لوله شيشه اي نسبت به كف آن قرار مي گيرد كه اختلاف فشار بين سطوح بالايي و پايين با وزن جسم شناور به تعادل برسد. در اكثر كاركرد هاي روتامتر، دبي مستقيماً از درجه بندي هايي كه روي لوله شيشه اي نوشته شده است خوانده مي شود.
در بعضي موارد يك سنسور اتوماتيك ارتفاع جسم شناور را اندازه مي گيرد. اين گونه روتامترها اغلب از فولاد يا ديگر مواد مقاوم در برابر سيالات فشار بالا ساخته مي شوند. روتامتر ها ممكن است در اندازه اي 25/0 اينچ تا اندازه هاي 6 اينچ باشند و نسبت به اريفيس پليت گستره وسيعتري از جريان را با دقت 2 ± درصد را اندازه مي گيرند. حداكثر فشار عملكرد آنها موقعي كه از شيشه ساخته شده باشند psig 300 مي باشد.
 

شكل 11- نمايي از دبي سنج روتامتر

شكل 12- نمايي از دبي سنج روتامتر

توربين‌هاي بخار: براي توليد برق در نيروگاه‌هاي حرارتي كه از ذغال سنگ، نفت و انرژي هسته‌اي استفاده مي‌كنند به كار برده مي‌شوند روزي از آنها براي هدايت وسايل نقليه مانند كشتي استفاده مي‌شد.

 
شكل 1- توربين بخار

شكل 2- نمايي از توربين گاز

تجربه بزرگ خاموشي درامريكا سازندگان توربين گازي را برآن داشت كه توربين هاي گازي را باقابليت راه اندازي مستقل و بدون استفاده از منبع الكتريكي ديگري طراحي كنند . اين نوع توربين هاي گازي در اغلب كشورهاي داراي شبكه مطمئن توليد برق ، نصب شد ه و در حال بهره برداري است . اين نوع سيكل هاي توربين گازي بايد درشرايط اضطراري براي توليد برق اصلي وفقط در مدت چند ساعت استفاده شوند .در اين رابطه ، توربين هاي گازي با طرح تك محوري ، به توان توليدي حدود 130 تا150 مگاوات را مي توانند توليد كنند ، البته هرروز مدل هاي جديدي با توان توليدي بالاتري ساخته مي شود .توربين هاي گازي داراي شرايط كاري سخت مي باشند و قطعاتي نظير پره هاي توربين بايد در درجه حرارت هاي بالا استحكام مناسبي داشته باشند.

همچنين به دليل اتمسفرشديدا اكسيدكننده و خورنده توربين ها، قطعات مختلف توربين بويژه پره ها بايد مقاومت بالايي در برابر خوردگي داغ و اكسيداسيون داشته باشند. تاكنون آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت بهترين آلياژها براي ساخت قطعات توربين بوده اند اما حتي با بهينه كردن تركيب شيميايي سوپر آلياژها امكان دستيابي به كليه خواص مطلوب فوق وجود ندارد لذا براي مقاوم سازي اين آلياژها در برابر خوردگي داغ، اكسيداسيون و سايش، پوشش هايي در سطح آنها صورت مي گيرد . يك نوع از پوشش هاي كار آمد براي اين منظور پوشش هاي سد حرارتي(Thermal Barrier Coatings)   هستند كه به اختصار پوشش هاي TBC  ناميده مي شوند. اغلب پوشش هاي TBC بر پايه زيركونيا ( Zro2 ) مي باشند كه با افزودن تركيباتي مثل ايتر يا (Y2o3 ) پايدار مي گردند. Zro2  داراي هدايت حرارتي كم و ضريب انبساط حرارتي بالا مي باشد و افزودن Y2o3 به آن موجب ايجاد مقاومت بيشتر در برابر شرايط سيكل حرارتي مي گردد. با بكارگيري اين پوشش ها و با استفاده از خاصيت هدايت حرارتي كم آنها راندمان توربين هاي گازي افزايش مي يابد زيرا با حضور اين پوششها دماي فلز پايه تا 170˚C كاهش پيدا ميكند ودرنتيجه امكان افزايش دماي كاري توربين فراهم ميشود.

در حال حاضر تحقيقات براي توسعه اينگونه پوشش ها و همچنين بكارگيري نوع ديگري از پوشش هاي فلزي كه بعنوان لايه bond coat  بين فلز پايه و پوشش سراميكي قرار مي گيرند، درحال گسترش مي باشد. لايه bond coat معمولا يك پوشش فلزي است كه چسبندگي پوشش سراميكي را به فلز پايه افزايش مي دهد. درحال حاضر برروي سوپر آلياژها ابتدا يك لايه از پوشش فلزي bond coat به ضخامت 80-150μm داده شده است و بر روي آن پوشش سد حرارتي با ضخامتي در حدود 300μm تا  2 mmبكار گرفته مي شود.

