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