پایان نامه جهت اخذ درجۀ کارشناسی
رشتۀ مهندسی شیمی صنایع گاز
چکیده :
این تحقیق به بررسی نحوه استفاده از ترموسیفون در صنایع مختلف و تجزیه و تحلیل اثر بار حرارتی ترموسیفون و محاسبه ضریب کلی انتقال حرارت و جابجایی برروی آن میپردازد.
در فصل اول به بررسی بازیافت گرما و کاربردهای آن در صنعت پرداخته ایم.
در فصل دوم در مورد لوله های گرمایی و انواع آن و همچنین مصارف آن در صنایع مختلف بحث شده است.
در فصل سوم به نحوه استفاده از ترموسیفون در صنعت نانوایی و فواید آن در جلوگیری از اتلاف انرژی اشاره شده است.
در فصل چهارم به بررسی تاثیر نسبت هندسی و نسبت پر شدن بر ویژگی های انتقال گرمای یک ترموسیفون بسته دو فازی پرداخته ایم .
در فصل پنجم اثر بار حرارتی یک ترموسیفون و محاسبه ضریب کلی انتقال حرارت و جابجایی بر روی آن را مورد بررسی قرار دادیم . همچنین ترجمه لاتین مباحث این فصل نیز ضمیمه این پروژه می باشد .
مقدمه:
با صنعتی شدن بیش تر جهان، بخش صنعتی انرژی بیش تری را نسبت به گذشته مصرف می کند . بیش تر انرژی برای مقاصد صنعتی، هم چون تولید بخار، آب داغ، دستگاه های گرم کننده و محرک استفاده می شود. مصرف انرژی رو به افزایش است اما منابع انرژی موجود در حال کاهش می باشند. این امر هشداری است برای بخش صنعتی . در نتیجه بخش صنعتی سعی در بازیافت و دسترسی مجدد به انرژی مصرف شده داشته است.
بازیافت گرمای هدر رفته یکی از گزینه ها در محافظت از انرژی و حفظ منابع انرژی است. سال هاست که این روش مورد تحقیق و بررسی بوده است . استفاده از روش بازیافت گرمای هدر رفته برای صنایع تازگی ندارد. لوازم بازیافت گرمای هدر رفته ، به عنوان مثال ، مبدل های گرمایی می باشند. هر وسیله ای که مبادله گرما را میان دو سیال تسهیل نماید ، ممکن است یک مبدل گرمایی دانسته شود . تنوع کاربردهایی که در آن ها از لوازم مبدل های گرمایی استفاده می شود ، دامنه ی وسیعی از لوازم را شامل می شوند که در پیشرفته بودن به لحاظ فنی و اندازه شامل لوازمی چون رادیاتورها و یخچال های خانگی، موتور هواپیما ها و موتور وسایل نقلیه و کارخانه فرآوری شیمیایی می شوند. در نتیجه ، شکل های مختلف مبدل های گرمایی طراحی شده اند. این ها اغلب تحت عنوان recuprators یا regenemtor بسته به فرآیند ی که از طریق آن مبادله گرمایی میان 2 سیال انتقال گرما صورت می پذیرد ، نامیده می شوند. استفاده از روش بازیافت گرمای هدر رفته نه تنها مصرف منابع عمده را کاهش می دهد ، بلکه آزاد سازی دی اکسید کربن به محیط را نیز می کاهد. و نقش مهمی در کاهش تولید دی اکسید کربن با کاهش مصرف منابع عمده انرژی هم چون ، زغال سنگ، سوخت فسیلی، و غیره ، ایفا می کند. جنبه ی محیطی، همچنین برای بخش صنعتی یک مورد نگرانی بوده است. امروزه ، با تغییرات بسیاری در این سیاره به دلیل آزاد سازی دی اکسید کربن به محیط روبرو هستیم : گرم شدن زمین ، کاهش لایه های اوزون ، تغییرات قابل توجه آب و هوایی و بسیاری دیگر . این ها فقط چند مورد از عواقب عدم کنترل مؤثر مصرف انرژی توسط انسان است . فصل اول
بازیافت گرما
بازیافت حرارت، بهره برداری از انرژی هدر رونده ( waste energy ) از فرآیندهای مختلف صنعتی است. در بسیاری از طرح ها، نظیر صنایع قند، پتروشیمی، پالایشگاه ها و ....، انرژی، مهم ترین عامل در سوددهی این طرح هاست. نکته ی اصلی در بازیافت حرارت اتلافی، آن است که بتوان کاربردهای مناسب و همچنین، یک روش علمی و یا وسیله ی کم هزینه برای استفاده از از این انرژی پیدا نمود. این وسایل را، تجهیزات بازیافت حرارت می نامند. بازیافت انرژی، علاوه بر ذخیره سازی انرژی، همواره اقتصادی بوده و موجب کاهش آلودگی محیط زیست می باشد.