برنامه  Industrrial Power Generation) IPG) يك همكاري مشترك از سازندگان توربين گاز، دانشگاهها، شركتهاي گاز طبيعي، توليد كنندگان انرژي الكتريكي، آزمايشگاههاي ملي و استفاده كنندگان صنعتي مي باشد. همكاري فوق كه شامل طيف وسيعي از مشاركت كنندگان مختلف است منابع و امكانات فني- اقتصادي- تحقيقاتي مناسبي را براي ايجاد يك تحول اساسي در فن آوري توربين گاز فراهم مي آورد. يكي از قدمهاي اوليه اين برنامه توليد پوشش سد حرارتي TBC براي توربينهاي گاز بوده است.

توربين احتراقي در واقع يك موتور جت متصل به ژنراتور مي باشد.توربين هاي احتراقي قادر به كار كردن با گاز طبيعي يا نفت تقطير شده مي باشند.كارايي آنها در مجموع بين 25 تا 30 درصد است .اين نيروگاه ها براي ظرفيت 10 تا 100 مگاوات طراحي و غالبا به صورت جفتي ساخته مي شوند (دو توربين احتراقي به يك ژنراتور متصل مي گردد)و تاسيسات آنها شامل چندين بخش است .هزينه سرمايه گذاري آنها پايين است ولي قيمت سوخت آنها بالاست. توربين هاي احتراقي مي توانند در عرض چند دقيقه شروع به كار كنند و با تغيير تعداد واحدهايي كه در خط توليد برق هستند براي ظرفيت هاي مختلف مورد استفاده قرار گيرند .به دليل قيمت بالاي سوخت و سرعت راه اندازي،توربين هاي احتراقي معمولا براي اوقات پر مصرف و تامين بار ذخيره به كار گرفته مي شوند .ميزان كاركرد سالانه آنها 10 درصد يا كمتر مي باشد.

به منظور شناخت دقيق محدوديتها، موانع و امكانات موجود در جهت استفاده از منابع انرژي در كشور، ضرورري است .ميزان بهره برداري از پتانسيلهاي موجود انرژي و روند تحولات حاملهاي انرژيهاي تجديدپذير در كشور نيز به روش علمي و دقيق محاسبه و ارزيابي گردد. كشور ايران از لحاظ منابع مختلف انرژي يكي از غني ترين كشورهاي جهان محسوب مي گردد، چرا كه از يك سو داراي منابع گسترده سوختهاي فسيلي و تجديد ناپذير نظير نفت و گاز است  و از سوي ديگر داراي پتانسيل فراوان انرژيهاي تجديد پذير از جمله باد مي باشد.

با توسعه نگرشهاي زيست محيطي وراهبردهاي صرفه جويانه در بهره برداري از منابع انرژيهاي تجديد ناپذير، استفاده از انرژي باد در مقايسه با ساير منابع انرژي مطرح در بسياري از كشورهاي جهان رو به فزوني گذاشته است. استفاده از تكنولوژي توربين هاي بادي به دلايل زير مي توانديك انتخاب مناسب در مقايسه با ساير منابع انرژي تجديد پذير باشد.

• قيمت پايين توربينهاي برق بادي در مقايسه با ديگر صور انرژيهاي نو
• كمك در جهت ايجاد اشتغال در كشور

عدم آلودگي محيط زيست در كشورهاي پيشرفته نظير آلمان، دانمارك، آمريكا،اسپانيا، انگلستان، و بسياري كشورهاي ديگر، توربين هاي بادي بزرگ و كوچك ساخته شده است و برنامه هايي نيز جهت ادامه پژوهشها و استفاده بيشتر از انرژي باد جهت توليد برق در واحدهايي با توان چند مگاواتي مورد مطالعه مي باشد.

در ايران نيز با توجه به وجود مناطق بادخيز طراحي و ساخت آسيابهاي بادي از 2000 سال پيش از ميلاد مسيح رايج بوده و هم اكنون نيز بستر مناسبي جهت گسترش بهره برداري از توربينهاي بادي فراهم مي باشد.مولدهاي برق بادي مي تواند جايگزين مناسبي براي نيروگاه هاي گازي و بخاري باشند. مطالعات و محاسبات انجام شده در زمينه تخمين پتانسيل انرژي باد در ايران نشان داده اند كه تنها در 26 منطقه از كشور( شامل بيش از 45 سايت مناسب) ميزان ظرفيت اسمي سايتها، با در نظر گرفتن يك راندمان كلي 33%، در حدود 6500 مگاوات مي باشد و اين در شرايطي است كه ظرفيت اسمي كل نيروگاه هاي برق كشور، (در حال حاضر) 34000 مگاوات مي باشد. در توربين هاي بادي، انرژي جنبشي باد به انرژي مكانيكي و سپس به انرژي الكتريكي تبديل مي گردد.

استفاده فني از انرژي باد وقتي ممكن است كه متوسط سرعت باد در محدوده 5/ الي 25/ باشد. پتانسيل قابل بهره برداري انرژي باد در جهان 110 اگاژول (هر اگاژول معادي 1018ژول) برآورد گرديده است كه از اين مقدار 40 مگاوات ظرفيت نصب شده تا اواخر سال 2003 ميلادي(1382 ه.ش.) در جهان مي باشد.

از مزاياي استفاده از اين انرژي عدم نياز توربين بادي به سوخت، تامين بخشي از تقاضاهاي انرژي برق، كمتر بودن نسبي انرژي باد نسبت به انرژي فسيلي در بلند مدت، تنوع بخشيدن به منابع انرژي و ايجاد سيستم پايدار انرژي، قدرت مانور زياد در بهره برداري( از چند وات تا چندين مگاوات) ، عدم نياز به آب و نداشتن آلودگي محيط زيست مي باشد.
     

شكل 3- مزرعه بادي (منجيل- رودبار - هرزويل)

توربين بادي كوچك:      

از توربين هاي بادي كوچك جهت تامين برق جزيره هاي مصرف و يا مناطقي كه تامين برق از طريق شبكه سراسري برق مشكل مي باشد استفاده مي شود. اين توربين ها تا قدرت 10 كيلووات توان توليد برق را دارا مي باشند.

توربين بادي متوسط:

عموماً توليد اين توربين ها بين 250-10 كيلووات است. از اين توربين ها جهت تامين مصارف مسكوني، تجاري، صنعتي و كشاورزي استفاده مي شود.

توربين بادي بزرگ( مزارع بادي)

اين نوع توربين ها معمولاً شامل چند توربين بادي متمركز با توان توليدي 250 كيلووات به بالا مي باشند كه به صورت متصل به شبكه و يا جدا از شبكه طراحي مي گردند.

چكيده:

واژه آسياب در تمام مواردي كه ذرات جامد شكسته و به ذرات كوچك تر تبديل مي شوند به كار مي رود. در تمام صنايع فرآيندي، آسياب جامدات با روش هاي مختلف و به منظورهاي گوناگون انجام مي شود. تكه هاي بزرگ سنگ معدن تا اندازه هاي كاركردني خرد مي شوند؛ مواد شيميايي تركيبي با آسياب كردن پودر مي شوند؛ ورق هاي پلاستيكي به صورت مربع يا لوزي هاي ريز بريده مي شوند. محصولات تجاري اغلب بايد شرايط دقيقي را در رابطه با اندازه ، و گاهي شكل ذراتشان، برقرار كنند. آسياب ذره باعث افزايش واكنش پذيري جامدات مي شود و امكان جداسازي اجزاي ناخواسته را با روش هاي مكانيكي فراهم مي آورد و حجم مواد اليافي را، براي ساده كردن عمليات با آن ها  و دفع مواد زائد، كاهش مي دهد.

شرح و توصيف:

واژه آسياب در تمام مواردي كه ذرات جامد شكسته و به ذرات كوچك تر تبديل مي شوند به كار مي رود. در تمام صنايع فرآيندي، آسياب جامدات با روش هاي مختلف و به منظورهاي گوناگون انجام مي شود. تكه هاي بزرگ سنگ معدن تا اندازه هاي كاركردني خرد مي شوند؛ مواد شيميايي تركيبي با آسياب كردن پودر مي شوند؛ ورق هاي پلاستيكي به صورت مربع يا لوزي هاي ريز بريده مي شوند. محصولات تجاري اغلب بايد شرايط دقيقي را در رابطه با اندازه ، و گاهي شكل ذراتشان، برقرار كنند. آسياب ذره باعث افزايش واكنش پذيري جامدات مي شود و امكان جداسازي اجزاي ناخواسته را با روش هاي مكانيكي فراهم مي آورد و حجم مواد اليافي را، براي ساده كردن عمليات با آن ها  و دفع مواد زائد، كاهش مي دهد.

 جامدات را به روش هاي مختلف مي توان خرد كرد، اما فقط از چهار روش در ماشين هاي آسياب استفاده مي شود : (1) تراكم، (2) ضربه، (3) سايش، يا مالش، و (4) برش. چكش، سوهان و قيچي نمونه هايي هستند كه از كنش هاي بالا در آن ها استفاده مي شود. گاهي، آسياب يك ذره بر اثر سايش آن توسط يك يا تعداد بيش تري از ذرات، يا ناشي از تنش برشي شديد سيالي است كه ذره تحت تأثير آن قرار مي گيرد.