کاربردهای بازیافت انرژی در صنعت:
صنایع خمیر سازی و کاغذ سازی، برای کلیه ی فرآیندهای خود، از پیش گرم نمودن آب آسیاب ها به وسیله ی بخار ناشی از جدا کننده های گاز مایع (separator) تا خنک نمودن فاضلاب صنعتی خروجی پس از تصفیه ی آن، به بازیافت حرارت نیاز دارند.
صنایع شیمیایی، تقریباً در کلیه ی فرآیندها، برای استفاده از انرژی در تولید مواد خاص مورد نظر، نیاز به بازیافت حرارت دارند.
صنایع نفت، نیاز به بازیافت گرما از آب همراه نفت و گاز و احیاء کننده های فرآیند تصفیه ی نفت و گاز و همچنین در مورد احیاء گلایکول و آمین دارند.
در صنایع غذایی و صنایع الکل سازی، مبادله کننده ها برای پاستوریزه نمودن، بازیافت
حرارت لازم برای رنگ بری آب، گرم نمودن ذخیره ی مواد غذایی در فرآیندهای تقطیر
پیش از ورود به برج و بازیافت حرارت زائد از خشک کننده ها و دستگاه های پخت، به کار می روند.
فوائد اقتصادی بازیافت گرما:
عامل تعیین کننده ی بازگشت سرمایه، کاهش هزینه ی خرید انرژی در آینده در اثر صرفه جویی در مصرف انرژی، در برابر هزینه ی خرید مبدل های حرارتی است که می توانند این کاهش مصرف را، برای فرآیندها فراهم نمایند. به کار بردن مبدل های حرارتی، بسیار سودمند است و عموماً برای هر یک میلیون Btu / hr در سال، هزینه ای در حدود $ 35000 ذخیره می شود. عامل تعیین کننده ی دیگر، دمای عملیاتی فرآیندهای صنعتی است. دماهای بالاتر، کیفیت و ارزش بیشتری را برای گرمای بازیافت شده، ایجاد می نمایند. کمپانی هایی که در مبدل های حرارتی سرمایه گذاری می نمایند، عموماً توجه کمتری به مصارف عمومی دارند و در نهایت، صنایعی مانند خطوط هوایی آمریکا و یا صنایع
Clark – Schwebel Fiber glass ، ادعا می نمایند، که نصب مبدل های حرارتی برای بازیافت حرارت، می تواند هزینه ی خود را ظرف 2 تا 6 ماه بازگرداند.
از لحاظ اقتصادی، امکان پذیر بودن سیستم بازیافت انرژی گاز گاز، دارای ملاحظاتی می باشد:
بهای انرژی: بالا بودن بهای انرژی، علاقه را برای سطوح بالاتر بازیافت، افزایش می دهد.
ارزش انرژی تلف شده ( waste grade ) : ارزش انرژی تلف شده در دماهای بالا برای بازیافت، اقتصادی تر می باشند. اختلاف دمای زیاد بین منبع انرژی تلف شده و جریان هوای جانشین، اقتصادی تر است.
توافق و استمرار عرضه و تقاضای انرژی دور ریز: بازیافت انرژی، هنگامی اقتصادی تر است، که عرضه با تقاضا مطابق بوده و هر دو تقریباًٌ ثابت باشند.
تأثیر سیستم های بازیافت بر تجهیزات سرمایشی و گرمایشی.
فوائد زیست محیطی بازیافت گرما:
بازیافت حرارت، آلودگی منتشره ی ناشی از تولید گرما را کاهش می دهد. این آلودکی، شامل ذرات مونواکسید کربن، دی اکسید کربن، دی اکسید سولفور و مونو اکسید نیتروژن می باشند. استفاده از دستگاه های بازیافت حرارت، موجب کاهش آلودگی های زیست محیطی ناشی از استخراج، انتقال و نگهداری از حامل های اولیه ی انرژی می شود.