آسياب :

واژه آسياب به ماشين هاي مختلف كاهش اندازه با كار متوسط مربوط مي شود. اغلب محصول حاصل از سنگ شكن براي كاهش بيشتر وارد آسياب مي شود. آسياب هاي تجاري كه در اينجا توضيح داده مي شوند از نوع چكشي و ضربه اي، ماشين هاي غلتكي- فشاري، آسياب هاي سايشي و آسياب هاي غلتان هستند.

شكل 1– آسياب ضربه اي

ماشين غلتكي - فشاري:

در آسياب غلتكي نشان داده شده در شكل 2، جامدات بين غلتك هاي استوانه اي عمودي و حلقه سندان ساكن يا حلقه حامل گير مي افتند. غلتك ها با سرعت هاي متوسط در يك مسير دايره اي حركت مي كنند. خيش ها كلوخه هاي جامد را از ته آسياب بالا مي برند و آنها را بين حلقه و غلتك ها هدايت مي كنند، و در آنجا كاهش اندازه انجام مي شود. محصولات توسط جريان هوا از آسياب بالا مي برند و آنها را بين حلقه و غلتك ها هدايت مي كنند، و در آنجا كاهش اندازه انجام مي گيرد. محصولات توسط جريان هوا از آسياب خارج و به طرف جداساز طبقه بندي كننده هدايت مي شوند. در اين جداساز، ذرات با اندزه هاي بيش از حد مجاز براي كاهش بيش تر به آسياب بر مي گردند. در آسياب جامي و در بعضي آسياب هاي غلتكي، جام يا حلقه حركت مي كند؛ غلتك ها روي محورهاي ساكني كه عمودي يا افقي اند مي چرخند. آسياب هايي از اين نوع بيش ترين كاربرد را براي كاهش اندازه سنگ آهك، كلينكر سيمان، و ذغال سنگ دارند. آنها تا 500 ton/h را پودر مي كنند. با استفاده از طبقه بندي، محصولات ريزي به دست مي آيد كه 99 درصد آنها از غربال با مش 200 مي گذرد.

شكل 2 – آسياب غلتكي

آسياب سايشي:

در آسياب سايشي، ذرات جامد نرم بين وجوه تخت شياردار ديسك هاي دايره اي چرخان ساييده مي شوند. در آسياب تك گردانه، يكي از ديسك ها ساكن و ديگري مي چرخد؛ در ماشين دوگردانه، هر دو ديسك با سرعت زياد در خلاف جهت هم مي چرخند. خوراك از طريق دهانه موجود در توپي (نافي) يكي از ديسك ها وارد مي شود، از طريق مجراي باريك بين ديسك ها به طرف خارج حركت مي كند و از محيط به داخل بدنه ساكني تخليه مي شود. عرض مجرا در حدود معيني قابل تنظيم است. حداقل يك صفحه آسياب روي فنر قرار دارد تا اگر ماده خرد نشده اي وارد آسياب شود، ديسك ها بتوانند از هم جدا شوند. آسياب هاي سايشي، كه الگوهاي متفاوتي از شيارها، كنگره ها يا دندانه ها روي ديسك ها دارند، كارهاي مختلفي از قبيل ساييدن، شكستن، دانه دانه كردن، ريز ريز كردن، و گاهي مخلوط كردن را انجام مي دهند.
در شكل 3، آسياب سايشي تك گردانه نشان داده شده است. آسياب هاي تك گردانه داراي ديسك هايي از جنس سنگ سيليسي يا سنگ سنباده اند و براي كاهش اندازه جامداتي مانند خاك رس و تالك به كار مي روند؛ يا داراي ديسك هاي فلزي اند و براي جامداتي مانند چوب، نشاسته، پودرهاي حشره كش، و موم سخت شكننده مورد استفاده قرار مي گيرند. ديسك هاي فلزي معمولاً از آهن سفيد هستند، ولي گاهي براي مواد خورنده از ديسك هاي فولادي زنگ نزن نيز استفاده مي شود. آسياب هاي دو گردانه، به طور كلي محصولاتي توليد مي كنند كه ريزتر از محصولات آسياب هاي تك گردانه است اما با خوراك نرم تر كار مي كنند. اغلب، براي خروج محصول و جلوگيري از انسداد، هوا وارد آسياب مي كنند. ديسك ها را با آب با آب نمك سرد مي توان خنك كرد.
ديسك هاي آسياب تك گردانه به قطر 250 تا 1400 mm هستند، و با 350 تا 700 rpm مي چرخند.
 

شكل 3 – آسياب سايشي

شكل 4- آسياب غلتان

چكيده:

يكي از وسايلي كه در اكثر واحدهاي پالايشگاهي و پتروشيميايي براي كاهش دماي سيالات مورد استفاده قرار مي گيرند، خنك كننده هاي هوايي مي باشند. در خنك كننده هاي هوايي هوا با دماي محيط به لوله هاي حاوي سيال گرم برخورد كرده و باعث كاهش دماي ديواره لوله مي شود و به اين ترتيب دماي سيال داخل لوله كاهش مي يابد. طول استاندارد لوله هاي مورد استفاده در مبدل هاي خنك كننده هوايي، معمولاً 20، 30 و 40 فوت مي باشد. يكي از مسائلي كه در مورد مبدل هاي خنك كننده هوايي اهميت دارد، نسبت مساحت فن به مساحت Bay مي باشد. اين نسبت را Converage fan مي گويند و در مقدار آن در مبدل هاي خنك كننده هوايي نبايد از 4/0 كوچكتر باشد.معمولاً مبدل هاي خنك كننده هوايي در دو آرايش زير مورد استفاده قرار مي گيرند:

1. Forced Draft
2. Induced Draft
   

مقدمه:

يكي از وسايلي كه در اكثر واحدهاي پالايشگاهي و پتروشيميايي براي كاهش دماي سيالات مورد استفاده قرار مي گيرند، خنك كننده هاي هوايي مي باشند. در اين مبدل ها براي كاهش دماي سيال داخل لوله ها، از هواي محيط استفاده مي كنند. اجزاي اصلي اين مبدل ها شامل يك يا چند لوله كه در معرض جريان هواي فن ها قرار دارند، تجهيزات فن و موتور آن، كنترل كننده سرعت چرخش فن و تجهيزات لازم براي هدايت جريان ها مي باشد.

در اين مبدل ها جريان سيال گرم پس از عبور از يك نازل وارد لوله هايي مي شود كه در مجاورت فن قرار دارند. اين لوله ها با توجه به پره هايي كه روي ديواره بيروني لوله قرار دارند، كار انتقال حرارت را سريع تر انجام مي دهند.

در قسمت عبور سيال از مجاورت فن، هر مجموعه از لوله هاي حاوي سيال گرم را يك Bundle مي نامند كه خود شامل چندين لوله است. معمولاً چند Bundle به طور موازي با يكديگر از روي فن عبور مي كنند . به اين مجموعه يك Bay مي گويند. در شكل 1 ، يك Bay كه شامل سه Bundle مي باشد نشان داده شده است.
 

شكل 1 – يك Bay با 3 Bundle

در بعضي موارد دو فن به صورت سري روي جريان هاي موازي Bundle هاي يك Bay عمل مي كنند . اين حالت كه در شكل 2 نشان داده شده، نشان دهنده دو Bundle از لوله هاي حاوي سيال گرم است كه از مجاورت دو فن سري شده عبور مي كند.

معولاً براي خنك كردن سيال گرم توسط مبدل هواخنك در صنعت از چند Bay كه به صورت موازي قرار گرفته اند استفاده مي شود. به مجموعه اين Bay ها ، Unit گفته مي شود . در شكل 3 دو Bay به صورت موازي كنار هم قرار گرفته اند و هر  Bay نيز شامل دو Bundle مي شود كه مجموعا يك Unit را تشكيل مي دهند. لذا به اين مجموعه  Two one-Bay with 4 tube bundles گفته مي شود. در شكل 4 دو Bay كه هر كدام شامل دو فن و سه Bundle مي باشد نشان داده شده است كه به اين مجموعه  Two two-Bays with 6 tube bundles  گفته مي شود. قطر فن هاي مورد استفاده در مبدل هاي هواخنك در دامنه 3 تا 28 فو ت قرار دارد. با اين حال معمولاً فن هايي با قطر 14 تا 16 فوت از بزرگ ترين فن هاي مورد استفاده در صنايع پتروشيمي به شمار مي روند.
 

شكل 2– دو Bay با 4 Bundle

همانطوريكه گفته شد، هوا با دماي محيط به لوله هاي حاوي سيال گرم برخورد كرده و باعث كاهش دماي ديواره لوله مي شود و به اين ترتيب دماي سيال داخل لوله كاهش مي يابد. براي افزايش ميزان انتقال حرارت، از لوله هاي پره دار استفاده مي شود. لوله هاي پره دار در مبدل هاي هواخنك به صورت هاي مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرند.

يكي از مهمترين انواع اين پره ها، پره هاي (Extruded fin ) مي باشد كه معمولاً از جنس آلومينيوم ساخته مي شوند. نحوه ساخت اين پره ها به اين صورت است كه يك لايه از فلز مربوطه را بر روي لوله قرار مي دهند و سپس اين لايه را با اعمال فشار توسط دستگاه ديگري روي لوله نصب مي كنند. قالب اين دستگاه به صورتي عمل مي كند كه سطح خارجي لوله در نهايت به صورت پره هاي مارپيچ و يا شكل هاي ديگر در مي آيد و به اين ترتيب سطح خارجي لوله افزايش يابد. از اين پره ها معمولاً در دماي پايين تر از 200 درجه سانتيگراد استفاده مي شود.
 