بسیاری از کارخانه ها و ساختمان های صنعتی، معمولاً دارای نرخ (rate) خروج بخار بالا بوده، معمولاً فرآیندها، نیازمند مصرف بیش از حد انرژی اند.
آلودگی هوای داخل مجموعه، موجب می شود که بخار، از شرایط مناسب خود خارج شود. بخاری که شامل آلودگی هایی مانند، بخارات قابل اشتعال و ذرات جامد باشد، باید از ذرات پاک سازی شده (Cleaned) و به شرایط تعیین شده ی خود باز گردد. در غیر این صورت، یک سیستم خروج بخار موضعی و یا عمومی را به کار می برند.
هنگامی که بخار به هوا تخلیه می شود، با خود انرژی زیادی را خارج می نماید؛ در نتیجه، هنگامی که پاک سازی هوا و بخارات خروجی، برای رسیدن به شرایط مطلوب ممکن نباشد، سیستم بازیافت حرارت، مورد بررسی قرار می گیرد؛ زیرا ذخیره سازی و بازیافت آن، به مقدار قابل توجهی مصرف انرژی را کاهش می دهد.
تجهیزات بازیافت انرژی:
اساس تجهیزات بازیافت انرژی گاز گاز، دو گونه است:
1-سیستم های بازیافت گرمای محسوس: که تنها گرمای محسوس را از جریان بخار هوای خروجی، بازیافت می نمایند.
2-سیستم های بازیافت گرمای نهایی: که بازیافت آنتالپی نیز نامیده می شوند، هم گرمای محسوس و هم گرمای نامحسوس را بین دو جریان هوا انتقال می دهند.
نوع تجهیزات بازیافت حرارت مورد استفاده، بر مبنای نوع انرژی ای که بازیافت می شود، مقدار مجاز آلودگی همراه و هزینه ی تجهیزات و سیستم ها می باشد.
متداول ترین انواع تجهیزات سیستم های بازیافت انرژی گاز گاز، شامل:
مبدل های حرارتی صفحه ای ثابت ( fix – plate ) ، مبدل های حرارتی گردان ( rotary ) و مبدل های حرارتی گردشی ( run – around loops ) و لوله های حرارتی.
1. لوله های حرارتی Heat Pipe Heat Exchanger :
لوله های حرارتی ، لوله هایی هستند که با قرار دادن یک فتیله با خاصیت مویینگی کامل تخلیه کردن هوا و پر کردن با یک سیال انتقال دهنده ی حرارت ( سیال عامل ) و عایق سازی دائمی لوله ها ( نسبت به ورود و خروج جرم ) ساخته می شوند .
لوله های حرارتی در یک سیکل بسته تبخیر کننده / کندانسور عمل می نماید که به صورت پیوسته تا هنگامی که اختلاف دما وجود دارد و انتهای سرد در ارتفاع بالاتری از انتهای گرم قرار دارد ، عمل می نماید .
در فصل بعد ، درباره ی لوله های گرمایی و یک نوع خاص آن یعنی ترموسیفون بیش تر صحبت خواهد شد .
2. مبدل های حرارتی چرخنده ( گردان ) Rotary :
مبدل های حرارتی گردان می توانند گرمای نهان را همانند گرمای محسوس ، بسته به ماده ی واسطه ی انتقال حرارتی به کار می رود ( depending up on heat transfer media used ) بازیافت نمایند .
یک مبدل های حرارتی گاز – گاز دوار ، چرخ حرارتی ، یک سیلندر چرخنده ( revolving ) است که به وسیله ی یک ماده واسطه نفوذ پذیر نسبت به هوا اشغال شده است ( filled with an air permible Heat Exchanger ) این واسطه ( ماده ) دارای سطح وسیع داخلی می باشد .
جریان ورودی هوا ( Adjucent makeup ) و جریان هوای خروجی ، از میان نیمی از مبدل های حرارتی عبور می نماید که دو جریان هوا در دو جهت مخالف جریان می یابند .