شكل 3– يك Unit كه شامل دو Bay و شش Bundle مي باشد.
 

شكل 4- يك نمونه از پره هاي Extruded كه روي لوله اي ايجاد شده اند .

نوع ديگر پره هاي مورد استفاده در مبدل هاي خنك كننده هوايي ، پره هاي (Embedded fins) مي باشند. اين پره ها نيز معمولاً از جنس فولاد يا آلومينيوم ساخته مي شوند. اين پره ها به شكل ميله هاي نازك با سطح مقطع دايره اي يا مربعي مي باشند كه در داخل ديواره لوله حاوي سيال گرم فرو رفته اند . در شكل 6 ، چهار مورد از انواع اين پره ها به طور شماتيك نشان داده شده اند . با توجه به اين شكل در مي يابيم كه اين پره ها از تنوع زيادي برخوردارند. از اين پره ها در مبدل هايي كه در دماهاي بالا و فرايندهاي ناپيوسته كار مي كنند استفاده مي شود. 
 

شكل 5– انواع پره هاي  Embeded مورد استفاده در مبدل هاي خنك كننده هوايي

كاركرد و تنظيم دستگاه با تغييرات دماي هوا:

خنك كننده هاي هوايي براي هواي گرم در تابستان طراحي شده اند و تغييرات دما در نتيجه تغييرات فصلي مي تواند باعث تغيير در خنك كنندگي آنها شودكه ممكن است مطلوب نباشد. يك راه اين است كه ميزان جريان هوا را كم كنيم تا ميزان انتقال حرارت سيال داخل لوله كمتر شود. براي اينكار از موتورهاي چندسرعته استفاده مي شود. اغلب موتورها در دو سرعت متفاوت مي توانند كار كنند. دومين راه كنترل، قرار دادن Louvers (كر كره هايي) به عنوان پوشش يا سقف بر روي قسمت لوله ها و ديگري استفاده از فن هاي با Pitch متغير است(پره هاي فن قابليت تغيير شيب دارند).

Louver قابليت كنترل زيادي دارد. اين كنترل مي تواند به صورت دستي يا اتوماتيك توسط موتورهاي الكتريكي يا سيستم هاي هوايي باشد كه از كنترلرهاي دما و فشار سيستم فرمان مي گيرند. Louver ها معمولاً براي فن هاي با سرعت ثابت استفاده مي شود. در فن هاي با شيب متغير، شيب پره هاي فن براي تامين جريان هواي مورد نياز با توجه به دما و فشار سيستم تغيير مي كند. زاويه پره وقتي دما افت پيدا مي كند كاهش مي يابد و اين باعث مي شود فن پايين تر بيايد. موتورهاي هيدروليكي نيز مي توانند سرعت فن را كاهش دهند . وقتي جريان هواي كمي مورد نياز است، توان مصرفي فن نيز كاهش مي يابد. يك راه حل ديگر براي كنترل انتقال حرارت در سيستم، كنترل جريان سيال در دو جهت است. در اين مورد به جاي اينكه جريان هوا(به عنوان خنك كننده سيال داخل لوله ها) كنترل شود جريان سيال گرم داخل لوله ها كنترل مي شود . سيستم هاي دو جرياني به اين صورت است كه يك نازل ورودي در ته قسمت هدر وجود دارد. اين نازل جريان طبيعي سيال را عكس مي كند. در بعضي سيالات با ويسكوزيته زياد گاهي اوقات اين تنها راه جلوگيري از انجماد سيال است.

آخرين تغييري كه مي توان در دماي هوا به وجود آورد مخصوصاً در آب و هواي سرد ، استفاده از گردش جريان هواي گرم است. از اين راه هم به خاطر كنترل دماي سيستم و هم به خاطر جلوگيري از انجماد سيال استفاده مي شود. گردش هواي گرم در سيستم هاي با فن متغير و Louver اتوماتيك استفاده مي شود. جريان هواي گرم به دو نوع گردش خارجي و گردش داخلي تقسيم بندي مي شود.

گردش داخلي (Internal recirculation) به اين صورت است كه يك فن سرعت ثابت و يك فن سرعت متغير با هم به كار مي روند. در اين حالت فن سرعت ثابت هواي نيمه پايين اتاقك را به جريان مي اندازد و فن سرعت متغير كه با مد عكس كار مي كند (يعني هوا را از بالا مي مكد و به طرف پايين اتاقك مي دمد)، هواي گرم بالاي اتاقك كه توسط فن اول به بالا رانده شده را با هواي سرد ورودي از بيرون، به طرف پايين اتاقك مي دمد .