انرژی همان طور که ماده واسطه در معرض گاز قرار می گیرند ، از یک جریان هوا به دیگری منتقل می شود . گرمای محسوس همراه با حرکت ( pick up ) ماده واسطه منتقل شده و گرمای ذخیره شده ( stares heat ) را به درون جریان گاز سرد همراه با گردش چرخ رها می سازد .
اگر ماده واسطه برای انتقال گرمای نهان مناسب باشد ، گرمای نهان همراه با میعان رطوبت موجود در ماده واسطه از جریان گاز سرد ، هم زمان با افزایش نسبی رطوبت موجود د رماده واسطه منتقل می شود.
رطوبت ( در قسمت گاز داغ خروجی ) در حین تبخیر شدن به جریان هوای گاز با رطوبت نسبی کمتر رها سازی می شود .
آلودگی های هوا ( Air Contaminants ) ، دمای نقطه ی شبنم و دمای گاز خروجی و ویژگی های هوای در حال گرم شدن مناسب ترین نوع ماده واسطه را تعیین می نماید .
ماده واسطه برای انتقال گرمای محسوس آلومینیم ، مس ، فولاد ضد زنگ و (Monel ) می باشد .
ماده واسطه برای انتقال گرمای نهایی ( total ) می تواند هر ماده ای را که به عنوان جاذب رفتار می نماید ، مانند کلراید لیتیم و آلومینا ، شامل شود .
نرخ دریافت انرژی تابعی از سرعت چرخ است .
3. سیستم بازیافت انرژی گردشی Run – Around energy recovery loop :
این سیستم می تواند برای انتقال گرما هنگامی که دو جریان در مجاورت یکدیگر نیستند . به کار رود . بک نوع از این مبدل ها که دارای سطح گسترده می باشد ، کویل های حرارتی لوله های آب پره دار است که بین جریان ورودی به سیستم و جریان بخار خروجی به کار می روند .
کویل های حرارتی متصل شده به سیستم به وسیله ی یک حلقه ی بسته ( hidronic system ) شامل لوله کشی جریان مخالف ، یک پمپ ، سیال عامل انتقال حرارت ( که درسیستم گردش می نماید ) می باشد .
مزیت اصلی این سیستم آن است که نیازی به مجاور سازی دو جریان گاز نیست و یا حتی نزدیک سازی تقریبی آن ها و یا موارد دیگر ، فاصله ی بین دو جریان گاز تنها به وسیله ی ملاحظات اقتصادی از قبیل لوله کشی و هزینه ی پمپ کردن محدود می شود . در این سیستم ها امکان آلوده شدن در اثر عبور جریان وجود ندارد .
مهم ترین عیب این سیستم آن است که تنها گرمای محسوس را می تواند بین دو جریان مبادله نماید .
4. مبدل های حرارتی صفحه ثابت fix – plate :
این مبدل ها از لایه های متناوب صفحات که به صورت جداگانه کار گذاشته شده اند تشکیل شده و به مانند هسته ی مبدل حرارتی می باشند .
جریان بخار خروجی و جریان های هوای ورودی در فضای تبادل حرارت بین صفحات جریان می یابند .
صفحات از موادی تشکیل شده اند که هدایت گرمایی خوبی دارند و گرمای محسوس را بین دو جریان هوا انتقال می دهند .
مبدل های حرارتی صفحه ای ثابت ، از آلومینیم ساخته می شوند . به علت مقاومت آلومینیم در برابر خوردگی ، سهولت ساخت ، خصوصیات ویژه انتقال حرارت ، هزینه ی مؤثر (cost Effectiveness) مبدل های حرارتی ساخته شده از ترکیبات فولاد برای دماهای بیش از F 400 در دسترس می باشند .
میانگین محدوده ی ظرفیت جریان هوای مبدل های حرارتی از cfm 25 تا cfm 10000 می باشد .
یکی از امتیازات مبدل های حرارتی ثابت صفحه ای آن است که این مبدل ها به صورت وسائل ساکن ساخته می شوند ( static device built ) در نتیجه کوچک بوده و نشتی بین جریان های هوا نخواهیم داشت .
یکی از معایب این وسایل آن است که تنها گرمای محسوس را بازیافت می نمایند .
مبدل های حرارتی صفحه ای ثابت می توانند بیش از %80 از گرمای محسوس تلف شونده available ) ( waste در جریان بخار خروجی را بازیافت نمایند .