Louver بالاي اتاقك به طور اتوماتيك توسط سنسورهاي دماي سيستم كنترل مي شوند . اگر دماي سيستم ، افزايش Louver ، ها (كركره ها) باز مي شوند. در حالت نرمال Louver كاملاً باز است و هر دو فن در حالت استاندارد سرعت هستند.

خنك كننده هاي با گردش دروني يك حالت بين بدون گردش هوا و حالت كاملاً كنترل شده توسط گردش خارجي است. البته اين روش از گردش خارجي ارزانتر است و افت فشار كمتري دارد . با اين حال در اين روش به طور كامل نمي توان از يخ زدگي سيال جلوگيري كرد. زيرا هيچ كنترلي روي دماي هواي خروجي نيست.

در حالت گردش خارجي از دو فن با سرعتهاي متغير و در حالت نرمال روي سرعت كم با قابليت تغييرشيب استفاده مي شود. در اين طرح Louver به صورت دستي باز و بسته مي شود. بالاترين Louver توسط دماي ، سيال كنترل مي شود. وقتي دماي هواي دروني به دماي سيال نزديك شود، louver خارجي باز مي شود . اين تطابق ها توسط كنترلري كه روي فن قرار دارد و دماي هوا را سنس مي كند انجام مي شود.گردش خارجي براي كنترل دقيق دماي سيال و جلوگيري از انجماد آن كاربرد فراوان دارد.

يكي از مزاياي مبدلهاي خنك كننده هوايي كاربرد اين مبدلها در نقاط كم آب است . در نقاط كم آب، مبدلهاي معمولي و برجهاي خنك كننده به دليل احتياج زياد به آب، نمي توانند مورد مصرف قرار بگيرند . لذا يكي از بهترين روشها براي خنك كردن سيالات بدون استفاده از آب،استفاده از مبدلهاي خنك كننده هوايي مي باشد.

مشكلات مبدل هاي خنك كننده هوايي

سيستم هاي گردش هواي گرم مي توانند در هر موقعي از سال مشكل ساز باشند. اين سيستم ها در تابستان به شدت از توانشان كاسته مي شود. مهمترين علتهاي آن را مي توان به صورت زير بيان نمود:

وقتي خنك كننده هاي هوايي نزديك ساختمان بلند و در مسير پايين باد قرار گيرند، هواي گرم خروجي از خنك كننده ها توسط جريان باد حمل مي شود و پس از برخورد با مانع مقداري از هواي گرم دوباره به داخل سيستم برگشت داده مي شود. قرار دادن خنك كننده هاي هوايي دور از چنين موانعي بهترين راه حل است .

خنك كننده هاي هوايي از نوع forced  هميشه مستعد برگشت هواي گرم هستند. مخصوصاً اگر چنين خنك كننده هايي در جايي نزديك زمين قرار بگيرند به علت اينكه اختلاف بين سرعت جريانهاي هوا كم مي شود برگشت هوا تبديل به مشكل اساسي مي شود. در نتيجه چنين سيستمهايي بايد در ارتفاع نصب شوند. گاهي اوقات سيستم خنك كننده هوايي خشك به صورت سري با خنك كننده مرطوب به صورت سري به كار برده مي شود. البته اگر نياز به تغيير دماي زيادي در سيستم وجود داشته باشد، در اين فرايند ها سيال ابتدا وارد بخش لوله هاي پره دار خشك و سپس وارد قسمت لوله هاي مرطوب مي شود. بعد از اينكه رطوبت اضافي هوا توسط مه گيرهايي گرفته شد، بر روي لوله هاي خشك وزيده مي شود. در سيستم خنك كننده هاي مرطوب آب به داخل هواي خنك كننده اسپري مي شود و سپس هواي مرطوب به روي لوله ها دميده مي شود . البته بايد جنس لوله ها از نوعي باشد كه بر اثر رطوبت خراب نشود.
 

شكل 6 - در اين شكل يك مبدل خنك كننده هوايي و يك برج خنك كننده به طور مشتر ك و موازي كار سرد كردن سيال گرم
ورودي را انجام مي دهند.

 ابعاد مبدل خنك كننده هوايي

طول استاندارد لوله هاي مورد استفاده در مبدل هاي خنك كننده هوايي، معمولاً 20، 30 و 40 فوت مي باشد. عرض هر Bay نيز از 2/1 تا 1/9 متر تغيير مي كند. معمولاً استفاده از لوله هاي بلندتر باعث كاهش هزينه ساخت مبدل خنك كننده هوايي مي شود.

قطر لوله هاي مورد استفاده در مبدل خنك كننده هوايي در دامنه 16 تا 38 ميلي متر مي باشد . ارتفاع پره لوله ها نيز در دامنه 7/12 تا 4/25 ميليمتر قرار دارد. تعداد اين پره ها در هر يك اينچ از طول لوله FPI (Fin Per Inch) ، از 8 تا 11 پره تغيير مي كند. استفاده از پره ها به طور موثري باعث افزايش سطح خارجي لوله مي شود به طوريكه مساحت خارجي يك لوله پره دار شده مي تواند 12 تا 25 برابر مساحت خارجي لوله بدون پره باشد. نحوه قرار گرفتن لوله ها معمولاً به صورت مثلثي شكل مي باشد و فاصله اي در حدو د 6/1 تا 4/6 ميلي متر بين پره هاي لوله هاي مجاور در نظر گرفته مي شود . در شكل 7 آرايش مثلثي لوله ها (Triangular Pitch) نشان داده شده است.
 

شكل 7– آرايش مثلثي لوله ها (Triangular Pitch) در مبدل خنك كننده هاي هوايي

يكي از مسائلي كه در مورد مبدل هاي خنك كننده هوايي اهميت دارد، نسبت مساحت فن به مساحت Bay مي باشد. اين نسبت را Converage fan مي گويند و در مقدار آن در مبدل هاي خنك كننده هوايي نبايد از 4/0 كوچكتر باشد.

در مبدل هاي خنك كننده هوايي افزايش تعداد لوله ها باعث افزايش سطح خارجي لوله ها و باعث افزايش سرعت سيال در لوله ها به واسطه كاهش قطر لوله ها مي شود كه اين موارد باعث افزايش ميزان انتقال حرارت مي گردد. از طرف ديگر افزايش تعداد لوله ها باعث افزايش افت فشار در لوله ها، افزايش هزينه ساخت مبدل و افزايش مقدار توان مصرفي مورد نياز براي فن مي گردد. با اين توضيحات واضح است كه در طراحي مبدل خنك كننده هوايي با در نظر گرفتن اين اثرات بايد تعداد بهينه لوله ها تعيين گردد. با توجه به لزوم منطقي بودن نسبت طول به عرض در مبدل هاي خنك كننده هوايي معمولاً 3 تا 8 رديف لوله هاي فين دار، براي هر فن مورد استفاده قرار مي گيرند. لازم به ذكر است كه استفاده از چهار رديف لوله از ساير موارد متداولتر است.

در شكل 8 ، انواع لوله هاي مبدل خنك كننده هوايي نشان داده شده است . يكي از مواردي كه در اين شكل مشاهده مي شود، چگونگي قرار گرفتن هدر در اين مبدل ها مي باشد. در اين قسمت از مبدل ها با توجه به وضعيت صفحه Pass Partition ، چگونگي حركت سيال در لوله ها تعيين مي شود.

پره هاي آلومينيومي معمولاً براي لوله ها استفاده مي شود تا سطح بيشتري را در برابر هوا ايجاد كند و ضريب انتقال گرماي نسبتاً پايين هوا را جبران كند. فين ها انواع مختلفي دارند كه متداولترين آنها Extrude fin است كه از اين فين ها به خاطر اقتصادي بودنشان بيشتر استفاده مي شود. قطر پايه اي لوله ها حدود ½  تا 8/5 اينچ مي باشد ارتفاع فين ها حدود 1 - ½  in است. معمولاً هدر از جنس كربن استيل و فين ها از جنس آلومينيوم ساخته مي شوند . آلياژ برنج و استيل نيز داراي خواص مشابهي هستند ولي هردو گرانتر از كربن استيل مي باشند.

اقتصادي ترين و متداولترين نوع قرار گرفتن فن ها به صورت افقي هستند . البته براي سيالاتي كه قابليت انجماد دارند. لوله بايد حداقل شيب 1/8 اينچ داشته باشد. در اغلب موارد مشكل انجماد به و جود نمي آيد به خاطر همين و به خاطر هزينه بر بودن اين روش معمولاً لوله ها به صورت افقي قرار داده مي شوند. 
 

شكل 8- ساختار داخلي دو نوع مبدل خنك كننده هوايي

سيستم هاي عمودي و زاويه دار براي مواقعي كه ماكزيمم راندمان مورد نياز است (به طور مثال در سيستم هاي مايع سازي) بكار برده مي شوند. اغلب سيستم هاي زاويه دار، زاويه اي در حدود 30 درجه با افق مي سازند. يكي از انواع اين نوع مبدل ها در شكل 9 نشان داده شده است.
 

شكل 9- شمايي از كاربرد لوله هاي زاويه دار در مبدل خنك كننده هوايي